自適應(yīng)多信源三路調(diào)頻發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

□ 唐 麗

一、引言

隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)廣播電視發(fā)射臺(tái)站數(shù)量與播出節(jié)目的增多，廣電業(yè)務(wù)多樣化需求也在不斷增長(zhǎng)，原先農(nóng)網(wǎng)的信源射頻傳輸方式使得信源傳輸網(wǎng)絡(luò)不堪重負(fù)，信源傳輸網(wǎng)絡(luò)全面IP 化是必然的趨勢(shì)。為適應(yīng)信源傳輸網(wǎng)絡(luò)的IP 化發(fā)展，根據(jù)廣西自身信源系統(tǒng)建設(shè)的特點(diǎn)和需求，滿(mǎn)足新型廣播臺(tái)站建設(shè)的需求，本文提出一種自適應(yīng)多信源三路調(diào)頻發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)方案。

該發(fā)射機(jī)支持ASI、DTMB 射頻、IP 三種不同模式信源輸入，可對(duì)接大部分主流信源前端設(shè)備。采用ARM+FPGA 架構(gòu)為核心，可自行選擇信源，可對(duì)多個(gè)碼流和廣播節(jié)目進(jìn)行監(jiān)控管理、篩選過(guò)濾。支持主流音頻解碼格式，可同時(shí)進(jìn)行三路音頻解碼。支持應(yīng)急廣播功能，可以對(duì)通過(guò)碼流傳輸?shù)膽?yīng)急廣播數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并進(jìn)行相應(yīng)操作。采用模塊化設(shè)計(jì)，易于安裝拆卸，維護(hù)方便，適用于農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)臺(tái)站的維護(hù)方式。

二、總體設(shè)計(jì)框架

自適應(yīng)多信源三路調(diào)頻發(fā)射機(jī)主要由一個(gè)調(diào)制模塊和三個(gè)調(diào)頻功放模塊組成。TS 節(jié)目流通過(guò)ASI、DTMB、IP 網(wǎng)絡(luò)三種渠道進(jìn)入信源調(diào)制模塊，經(jīng)過(guò)解調(diào)、解復(fù)用、過(guò)濾、解碼、調(diào)頻調(diào)制后形成所需的三個(gè)頻率的調(diào)頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)制的信號(hào)分別輸入三個(gè)功放模塊進(jìn)行射頻放大后通過(guò)天饋系統(tǒng)進(jìn)行播出。發(fā)射機(jī)的整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 自適應(yīng)多信源三路調(diào)頻發(fā)射機(jī)原理框圖

該發(fā)射機(jī)擁有三路獨(dú)立的解碼、調(diào)制與功放通道，可同時(shí)進(jìn)行三套不同頻率的調(diào)頻廣播播發(fā)業(yè)務(wù)。三種輸入方式相互獨(dú)立，互不干擾，可同時(shí)適應(yīng)三種不同的信源傳輸方案。ASI 輸入可兼容市面大多數(shù)數(shù)字信源前端產(chǎn)品，可直接與復(fù)用器、衛(wèi)星接收機(jī)、視音頻編轉(zhuǎn)碼器等設(shè)備對(duì)接。DTMB 輸入可對(duì)接HFC 網(wǎng)絡(luò)，相比使用FM 的 HFC 網(wǎng)絡(luò)，DTMB 傳輸?shù)男矢?，質(zhì)量更好，抗干擾能力更強(qiáng)。在沒(méi)有條件部署有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的地方，DTMB 輸入還可以作為災(zāi)備通道進(jìn)行差轉(zhuǎn)播發(fā)。IP 輸入兼容廣西廣播電視信源傳輸網(wǎng)，用網(wǎng)線(xiàn)接入節(jié)點(diǎn)交換機(jī)便可接收網(wǎng)內(nèi)的TSIP 組播，獲取大量廣播電視節(jié)目。

發(fā)射機(jī)各模塊具備網(wǎng)絡(luò)通信功能，由內(nèi)部交換機(jī)聚合后通過(guò)RJ45 網(wǎng)口與外部進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)外部遠(yuǎn)程監(jiān)控。信源調(diào)制模塊采用雙網(wǎng)口結(jié)構(gòu)，對(duì)信源和網(wǎng)管業(yè)務(wù)進(jìn)行了隔離。信源網(wǎng)和網(wǎng)管使用不同的邏輯網(wǎng)絡(luò)，確保了信源傳輸網(wǎng)絡(luò)的安全可靠。

三、信源調(diào)制模塊

（一）信源調(diào)制模塊原理框圖

信源調(diào)制模塊用于處理信號(hào)的解調(diào)、解復(fù)用、過(guò)濾、分析、解碼、調(diào)制等環(huán)節(jié)，并具有RDS 應(yīng)急廣播轉(zhuǎn)發(fā)功能。調(diào)制模塊可將不同格式的信源進(jìn)行選擇分析與解碼，將解出的三個(gè)音頻信號(hào)調(diào)制到特定頻率上，形成三套調(diào)頻射頻信號(hào)。信源調(diào)制模塊原理框圖如圖2 所示。

圖2 調(diào)制模塊原理框圖

信源調(diào)制模塊使用塞靈思Xilinx Zynq-7000 系列的SOC 芯片XC7Z010，該芯片除了FPGA 單元還有ARM Cortex-A9 組成的處理核心部分。模塊的對(duì)外通信與節(jié)目流的管理和功能邏輯均由ARM 單元負(fù)責(zé)運(yùn)算控制。通過(guò)ARM 核心可以對(duì)選定調(diào)頻通道的音源節(jié)目進(jìn)行邏輯控制，進(jìn)而可以對(duì)某一調(diào)頻通道的音源以流編號(hào)加節(jié)目號(hào)為標(biāo)志進(jìn)行碼流之間的節(jié)目備份，在當(dāng)前播出流出現(xiàn)異常時(shí)，該調(diào)頻通道自動(dòng)切換到另一個(gè)流的同一個(gè)節(jié)目號(hào)進(jìn)行解碼，達(dá)到自適應(yīng)切換信源的目的。當(dāng)碼流中擁有應(yīng)急廣播信息時(shí)，F(xiàn)PGA 過(guò)濾出約定的PID內(nèi)的數(shù)據(jù)交給ARM 主控單元，主控單元會(huì)將應(yīng)急指令進(jìn)行分析，根據(jù)指令進(jìn)行切換指定通道節(jié)目源，或?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行RDS 編碼調(diào)制等應(yīng)急業(yè)務(wù)操作。

（二）信源處理流程

三種不同輸入方式進(jìn)入模塊后，都統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的TS 流。DTMB 射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)諧解調(diào)還原為并行TS流送入FPGA 單元，IP 封裝的TS 數(shù)據(jù)以UDP 組播方式通過(guò)千兆網(wǎng)絡(luò)芯片進(jìn)入FPGA 處理單元，經(jīng)過(guò)解包處理還原為T(mén)S 流，通過(guò)ASI 輸入的串行TS 流經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換后進(jìn)入FPGA 單元。FPGA 通過(guò)對(duì)三種方式輸入的所有TS 包進(jìn)行處理分析，搜索出流內(nèi)所有的節(jié)目信息，將每一個(gè)包的 PID 號(hào)、PAT 表、PMT 表等信息進(jìn)行存儲(chǔ)，過(guò)濾掉所有非音頻業(yè)務(wù)的TS 包，形成完整的節(jié)目表傳送給ARM 單元處理。使用者通過(guò)網(wǎng)管對(duì)調(diào)頻播出路節(jié)目進(jìn)行配置，F(xiàn)PGA 單元通過(guò)比較判別算法提取用戶(hù)想要輸出節(jié)目的TS 包送至指定的端口輸出，未被選擇的TS 包將被拋棄。指定節(jié)目的TS 流經(jīng)過(guò)音頻解碼芯片VS1053b 進(jìn)行音頻解碼還原成原始的立體聲音頻信號(hào)，隨后音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)頻調(diào)制芯片QN8026 調(diào)制成立體聲調(diào)頻廣播信號(hào)送功放模塊。一共可以同時(shí)完成三組節(jié)目的解碼與調(diào)制。每一路調(diào)頻通道的音源節(jié)目可以以流編號(hào)加節(jié)目號(hào)為標(biāo)志與另一路碼流的節(jié)目做備份，在當(dāng)前播出流出現(xiàn)異常時(shí)，該調(diào)頻通道自動(dòng)切換到另一個(gè)流的同一個(gè)節(jié)目號(hào)進(jìn)行解碼，達(dá)到自適應(yīng)切換信源的目的。

（三）應(yīng)急廣播的實(shí)現(xiàn)

該設(shè)備在應(yīng)急廣播時(shí)段可將當(dāng)前播出的普通節(jié)目切換為應(yīng)急廣播節(jié)目，并喚醒公共應(yīng)急廣播接收終端進(jìn)行聲光廣播。

包含應(yīng)急控制指令以TS 包形式封裝并復(fù)用在廣播電視節(jié)目的TS 流中在信源傳輸網(wǎng)中傳輸，通過(guò)三種輸入方式進(jìn)入調(diào)制器模塊的FPGA 單元，當(dāng)FPGA 擇優(yōu)對(duì)其中一路流的TS 包進(jìn)行解析時(shí)，可根據(jù)TS 包的PID號(hào)識(shí)別出應(yīng)急控制指令TS 包并提取包內(nèi)數(shù)據(jù)傳送給ARM 主控單元進(jìn)行分析和解釋?zhuān)骺赝ㄟ^(guò)對(duì)應(yīng)急控制指令的解讀，可獲得應(yīng)急廣播播出時(shí)間，應(yīng)急節(jié)目的節(jié)目號(hào)，以及應(yīng)急廣播播發(fā)的區(qū)域等信息。主控單元根據(jù)應(yīng)急節(jié)目號(hào)通知FPGA 對(duì)指定節(jié)目進(jìn)行過(guò)濾解復(fù)用后發(fā)送到指定通道的解碼器，同時(shí)將尋址信息和其它指令信息轉(zhuǎn)成RDS 的幀格式通過(guò)I2C 總線(xiàn)發(fā)給指定通道的QN8026 調(diào)頻調(diào)制芯片進(jìn)行RDS 廣播。

應(yīng)急廣播公共終端在收到RDS 信息后會(huì)進(jìn)行尋址信息的計(jì)算與比對(duì)，如符合將會(huì)喚醒揚(yáng)聲器將當(dāng)前正在廣播的節(jié)目進(jìn)行聲音廣播，完成應(yīng)急廣播的播發(fā)。

四、RF功放模塊

（一）RF功放模塊原理框圖

RF 功放模塊部采用一體化封閉設(shè)計(jì)，控制與放大電路集成在一個(gè)矩形模塊內(nèi)，安裝在整機(jī)的大型散熱底版，滿(mǎn)足散熱效果的同時(shí)杜絕了粉塵和水汽。放大部分主要由2 級(jí)前置放大器、1 級(jí)衰減器、2 級(jí)功放組成。前置放大器用2 個(gè)增益為 19.3dB 的M3H21N 集成放大器。功放管為BLF571 功放管。功率檢測(cè)采用真有效值RF 功率檢測(cè)集成電路，輸入功率檢測(cè)使用AD8362，輸出和反射功率檢測(cè)采用AD8361。功放模塊額定發(fā)射功率30W，最高支持50W 的發(fā)射功率。RF 功放及控制模塊原理框圖如圖3 所示。

圖3 RF功放模塊原理框圖

（二）RF功放控制模塊

以STM32微控制器（ARM Cortex-M3 系列）為核心的智能控制模塊負(fù)責(zé)整機(jī)的控制，將ARM 控制器集成在功放模塊中，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備各參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括控制開(kāi)關(guān)機(jī)、穩(wěn)定輸出功率、調(diào)節(jié)電源電壓、檢測(cè)輸入電壓、推動(dòng)級(jí)和功放級(jí)電流、輸入功率、輸出/反射功率、功放級(jí)工作溫度、環(huán)境溫度等各種數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)發(fā)射機(jī)輸出功率及發(fā)射保護(hù)控制，此外還有自動(dòng)穩(wěn)定輸出功率，過(guò)電流、輸出和反射硬件保護(hù)具有鎖存功能，設(shè)備不受斷電的影響保存設(shè)置參數(shù)，在斷電恢復(fù)后，可調(diào)用斷電前的配置參數(shù)，自動(dòng)恢復(fù)工作。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信接口可將工作狀態(tài)和參數(shù)回傳給監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行管理；監(jiān)控客戶(hù)端程序?qū)@示接收的各種參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制。

五、軟件系統(tǒng)

（一）輸入流選擇和播出節(jié)目設(shè)置功能

可配置三種信源輸入方式（DTMBASIIP）內(nèi)的所有節(jié)目的播出和切換原則，可對(duì)每一路調(diào)頻輸出路進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，包括播出的節(jié)目選擇、音量設(shè)置、調(diào)頻發(fā)射的頻率、調(diào)頻加重等，如圖4所示。

圖4 參數(shù)配置界面

（二）實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警功能

監(jiān)控內(nèi)容包括：設(shè)備工作狀態(tài)、參數(shù)配置和接口工作狀態(tài)等。報(bào)警內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)異常、功率異常、故障等，發(fā)生異常情況時(shí)，給出報(bào)警指示。監(jiān)控和報(bào)警可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和查詢(xún)。軟件監(jiān)控界面如圖5所示。

圖5 軟件監(jiān)控界面

該設(shè)備在輸入激勵(lì)和功放的輸出節(jié)點(diǎn)都配置了功率檢測(cè)電路。功率檢測(cè)選擇真有效值檢波器件AD8361，功率計(jì)算時(shí)采用線(xiàn)性補(bǔ)償校正算法進(jìn)行檢波電壓到實(shí)際功率的轉(zhuǎn)換，使得功率校準(zhǔn)工作快捷、準(zhǔn)確。

（三）實(shí)時(shí)功率控制

在發(fā)射機(jī)正常工作狀態(tài)下，實(shí)時(shí)的對(duì)發(fā)射功率進(jìn)行控制，使其穩(wěn)定在設(shè)定值周?chē)稍试S的偏差范圍內(nèi)。

（四）管理配置

通過(guò)網(wǎng)管客戶(hù)端，可遠(yuǎn)程或本地監(jiān)控信源調(diào)制單元與發(fā)射單元的各項(xiàng)節(jié)目配置和工作參數(shù)。

（五）安全防護(hù)機(jī)制

提供自動(dòng)保護(hù)功能。當(dāng)發(fā)射機(jī)的某些部件發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)（如輸出過(guò)載、功放過(guò)熱等），或由于外部原因造成調(diào)制器損傷時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)降低發(fā)射功率或切斷發(fā)射單元的射頻輸出或關(guān)機(jī)。

（六）遠(yuǎn)程升級(jí)

采用OTA 技術(shù)，提供了邏輯控制程序的遠(yuǎn)程在線(xiàn)升級(jí)功能。

（七）設(shè)置向?qū)?/h3>

通過(guò)向?qū)У男问揭龑?dǎo)用戶(hù)對(duì)發(fā)射機(jī)各模塊按需進(jìn)行初始配置，大大降低了調(diào)試軟件的操作難度。

六、結(jié)語(yǔ)

自適應(yīng)多信源三路調(diào)頻發(fā)射機(jī)采用ARM 和FPGA為核心架構(gòu)，支持多種信源輸入，可適應(yīng)數(shù)字傳輸網(wǎng)對(duì)信源設(shè)備改造的要求?？赏瑫r(shí)進(jìn)行三路音頻調(diào)制，具有三組獨(dú)立的應(yīng)急廣播控制和處理能力。功能集成度高、監(jiān)控參數(shù)詳細(xì)全面、模塊化設(shè)計(jì)、適應(yīng)寬電壓、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，適用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村調(diào)頻覆蓋及鄉(xiāng)村應(yīng)急廣播的建設(shè)。