廣播發(fā)射臺(tái)音頻選擇系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案

楊 凱

（國家新聞出版廣電總局 五九四臺(tái)，陜西 咸陽712000）

0 前言

為了滿足廣播發(fā)射臺(tái)不間斷、高品質(zhì)安全傳輸發(fā)射工作，目前我國多數(shù)基層發(fā)射臺(tái)站節(jié)目源均采用多路徑接收來保證節(jié)目源可靠性。如分別使用C波段、Ku波段衛(wèi)星鍋接收不同衛(wèi)星上傳的兩路相同節(jié)目，有條件的臺(tái)站還會(huì)使用光纜再從地面接收一路或多路相同的節(jié)目，從而實(shí)現(xiàn)當(dāng)一路節(jié)目源中斷時(shí)另外一路或多路節(jié)目源仍可用。

然而通過增加節(jié)目源冗余度雖然確保了節(jié)目的可達(dá)性。但對(duì)于3路節(jié)目源實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控，互為備份的優(yōu)先級(jí)設(shè)置，及當(dāng)主路節(jié)目中斷后如何自動(dòng)快速無縫切換等問題的解決，則還需要設(shè)計(jì)一套完備的音頻自動(dòng)選擇系統(tǒng)，才可對(duì)多路節(jié)目源進(jìn)行有效的自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)。

1 音頻選擇系統(tǒng)需求

在實(shí)際應(yīng)用中考慮到使用成本和廣播發(fā)射臺(tái)播音工作的實(shí)際需要，采用3路節(jié)目源加1路應(yīng)急節(jié)目傳送可以完全滿足實(shí)際需要，因此本文所討論的音頻選擇系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上最多可接入4路節(jié)目源。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）音頻選擇系統(tǒng)每個(gè)通道支持3路的數(shù)字音頻信號(hào)和1路應(yīng)急節(jié)目源的輸入，實(shí)現(xiàn)輸出四選一切換功能。選擇輸出節(jié)目需有兩組相同的數(shù)字音頻信號(hào)，以滿足為每部發(fā)射機(jī)傳送節(jié)目和對(duì)切換系統(tǒng)監(jiān)測(cè)需要。

（2）音頻選擇系統(tǒng)設(shè)備使用雙電源熱備份以保證設(shè)備穩(wěn)定。

（3）音頻選擇系統(tǒng)具有斷電直通功能。每個(gè)通道都支持直通功能，當(dāng)設(shè)備斷電或某個(gè)通道的接口板不存在時(shí)，每個(gè)通道的第一路輸入（即“A”輸入）都將直通到第一路輸出（即擴(kuò)展盒對(duì)應(yīng)通道的“A”輸出）。保證任何狀態(tài)下，都可以有一路信號(hào)安全通過。

（4）音頻選擇系統(tǒng)每個(gè)數(shù)據(jù)接口模塊應(yīng)有三種切換方式：自動(dòng)切換、手動(dòng)切換和遙控切換模式，可實(shí)現(xiàn)前面板強(qiáng)制手動(dòng)和PC機(jī)遙控操作，對(duì)輸入信號(hào)的錯(cuò)誤或設(shè)備故障設(shè)備面板和PC機(jī)控制界面有報(bào)警指示信息和聲音提示。

（5）系統(tǒng)開機(jī)時(shí)自動(dòng)切換方式缺省為A路輸出，系統(tǒng)運(yùn)行后根據(jù)信號(hào)報(bào)警的狀態(tài)自動(dòng)選擇輸出的通道。當(dāng)主通道信號(hào)正常時(shí)，不管其它通道信號(hào)是否正常，設(shè)備都選擇主通道切換輸出。當(dāng)主路信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤，設(shè)備按照順序切換的條件進(jìn)行切換；如果主路信號(hào)又恢復(fù)正常，則由其它通道跳轉(zhuǎn)切換到主通路輸出。

（6）具有通訊接口，實(shí)時(shí)傳送設(shè)備工作狀態(tài)，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)各類節(jié)目信息。當(dāng)主用信號(hào)出現(xiàn)線路故障或進(jìn)行檢修時(shí)，可自動(dòng)或手動(dòng)切換至備用播音。

（7）輸入節(jié)目和輸出節(jié)目有無在線監(jiān)測(cè)。PC機(jī)四選一控制軟件可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、設(shè)備控制、日志查詢和數(shù)據(jù)維護(hù)、安全性及功能管理等功能，并可進(jìn)行監(jiān)聽和故障記錄。

2 音頻選擇系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

圖1 系統(tǒng)組成及信號(hào)處理流程框圖

為實(shí)現(xiàn)四路節(jié)目源的自動(dòng)切換，降低發(fā)射臺(tái)因節(jié)目源中斷導(dǎo)致的停播事故，需定制研發(fā)一套音頻四選一設(shè)備及遠(yuǎn)程控制軟件組成音頻選擇自動(dòng)切換系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用設(shè)備應(yīng)具有廣播級(jí)專業(yè)的音頻設(shè)備要求，可同時(shí)接收多路專業(yè)數(shù)字音頻信號(hào)（AES/EBU）切換。

整個(gè)廣播發(fā)射臺(tái)音頻選擇系統(tǒng)按照實(shí)現(xiàn)功能不同，在設(shè)計(jì)上分成三大部分：分別由信號(hào)分析選擇分系統(tǒng)、音頻分配分系統(tǒng)及上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成。系統(tǒng)組成關(guān)系如圖1所示。

2.1 信號(hào)分析選擇分系統(tǒng)

2.1.1 四選一選擇板設(shè)計(jì)

信號(hào)分析選擇分系統(tǒng)主要由四選一選擇板構(gòu)成，四選一選擇板是實(shí)現(xiàn)節(jié)目選擇的最小功能單元。其基本原理如圖2所示，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)3路節(jié)目源和1路應(yīng)急（錄音）節(jié)目自動(dòng)選擇。其中對(duì)三路外接節(jié)目源音頻有無判別、告警，自動(dòng)切換備用節(jié)目源及各路節(jié)目源優(yōu)先級(jí)設(shè)定等功能，均由四選一板卡控制器判別，控制電子開關(guān)完成切換。每塊選擇板輸出對(duì)應(yīng)為一部發(fā)射機(jī)傳送節(jié)目。

圖2 系統(tǒng)的單個(gè)通道的基本原理

四選一選擇板是整個(gè)音頻選擇系統(tǒng)的核心模塊。對(duì)應(yīng)四選一板卡三路音頻輸入板卡需要使用三片CS8420音頻解碼芯片，完成對(duì)信號(hào)解碼、速率轉(zhuǎn)換。解碼后的三路信號(hào)送入板卡CPLD中，通過 CPLD實(shí)現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)提取，信號(hào)分選，讀取控制開關(guān)信息，控制指示燈的工作，信號(hào)處理等功能。最后在板卡上還需使用一片ADSP-BF531芯片完成對(duì)解碼的音頻數(shù)據(jù)及提取的各通道控制信號(hào)進(jìn)行判別，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換及各項(xiàng)控制。四選一選擇板設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 四選一選擇板設(shè)計(jì)方案

2.1.2 四選一選擇板軟件設(shè)計(jì)

四選一選擇板主要控制邏輯控制是由燒寫在DSP引導(dǎo)芯片中的控制程序?qū)崿F(xiàn)，軟件中對(duì)三路節(jié)目輸入分別用A路、B路和C路表示。該程序每50ms循環(huán)記錄一個(gè)通道的音頻信號(hào)，并且記錄保存，采集數(shù)據(jù)后，需要去掉信號(hào)干擾，保證無信號(hào)位受到干擾不報(bào)警。完成人工輸入的和應(yīng)急輸入控制，如果切回自動(dòng)模式，則初始化到A路，打開各中斷。3路輸入音頻信號(hào)各經(jīng)過3片CS8420芯片解析后，輸入到CPLD，BF531通過同步串口采集CPLD輸出的音頻信號(hào)，SPORT端口分時(shí)接收CPLD送來的3路解析后信號(hào)質(zhì)量數(shù)據(jù)，并在定時(shí)器設(shè)置的時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)采集到的最大電平值，即音頻信號(hào)的最大電平。由最大電平和門限電平比較后的結(jié)果和各開關(guān)的設(shè)定狀態(tài)決定選擇相應(yīng)的通道作為輸出，同時(shí)記錄當(dāng)前狀態(tài)，并將其輸入到CPLD。從CPLD讀取外部控制開關(guān)狀態(tài)。觸發(fā)定時(shí)器1，檢測(cè)存儲(chǔ)的最大電平是否達(dá)到外部開關(guān)設(shè)定的門限電平，如果沒有達(dá)到，當(dāng)前通道點(diǎn)亮報(bào)警燈，并通過UART向控制板發(fā)送報(bào)警信號(hào)。同時(shí)觸發(fā)定時(shí)器2,設(shè)置報(bào)警時(shí)間。如果在觸發(fā)定時(shí)器2之前，信號(hào)達(dá)到了要求，則關(guān)閉報(bào)警燈，恢復(fù)報(bào)警前狀態(tài)；如果信號(hào)最大電平仍低于門限電平，根據(jù)控制開關(guān)狀態(tài)，將輸出切換到另一路信號(hào)，同時(shí)點(diǎn)亮該路信號(hào)指示燈。

通過優(yōu)先級(jí)設(shè)定，四選一切換滿足：無論任何時(shí)候，都工作在A通道，如果A通道接收失鎖或電平達(dá)不到要求，跳轉(zhuǎn)到B通道，如果B通道仍達(dá)不到設(shè)定門限要求，將跳轉(zhuǎn)到C通道，如果C通道信號(hào)電平依舊不能滿足要求，將輸出應(yīng)急信號(hào)。BF531通過UART與控制板通信，及時(shí)應(yīng)答控制板的查詢，上報(bào)當(dāng)前狀態(tài)。

2.1.3 信號(hào)分析選擇分系統(tǒng)集成控制

在實(shí)際使用中考慮到四選一板卡統(tǒng)一供電，輸入輸出線纜布局，集中控制和提高系統(tǒng)安全性、集成度等因素，設(shè)計(jì)上將每10塊選擇板集成在一臺(tái)四選一機(jī)箱中，選擇板卡與機(jī)箱通過可插拔式插槽母板連接。母板上配置有繼電器，其作用是當(dāng)板卡移走時(shí)，用繼電器常閉節(jié)點(diǎn)連接主路信號(hào)輸出，具有斷電直通功能。

在使用中將3×10路輸入和1×10路輸出均通過機(jī)箱母板卡儂頭與10塊選擇板連接。在機(jī)箱上加配兩塊電源模塊和一塊控制模塊。實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)10部發(fā)射機(jī)多路節(jié)目源自動(dòng)選擇。四選一機(jī)箱集成控制如圖4所示。

圖4 四選一板卡集成設(shè)計(jì)方案

四選一機(jī)箱雙供電模塊設(shè)計(jì)用于加強(qiáng)系統(tǒng)供電安全，每塊電源卡路可為10塊選擇板和1塊控制板提供1路直流＋5V，電源轉(zhuǎn)換主要通過電源芯片TPS70302實(shí)現(xiàn)。

四選一機(jī)箱控制模塊設(shè)計(jì)上用于完成機(jī)箱中10塊選擇卡與上位機(jī)的交互通信。通過對(duì)上位機(jī)接收和發(fā)送控制信息來完成系統(tǒng)的遙控功能。該板卡集成了應(yīng)急信號(hào)的輸入、控制模塊和面板操作。每個(gè)控制板上都裝有一個(gè)蜂鳴器，當(dāng)設(shè)備有故障或輸入信號(hào)符合設(shè)定的報(bào)警條件時(shí)，蜂鳴器就會(huì)打開提示當(dāng)前設(shè)備出現(xiàn)故障。

2.2 音頻分配分系統(tǒng)

圖5 音頻分配分系統(tǒng)組成原理

對(duì)應(yīng)于四選一機(jī)箱10路選擇輸出設(shè)計(jì)，音頻分配分系統(tǒng)將10路音分集成在一塊板卡上，并在板卡上加入電源模塊，集成為一臺(tái)音分?jǐn)U展機(jī)箱。板卡上集成10路音頻分配器，將各自的輸入分配成兩路，一路輸出送往發(fā)射機(jī)用于播音，另一路回傳至上位機(jī)用于監(jiān)聽。音頻分配分系統(tǒng)如圖5所示。

2.3 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

上位機(jī)通過運(yùn)行在PC上的音頻四選一監(jiān)控軟件和四選一機(jī)箱控制模塊建立連接，主要完成PC機(jī)與四選一選擇板的交互，通過對(duì)PC機(jī)接受和發(fā)送控制信息來完成系統(tǒng)的遙控功能，完成與信號(hào)選擇板信息交換，同步顯示應(yīng)急信號(hào)的輸入指示和系統(tǒng)報(bào)警。程序主界面如圖6所示。

圖6 音頻四選一監(jiān)控軟件主界面。

2.3.1 上位機(jī)與硬件設(shè)備通訊的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

上位機(jī)與四選一控制板通信協(xié)議為自定義，通信協(xié)議中上位機(jī)的協(xié)議幀為6個(gè)字節(jié)，具體如表1所示。

表1 上位機(jī)協(xié)議幀

命令類型具體定義為：

01—切換到A路、02—切換到B路、03—切換到C路、04—切換到緊急、05—切換到自動(dòng)、0A—上報(bào)子板狀態(tài)。

子板編號(hào)0—10對(duì)應(yīng)各個(gè)子板。

2.3.2 音頻四選一設(shè)備監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控程序由網(wǎng)絡(luò)連接、狀態(tài)查詢和通道切換三個(gè)模塊組成。網(wǎng)絡(luò)連接模塊用于實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與四選一控制模塊的網(wǎng)絡(luò)連接，保證受控設(shè)備的連通性。查詢模塊程序通過定時(shí)器查詢遠(yuǎn)程四選一機(jī)箱每塊選擇板四個(gè)通道及控制板狀態(tài)信息。程序中根據(jù)收到的檢測(cè)信號(hào)的不同值，來同步顯示監(jiān)控軟件主界面上各子板的通道指示燈狀態(tài)。通道切換子程序通過發(fā)送自定義的命令字（見表1），實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作四選一設(shè)備選擇切換節(jié)目源。

2.3.3 音頻四選一設(shè)備監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)功能

上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能有以下幾點(diǎn)：

①監(jiān)控軟件能夠按照甲、乙、丙三個(gè)發(fā)射機(jī)房分別連接各自機(jī)房四選一設(shè)備。

②監(jiān)控軟件能夠?qū)崟r(shí)顯示四選一設(shè)備中每塊子板（對(duì)應(yīng)各個(gè)發(fā)射機(jī)）的3路輸入信號(hào)（2路衛(wèi)星信號(hào)、1路光纜信號(hào)）的狀態(tài)。

③監(jiān)控軟件能夠?qū)崟r(shí)顯示每塊子板的當(dāng)前狀態(tài)（Emergency、Auto、Manual），以及當(dāng)前所選擇的通路（CHA、CHB、CHC）。

④當(dāng)任意一條音頻通路中斷時(shí)，監(jiān)控軟件能夠及時(shí)顯示告警。

⑤值班人員能夠通過監(jiān)控軟件遠(yuǎn)程對(duì)四選一設(shè)備進(jìn)行操作。具體操作包括改變四選一設(shè)備中每塊子板的狀態(tài)（Emergency、Auto、Manual）以及任意切換節(jié)目通路（CHA、CHB、CHC）。

3 結(jié)束語

本文是結(jié)合廣播發(fā)射臺(tái)多路節(jié)目源切換選擇工作實(shí)際需求設(shè)計(jì)的一套音頻節(jié)目自動(dòng)選擇與遠(yuǎn)程監(jiān)控解決方案。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上滿足了發(fā)射臺(tái)一路節(jié)目中斷后能夠快速自動(dòng)將備用節(jié)目源倒換到系統(tǒng)輸出，并在上位機(jī)同步顯示告警信息及當(dāng)前使用節(jié)目通道。該系統(tǒng)投入使用后將對(duì)保障發(fā)射臺(tái)安全傳輸發(fā)射工作起到重要作用。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案對(duì)類似的音頻及視頻節(jié)目自動(dòng)切換選擇及監(jiān)控的設(shè)計(jì)也具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］孫志強(qiáng).衛(wèi)星廣播技術(shù)[Z].北京：無線電臺(tái)管理局，2000.

［2］劉艷萍.DSP技術(shù)原理及應(yīng)用教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2005.