中波發(fā)射臺(tái)集成化音頻前端的設(shè)計(jì)

阿不力孜·牙生

摘 要：集成化音頻前端，主要是把主備音頻信號(hào)切換、分配、監(jiān)聽(tīng)、監(jiān)看、監(jiān)測(cè)、音頻處理、發(fā)射機(jī)調(diào)幅度的自動(dòng)調(diào)整、“三滿”播出狀態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控及異態(tài)報(bào)警、自臺(tái)播出質(zhì)量的無(wú)線監(jiān)測(cè)功能為一體的嵌入式智能化監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)極大地簡(jiǎn)化了設(shè)備間的連線，有效降低了設(shè)備故障率和運(yùn)行維護(hù)成本，在根本上提高了音頻前端的智能化、自動(dòng)化程度。有效提高了播出質(zhì)量，有效防止了各類播出事故。

關(guān)鍵詞：集成化音頻前端；信號(hào)的按權(quán)限智能切換；高速音頻采集；多串口服務(wù)器；遠(yuǎn)程監(jiān)控

保證信號(hào)源安全，是各中波發(fā)射臺(tái)安全播出環(huán)節(jié)中最重要環(huán)節(jié)之一。中波發(fā)射臺(tái)發(fā)射機(jī)的信號(hào)源部分也叫音頻前端，其設(shè)備眾多、連線復(fù)雜凌亂、設(shè)備功能單一、智能化及集成化程度低是其主要弊端。為了克服以上弊端，進(jìn)一步提高安全播出質(zhì)量，我中心研發(fā)了《中波發(fā)射臺(tái)集成化音頻前端》設(shè)備；該設(shè)備已通過(guò)了國(guó)家廣電總局相關(guān)部門(mén)的質(zhì)量監(jiān)測(cè)認(rèn)證，并在新疆37個(gè)中波發(fā)射臺(tái)推廣應(yīng)用一年來(lái)，在“三滿”播出工作中，起到了不可替代重要作用的同時(shí)，在有效提高了播出質(zhì)量，有效防止各類播出事故，減輕一線值班人員的勞動(dòng)強(qiáng)度等方面也發(fā)揮了很好的作用。

眾所周知，大部分中波發(fā)射臺(tái)的信號(hào)主要由主、備衛(wèi)星信號(hào)，微波信號(hào)及光纜信號(hào)等四路信號(hào)組成。臺(tái)站根據(jù)各路信號(hào)質(zhì)量，把它們分為主路信號(hào)、第一備路信號(hào)、第二備路信號(hào)、第三備路信號(hào)等若干等級(jí)，需要時(shí)按其等級(jí)權(quán)限切換使用。

我中心研發(fā)的集成化音頻前端，主要是把主備音頻信號(hào)切換、分配、監(jiān)聽(tīng)、監(jiān)看、監(jiān)測(cè)、音頻處理、發(fā)射機(jī)調(diào)幅度的自動(dòng)調(diào)整、“三滿”播出狀態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控及異態(tài)報(bào)警、自臺(tái)播出質(zhì)量的無(wú)線監(jiān)測(cè)功能為一體的嵌入式智能化監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)除了音頻接收機(jī)之外的所有前端設(shè)備的功能集成到一部4U和一部2U的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱之內(nèi)，極大地簡(jiǎn)化了設(shè)備間的連線，節(jié)省了設(shè)備安放空間，有效降低了設(shè)備故障率和運(yùn)行維護(hù)成本，根本上提高了音頻前端的智能化、自動(dòng)化程度。

集成化音頻前端的主要功能：（1）音頻信號(hào)的分配、幅度監(jiān)測(cè)、顯示及監(jiān)聽(tīng)。（2）一路主及多路音頻信號(hào)的按權(quán)限智能切換。（3）音頻信號(hào)緩慢提升及快速壓縮及自動(dòng)增益補(bǔ)償。（4）根據(jù)發(fā)射機(jī)的調(diào)幅度變化情況自動(dòng)調(diào)整發(fā)射機(jī)輸入音頻幅度，保持發(fā)射機(jī)合格的調(diào)幅度。（5）發(fā)射機(jī)功率及播出時(shí)間的實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控。（6）根據(jù)運(yùn)行圖，有線、無(wú)線并行方式實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)射機(jī)“三滿”播出狀態(tài)，出現(xiàn)異態(tài)及時(shí)聲光及手機(jī)短信報(bào)警。（7）緊急情況時(shí)，一鍵式直通各路音頻信號(hào)，保證信號(hào)的正常傳輸。（8）中波發(fā)射機(jī)的播出質(zhì)量信息打包傳輸，供給遠(yuǎn)程監(jiān)控。

集成化音頻前端的主要組成：（1）音頻信號(hào)的分配、監(jiān)測(cè)、監(jiān)看及監(jiān)聽(tīng)模塊。（2）多路音頻信號(hào)的按權(quán)限智能切換模塊。（3）音頻信號(hào)預(yù)理模塊。（4）調(diào)幅度閉環(huán)式自動(dòng)控制模塊。（5）調(diào)幅度、功率及播出時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊。（6）中波廣播開(kāi)路信號(hào)的無(wú)線監(jiān)控及信息處理模塊。（7）各路信號(hào)應(yīng)急直通模塊。

以下是（虛線框以外）集成化音頻前端方框圖，見(jiàn)圖1。

系統(tǒng)工作原理：

原理一：一路主、三路備份信號(hào)的按權(quán)限智能切換模塊。

一路主及三路備備份信號(hào)的按權(quán)限智能切換、信號(hào)幅度顯示、信號(hào)異態(tài)報(bào)警模塊原理方框圖，見(jiàn)圖2。系統(tǒng)由STC12C5A60S2型高速單片機(jī)為核心的高速音頻采集、四路音頻信號(hào)切換、四路音頻幅度顯示及音頻信號(hào)異態(tài)聲光報(bào)警系統(tǒng)組成，一路主及三路備路信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離、干擾信號(hào)濾波后分別送入單片機(jī)的P1.0～P1.3A/D轉(zhuǎn)換口，單片機(jī)將送入的每一路音頻以40KHZ的頻率進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)判斷每一路信號(hào)的狀態(tài)的同時(shí)把每一路信號(hào)的幅度信息通過(guò)P0.1～P0.7及P2.0，P2.7口以彩條的方式顯示在LED屏幕上。如果任何一路的采集值連續(xù)25秒（可預(yù)設(shè)）低于最低信號(hào)有效值（-21Db）則視為該路信號(hào)丟失或無(wú)效信號(hào)，通過(guò)P1.4到P1.7引腳輸出信號(hào)切換及音頻信號(hào)異態(tài)報(bào)警信號(hào)，各路音頻狀態(tài)與音頻切換控制引腳P1.4到P1.7輸出值之間的關(guān)系如下：（1）系統(tǒng)復(fù)位

（啟動(dòng)）時(shí)只要主路信號(hào)正常，單片機(jī)P1.4腳輸出高電平，保持輸出主路信號(hào)。（2）主路信號(hào)丟失時(shí)只要第一備路信號(hào)正常，單片機(jī)P1.5腳輸出高電平，切換輸出第一備路信號(hào)。一旦主路信號(hào)恢復(fù)正常，立即無(wú)條件切回主路輸出。（3）如果主路和第一備路信號(hào)都丟失，單片機(jī)P1.6腳輸出高電平，切換輸出第二備路信號(hào)。一旦主路和第一備路信號(hào)恢復(fù)正常，按優(yōu)先權(quán)限級(jí)，立即無(wú)條件切回輸出主路或第一備路信號(hào)。（4）如果主路和第一、第二備路信號(hào)都丟失，單片機(jī)P1.7腳輸出高電平，切換輸出第三備路信號(hào)。一旦主路和第一或第二備路信號(hào)恢復(fù)正常，按優(yōu)先權(quán)限級(jí)，立即無(wú)條件切回輸出主路或第一、第二備路信號(hào)。（5）四路音頻信號(hào)都丟失，系統(tǒng)啟動(dòng)聲光報(bào)警，并切回主路輸出狀態(tài)，等待信號(hào)恢復(fù)。一旦某一路信號(hào)恢復(fù)，系統(tǒng)立即切到信號(hào)恢復(fù)的那一路，恢復(fù)信號(hào)輸出。（6）任何一路信號(hào)丟失，系統(tǒng)都會(huì)發(fā)出聲音報(bào)警，并記錄信號(hào)丟失或恢復(fù)時(shí)間。

原理二：音頻信號(hào)預(yù)處理模塊。

該模塊對(duì)一路主及三路備份信號(hào)的按權(quán)限智能切換模塊輸出的音頻信號(hào)進(jìn)行處理，即：對(duì)過(guò)低信號(hào)進(jìn)行緩慢提升，而對(duì)過(guò)高信號(hào)進(jìn)行快速壓縮，防止信號(hào)的大起大落對(duì)發(fā)射機(jī)造成的過(guò)調(diào)制或劣播。把音頻信號(hào)峰值保持在+10dB左右。此模塊系統(tǒng)中起具有AGC功能的音頻處理器的作用。

原理三：高保真雙通道電子音量控制模塊。

高保真雙通道電子音量控制模塊，見(jiàn)圖3。主要由一塊高保真雙通道音量控制芯片PGA2310和STC12C2052單片機(jī)組成，其主要作用是在減少和增加音量控制信號(hào)作用下，給發(fā)射機(jī)提供滿足發(fā)射機(jī)合格調(diào)幅度的音頻信號(hào)，始終保持發(fā)射機(jī)的合格調(diào)幅度。因?yàn)榻o它輸入的是Vpp=10dB的音頻信號(hào)，在音量控制信號(hào)的控制下給發(fā)射機(jī)提供Vpp為-4dB至+10dB的音頻信號(hào)。此信號(hào)滿足國(guó)內(nèi)使用的大部分中波發(fā)射機(jī)調(diào)制要求。

原理四：調(diào)幅度、功率及播出時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)控及音量控制信號(hào)產(chǎn)生模塊。

調(diào)幅度、功率及播出時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)控及音量控制信號(hào)產(chǎn)生模塊是該系統(tǒng)的核心，調(diào)幅度的精確計(jì)算是問(wèn)題的關(guān)鍵所在，該系統(tǒng)采用了與載波頻率無(wú)關(guān)的數(shù)字式檢波器，在中波全頻段之內(nèi)，很好地線性解調(diào)出來(lái)音頻和載波直流值；因?yàn)檎{(diào)幅度是音頻幅度和載波幅度的比值，我們只要把載波的直流值當(dāng)做A/D轉(zhuǎn)換器參考電壓，而把音頻送入A/D轉(zhuǎn)換器模擬量輸入端時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果就是此時(shí)的調(diào)幅度值。所以單片機(jī)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器輸出的調(diào)幅度值進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算處理，很容易計(jì)算出所需要的調(diào)幅度的瞬時(shí)值、峰值及平均值，并根據(jù)得出的調(diào)幅度值，很容易判斷出發(fā)射機(jī)的調(diào)幅度狀態(tài)；當(dāng)發(fā)射機(jī)調(diào)幅度出現(xiàn)異態(tài)時(shí)，向電子音量控制器的加、減音量控制端發(fā)出相應(yīng)的增加或減少音量的方波信號(hào)，閉環(huán)式調(diào)整發(fā)射機(jī)的輸入音頻幅度來(lái)達(dá)到自動(dòng)調(diào)整調(diào)幅度目的。除此之外，發(fā)生異態(tài)時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，并根據(jù)查詢命令，通過(guò)RS-232口向上位機(jī)傳輸相應(yīng)的調(diào)幅度及功率測(cè)試數(shù)據(jù)。原理方框圖，見(jiàn)圖4。

原理五：中波廣播信號(hào)無(wú)線監(jiān)控及信息處理模塊。

該模塊的核心是一塊中波廣播信號(hào)播出參數(shù)無(wú)線實(shí)時(shí)采集模塊和一臺(tái)嵌入式多串口服務(wù)器組成；中波廣播信號(hào)播出參數(shù)無(wú)線實(shí)時(shí)采集模塊，對(duì)預(yù)設(shè)的中波頻率的場(chǎng)強(qiáng)、信噪比、調(diào)幅度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并采集的數(shù)據(jù)通過(guò)RS-232傳回給嵌入式多串口服務(wù)器，嵌入式多串口服務(wù)器根據(jù)采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)發(fā)射機(jī)的滿時(shí)間、滿功率，滿調(diào)幅度播出情況進(jìn)行判斷和統(tǒng)計(jì)顯示，并把相關(guān)數(shù)據(jù)打包傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器的同時(shí)，對(duì)“三滿”播出異態(tài)進(jìn)行聲光及短信報(bào)警。

除此之外，該系統(tǒng)還具備各路信號(hào)的直通模塊，設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)任一路信號(hào)一鍵直，通過(guò)無(wú)源阻抗變換直通到發(fā)射機(jī)，維持發(fā)射機(jī)的正常播出，不會(huì)因該系統(tǒng)設(shè)備故障造成停播。