廣播電視無線發(fā)射機房監(jiān)控系統(tǒng)

張志杰

（廣東省廣播電視技術中心，廣州 510220）

1 研究背景

現(xiàn)階段廣播電視無線發(fā)射臺站的主要播出設備，已逐步由模擬發(fā)射設備更換為數(shù)字發(fā)射設備播出，發(fā)射臺兼?zhèn)鋽?shù)字、模擬播出設備的播出運行，為實現(xiàn)發(fā)射機房實時工作參數(shù)監(jiān)測，具備定時開、關發(fā)射機，發(fā)射機自動倒換等功能，發(fā)射監(jiān)控系統(tǒng)需嵌入硬件管理平臺，具備有網(wǎng)絡接口、RS232/422/485等專用數(shù)據(jù)采集通道，內(nèi)置網(wǎng)絡通信模塊，在監(jiān)測到運行參數(shù)異常時，自動處理故障的同時發(fā)出聲、光報警等功能，并通將報警信息發(fā)送給相關值班人員，便于突發(fā)情況的即時處理。實現(xiàn)對發(fā)射臺全方位的監(jiān)測控制，通過監(jiān)控系統(tǒng)平臺集中管理，對發(fā)射機的全面監(jiān)控，實現(xiàn)智能、安全、可靠的播出，并可提供大量事后分析數(shù)據(jù)，為機房管理提供有力的支持。

2 監(jiān)控系統(tǒng)架構

為實現(xiàn)發(fā)射臺設備及信息的智能化管理，監(jiān)管系統(tǒng)應包含以下各子系統(tǒng)：智能應急切換系統(tǒng)；多畫面信號源節(jié)目與實時播出節(jié)目監(jiān)測系統(tǒng)；發(fā)射機監(jiān)測系統(tǒng)；電力環(huán)境及安防監(jiān)測系統(tǒng)；監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。為滿足不同發(fā)射臺多類型發(fā)射設備需求，監(jiān)控系統(tǒng)需兼容模擬視音頻信號、音頻單聲道/立體聲信號、數(shù)字視頻電視信號、數(shù)字音頻廣播信號、數(shù)字碼流ASI 信號、數(shù)字音頻AES 信號、SDI 和HD-SDI 信號，支持國家最新雙國標AVS+/DRA 標準。如圖1所示。

圖1 整體系統(tǒng)結(jié)構及信號拓撲圖

監(jiān)控系統(tǒng)采用B/S 和C/S 混合架構，在邏輯結(jié)構上分別由錄制模塊、系統(tǒng)管理模塊、查詢模塊、轉(zhuǎn)碼模塊、數(shù)據(jù)庫和存儲模塊承擔系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)交換，保障高效穩(wěn)定的安全播出（包括信源前端系統(tǒng)、多畫面監(jiān)測系統(tǒng)、發(fā)射機監(jiān)測系統(tǒng)、電力環(huán)境及安防監(jiān)測系統(tǒng)）提供數(shù)據(jù)。同時系統(tǒng)通過統(tǒng)一監(jiān)管平臺整合上述各子系統(tǒng)成為一個整體，并可通過平臺客戶端或瀏覽器方式進行遠程維護、數(shù)據(jù)查詢、及分析等操作。

全臺監(jiān)控系統(tǒng)基于以太網(wǎng)架構，所有來源信號包括AVS+、DRA 信號、模擬視音頻、音頻、數(shù)字電視信號全部通過相應的監(jiān)測設備轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)IP 信號，當監(jiān)測任務增加時，無需重新構建新系統(tǒng)，只需增加相應的監(jiān)測設備，即可實現(xiàn)系統(tǒng)的擴容。

系統(tǒng)全部采用千兆交換機，保證未來監(jiān)控任務增加，網(wǎng)點增加和網(wǎng)絡規(guī)模擴大時，滿足網(wǎng)絡帶寬和通信容量等方面的需求，具備整體升級擴展能力。系統(tǒng)采用全硬件嵌入式監(jiān)測設備，支持熱插拔，自帶溫度傳感器可監(jiān)測機箱及設備工作溫度，考慮電視調(diào)頻無線發(fā)射臺多位處高山地區(qū)，受雷擊影響頻繁，設備配置防雷抗干擾措施，達到無人值守的情況下保證長時間安全穩(wěn)定運行的要求。避免了因軟件故障判定而導致的錯誤操作，保證節(jié)目安全播出不中斷、避免誤播、劣播，設備維護運營成本更遠低于軟件。

考慮到系統(tǒng)的可擴展性，ASI over IP 信號監(jiān)測儀支持8 路TS 流輸入，可擴展至16個ASI 碼流輸入，除了配備的一個千兆網(wǎng)口輸出外，并有一個備份千兆網(wǎng)口；DTMB 信號監(jiān)測設備和CDR 信號監(jiān)測設備均預留備份信號接口用于并行監(jiān)測。通過用戶權限設置，監(jiān)看系統(tǒng)根據(jù)用戶權限提供遠程信源查看或控制工作，避免越權操作。

發(fā)射機數(shù)據(jù)采集器采用“分布式”的集散控制結(jié)構（DCS），其核心思想是集中管理、分散控制，即管理與控制相分離。上機位用于集中監(jiān)視管理，下機位分散下放到現(xiàn)場，上、下機位之間以高速通訊總線互相連接傳遞信息。每個采集器可脫離獨立工作，不影響節(jié)目的安全播出；同時兼容性高，能對RS232/485/422、或Ethernet 接口等進行數(shù)據(jù)采集，兼容國內(nèi)外各主流發(fā)射機協(xié)議，系統(tǒng)預留對外接口，可按實際需求滿足與上層監(jiān)測中心的無縫對接。這種分布式的控制系統(tǒng)體系有力的克服了直接控制系統(tǒng)對控制器處理能力和可靠性要求高的缺陷，最大限度地回避了系統(tǒng)風險，并擺脫了計算機為主導的控制模式。

為了保證系統(tǒng)時間的一致性，系統(tǒng)采用統(tǒng)一的GPS 時鐘，GPS 時鐘數(shù)據(jù)通接入整個以太網(wǎng)絡，系統(tǒng)會定期自動對具有實時時鐘的監(jiān)控主機、發(fā)射機狀態(tài)采集控制器和其他具有內(nèi)部時鐘的設備校時。結(jié)合各個發(fā)射臺的具體情況，以2個頻點16套AVS+電視、1個頻點CDR 廣播節(jié)目為例，本系統(tǒng)完整的規(guī)劃施工結(jié)構圖如圖2、圖3所示。

圖2 規(guī)劃施工結(jié)構圖（傳輸方案一：微波/光纜）

圖3 規(guī)劃施工結(jié)構圖（傳輸方案二：衛(wèi)星接收）

發(fā)射機監(jiān)控系統(tǒng)通過發(fā)射機的對外接口RS232/ 485/422、或Ethernet 接口，與發(fā)射機數(shù)據(jù)采集控制器連接，一部發(fā)射機對應一部數(shù)據(jù)采集控制器，整合后的Ethernet 數(shù)據(jù)接入以太網(wǎng)絡，通過發(fā)射機監(jiān)測主機實現(xiàn)發(fā)射機的遠程監(jiān)控。為保證節(jié)目的不間斷播出，通過天線倒換控制器可實現(xiàn)同軸開關的遠程倒換。在滿足設定天線倒換條件的情況下，實現(xiàn)發(fā)射機的主備機自動倒換。系統(tǒng)預留對外接口，可按實際需求滿足與上層監(jiān)測中心的無縫對接。發(fā)射機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構如圖4所示。

圖4 發(fā)射機監(jiān)測結(jié)構圖

發(fā)射機參數(shù)采集控制其采用“分布式”的集散控制結(jié)構為基礎，即一個發(fā)射機用一個采集控制器，每個采集控制器都內(nèi)含高精度時鐘，可以脫離計算機系統(tǒng)獨立工作，并且整個發(fā)射機監(jiān)控系統(tǒng)不對發(fā)射機的正常工作產(chǎn)生任何干擾。采集控制器之間無任何相聯(lián)關系，單獨一個發(fā)射機采集控制器出現(xiàn)故障，不影響整個系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，能最大限度的回避系統(tǒng)風險。采集控制器本身具備10路模擬量，24路狀態(tài)量，16路開關量，三路串行通訊口，一路以太網(wǎng)通訊接口，可面向不同廠家、不同類型的發(fā)射機，同時可適應發(fā)射機模擬或數(shù)字不同的參數(shù)接口形式，采集控制器的串行接口為RS232、RS485、RS422互換模式可適應多種類型的物理接口。一個采集控制器可以同時完成發(fā)射機主控單元、激勵器的采集控制工作，具有調(diào)頻N+1倒備功能和電視1+1倒備功能。

圖5 發(fā)射機數(shù)據(jù)采集器原理圖

因為發(fā)射臺發(fā)射機射頻干擾強，發(fā)射臺電磁干擾十分復雜，發(fā)射臺的電源系統(tǒng)、采集系統(tǒng)容易受到諧波等問題的干擾，影響發(fā)射臺設備和系統(tǒng)的正常工作，在線路板設計上，重要的設備采用多層板設計技術，做到數(shù)字信號與模擬信號分離與數(shù)據(jù)總線與供電系統(tǒng)的分離，同時盡可能地加大印制板的附銅接地面積，從而對印制板起到屏蔽作用。對模擬量數(shù)字采集上運用信號隔離技術，使現(xiàn)場信號對系統(tǒng)的影響盡量小，同時也使信號間的干擾盡可能地減少。對輸入信號還采取了兩次濾波方式，第一次通過物理濾波網(wǎng)絡對模擬量進行低通濾波處理，將高頻干擾濾掉；第二次是在A/D 信號采集后通過數(shù)學計算方式對信號進行數(shù)字濾波處理；確保對發(fā)射機的采集控制準確無誤。在系統(tǒng)施工線纜上選用優(yōu)質(zhì)雙屏蔽雙絞線，施工過程中將強弱電纜分開進行敷設，并用金屬線槽進行完全的隔離屏蔽，監(jiān)控設備與發(fā)射臺地網(wǎng)有效的焊接在一起，許多重要設備和要求較高的設備通訊線路屏蔽網(wǎng)多點接地，盡量縮短模擬采集線的長度，在通訊方式上采用抗干擾性能好的差分平衡式數(shù)據(jù)傳輸，傳輸數(shù)據(jù)經(jīng)過多種校驗確保傳輸過程中數(shù)據(jù)的正確性，并對設備的信號輸出輸入端采用光耦進行隔離。

模擬量接口控制器主要是通過A/D 轉(zhuǎn)換采集模擬量參數(shù)，A/D 轉(zhuǎn)換芯片一旦受干擾將直接影響到“模/數(shù)”轉(zhuǎn)換的結(jié)果。最容易對芯片產(chǎn)生干擾的環(huán)節(jié)是供電系統(tǒng)和模擬量輸入引線。因此運用隔離運放或線性光耦將模擬量隔離后再輸入到A/D 芯片上，此外采用隔離電源將A/D 芯片的電源系統(tǒng)與發(fā)射機供電系統(tǒng)徹底分離。這樣將A/D 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的受干擾因素將大大地緩解，運用模擬、數(shù)字濾波技術也可以改善高頻干擾對控制器的影響，運用電阻、電容構建一個低通濾波網(wǎng)絡，可有效地抑制高頻干擾信號，還可以在AD 轉(zhuǎn)換完成后通過程序進行數(shù)字濾波，只有采用綜合的抗干擾措施才能有效地降低監(jiān)控系統(tǒng)的干擾。

3 結(jié)束語

隨著我省廣播電視無線發(fā)射臺站的事業(yè)臺站的事業(yè)發(fā)展，各發(fā)射臺處于模擬和數(shù)字播出并行階段，發(fā)射臺的監(jiān)控系統(tǒng)的更新?lián)Q代必須兼容各類型發(fā)射設備、多樣化系統(tǒng)標準的接入的基礎，滿足發(fā)射臺的各播出環(huán)節(jié)設備的日常工作運行監(jiān)控，實現(xiàn)突發(fā)情況的應急自動化控制、倒換等功能，整體監(jiān)控系統(tǒng)適應特殊工作環(huán)境需求（高山潮濕、防雷、供電倒換等情況）。該廣播電視無線發(fā)射臺監(jiān)控系統(tǒng)不但實現(xiàn)對發(fā)射臺的實時監(jiān)控，而且滿足值班人員對突發(fā)情況的應急處理時效性。