调频广播发射机的自动监测与控制研究

阿布都热孜克·热孜克

【摘要】调频广播技术是促进广播事业发展的关键，稳定的播出需要广播电视播出单位高度重视发射机以及播出系统的监测与控制，通过监测系统可以分析和处理发射机电流、电压、入射功率、反射功率，信号源等相关信息，实现全部节目信号播出状态得到监控。基于此，本文从调频广播发射机与自动监测系统相关概念入手，讨论调频广播发射机播出系统的优势，阐述如何提升调频广播发射机的自动监测与控制效果，之后提出调频广播发射系统软件开发与测试，最后就发射台站N+1控制系统的技术方案加以论述，希望对相关研究带来帮助。

【关键词】调频广播发射机;自动监测与控制;N+1控制系统

中图分类号：TN929                    文献标识码：A                    DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.08.04

调频广播借助发射机调节频率的方式进行声音信号的传播，是一种常见的声波传输技术，其具有信号抗干扰能力强、传输性稳定，容易覆盖等特点，可以为广播行业整体发展打下坚实基础。网络时代下可以为不同用户群体带来帮助，与此同时广电单位也需要丰富调频广播内容，增强发射信号稳定性，进而确保音频传播效果，最终推动我国广电事业良好发展。

1. 调频广播发射机与自动监测系统

1.1 调频广播发射机概述

调频广播发射机主要由射频功率放大器、激励器、自动控制系统、电源系统、制冷系统组成，是一种把信号转化成语言的特殊设备，也就是把音频信号以及高频载波转化为调频波，可以放大全部音频信号，实现全方位阻抗配对，最终达到音频信号向天线传输的效果。我国广电系统调频广播信号频率集中在88-108MHz之间，全部的调频广播电台都由信号传输设备、调频广播发射机、信号源或音频播放设备、天馈线系统组成，为了扩大覆盖范围需要应用调频功率更大的发射机。调频发射机是把需要传输的音频或者视频信号调制成输出信号，其中高频载波信号频率会随着音频或者视频信号的调制发生改变。发射机将调制好的信号放大，然后阻抗匹配相关设备，之后由天线发射。整体来讲，调频广播发射机就是无线电发射机，可以调制信号，是调频广播电台播出节目的保障。

1.2 自动监测系统

调频广播发射自动化系统可在不同层次上满足自动化控制需求，首先在系统层面需要操作人员通过用户终端操作的计算机系统进行系统初始化配置，相较于以往非自动化操作系统需要值班员或操作人员到现场调制发射机以及输出功率，总体效率得到了显著提升。与此同时，自动化系统通过自动化采集系统实现能够采集温度、电压、功率等参数，然后在计算机中呈现，工作人员可以远程监控系统，由此降低系统运行风险。当前的广播发射系统较多应用N+1系统设计方案，也就是单个发射机出现故障后系统能够自动切换备用发射机。此外，自动化监测和控制可以在分系统层面中实现，比如制冷系统当中的温控关键位置设置了监测点，通过控制系统可以对温度测点数值分析，然后和设定的温度值对比，分析制冷器功率，由此达到温度控制目标。再如功率放大器能够对自身输出功率进行监测和调节，避免阻抗不匹配的问题导致的发射机以及相关设备烧毁。

2. 调频广播发射机播出系统的优势

整体来看，利用调频广播发射机播出系统的检测与控制系统，系统的优势体现在如下方面：其一是增强发射信号抗干扰能力。调频广播发射及播出系统播出节目信号过程中会受多种因素影响而出现信号波动，通过实时监控调频广播发射机可以做出预警并清除信号干扰情况，再如播出系统传输信号期间还会由于电磁波影响发出噪音，借助自动监测系统同样可以解决这一问题;其二，增强发射性和稳定性。自动监测和控制調频广播发射机播出系统可增强电台信号发射稳定性，由于调频广播发射机发出节目信号覆盖范围广，在自动监测控制系统帮助下收听终端可以接收更加稳定的信号，并且同一区域内不会出现信号互相争抢情况。

3. 如何提升调频广播发射机的自动监测与控制效果

通过应用自动监测和控制调频广播发射机播出系统可以达到提升电台信号质量的目标，整体来讲调频广播发射机播出监测与控制系统核心为计算机控制系统，并配备其它元器件，比如多路广播信号监测分析与等等，由此达到自动化监测和控制系统的目标，有效降低技术人员工作强度，为此需要做好以下工作。

3.1 掌握调频广播发射机播出系统工作原理

计算机是该系统的核心，主要作用在于分析和处理广播发射机各个环节的电流、电压、音频功率、运行参数，发射功率与反射功率等信息的采集，传输和数据分析，需要对电台节目音频信号和发射机运行情况实时监控，使其自动开关机以及自动切换到备机。在计算机终端发出控制指令后执行控制系统开始控制信号输出和控制调频广播发射机开关，并且数据采集设备开始收集电流、电压、功率等信息，然后通过转换器把模拟信号转化成数字信号，帮助计算机识别和分析，之后通过计算机自动识别和信号分析判定发射机运行状态，由此进行故障数据记录和故障报警，而执行控制系统可以满足发射机开机和关机，倒换备机等操作。

3.2 掌握系统硬件设备和功能

其一是工控计算机系统。该系统主要包括打印机、手机设备、警报装置以及计算机接口，工控计算机系统是调频广播发射机播出系统的核心，可以实时监测发射机状态。在数据处理后能够判定故障表现，然后发出警报，并且在无人值守情况下实现自动开关机;其二，数据采集电路。根据调频广播发射机类型和状态量差异进行采样电路的设计，通过分压检波耦合等方法提取调频广播发射机电流、电压等状态量，然后转化成0-10V模拟量，再经过电缆转换电路，满足计算机系统分析的需要，比如功率采集可以通过调频广播发射机功率表得到电压数值，之后电阻分压电路获取信号;其三，64路A/D转换电路。这一电路可以实现信号转换，也就是把采集的电路模拟量转化成数字信号，之后在数据库中加以比对，进而判断调频广播发射机运行状态;其四，执行控制系统。这一系统组成部分主要是32位开关机设备，作用在于借助计算机控制和操作调频广播发射机切换主备机、定时开关机和遥控转换。调频广播发射机以380交流电为运行电源，因此这一系统需要应用继电器装置，由此实现计算机和发射机交流电、直流电的隔离，最终达到控制目标。3E893C9A-8CEF-4A88-91D6-02373353C0DC

3.3 明确系统设计要点

通过分析调频广播发射机播出系统的实际需求可以发现，在实际设计过程中需要确保自动监控和控制系统满足如下功能，也就是由计算机控制系统自动开关机，并且由计算机实时监测发射机运行状态，具体如下：其一，要想达到计算机自动开关机需要在系统设置过程中配置硬件，在调频广播发生机开关机按钮自动闭合后主继电器开始通电，并且发射机低压电源启动，使得发射机处于开机状态，该情况下为了实现计算机控制需要通过小型继电器控制主机电器线圈，常开触点闭合之后主继电器线圈利用电磁效应打开发射机，而常闭触点断开之后处于关机状态，在设计程序的过程中还要求明确发射机开机时间以及关机操作时间;其二，计算机实时监测发射机运行状态。关键在于获取调频广播发射机的状态参数，之后由计算机判断分析，一旦发现数据异常能够马上发出警报。为达到这一目标需要配备相关硬件，比如数据采集电路可以实时获取电流、电压等状态参数，然后转换成模拟量，再转化为数字信号，通常来说调频广播发射模拟信号取样在输入输出接口板的分压电阻点进行;其三，也要保留一路手动控制系统，当计算机远程控制与监测系统出现故障，网路不通讯，前端设备断电等极端情况出现时，需要甩开计算机远程控制与监测系统，要有应急恢复播出的能力，因此也要保留手动开关机的功能。

3.4 调频广播发射机智能监测控制系统优化措施

其一，增强调解器精度。从智能监测控制系统调节器角度讲，主要是利用锁相环频率合成技术以及锁相环鉴频技术对精度解调，一方面解调器可以通过PC机软件生成的数据信息发送指令，另一方面调节器和高速处理协调系统控制发射机，所以要结合图示解调器系统框架提升解调器的采集精度，比如可以进行C80开发软件和数据编辑功能升级;其二，增强音频信号源精度。从监测控制系统的音频信号角度讲，关键是保证数字波形技术得到发挥，保证电台传输过来的声音信号源或者卫星接收器接受下来的音频信号源能够在DSP直接控制声音频率以及振幅基础上确保音频信号监测精度，根据反复实验音频信号源指标，通常失真度为0.01%;其三，增强音频测试系统精度。从监测控制系统音频测试角度讲，主要是利用TMS320、C80和高位音频测试系统进行发射机音频监测，这一系统组成部分包括程序存储器和数据存储器，主要作用在于存储音频数据信息，还包括发射机和模拟开关，主要作用在于控制音频信号，所以可以在完整音频测试系统搭建前提之上提升信号源输出精度;其四，做好调频广播发射机监控系统测试。在信噪比测试中，根据相关规定调频发送设备信噪比测试作业主要使用带通滤波器，带宽相关参数为3dB、19-31.5Hz，能够确保噪声测量带宽达到标准，其中音频信号从编码器传输到测试板，在解码器影响下获取信号信噪比，并以此作为测试结果。在失真度测试中，根据谐波分析法需要监测发射机失真度，其中需要利用公式計算基波以及谐波电压值，之后在离散傅立叶变换下分析发射机失真度。

4. 调频广播发射系统软件开发与测试

4.1 广播发射系统软件控制接口

广播发射系统的控制接口主要包括电源控制接口、总线通信接口。在N+1广播发射系统当中需要对以上接口应用，各组件通过电缆线连接接口电源，控制接口用于适配系统组件所需的供电电源，将220V交流电转换成直流电压，确保各组件正常用电。射频信号控制接口用于各组件传递射频广播信号，由输入的各种格式微弱音频或视频信号解码调制，模拟数字信号满足电压监测信号、开关信号等指令搭建N+1调频广播发射系统硬件部分，之后实现接口物理连接，然后在总线通信接口通信协议下满足系统自动化控制需要。

4.1.1 通信协议说明

整个系统通信在下实现支持set和get命令，每个命令都能回复消息，其中get信息主要包括状态请求、测量值、制造商请求、总体状态请求。多数命令长度为3个字节，分别代表命令代码、设备代码以及请求状态，如果无法指定当前状态服务器会自动忽略第3个字节。

4.1.2 通信编码规则

在调频广播发射自动化系统当中所应用的配套主控制器无需了解编码规则，不过调频广播发射系统搭建期间为了满足今后的系统拓展以及多台设备兼容需求，必须自主搭建主控制器。通过RS422传递控制指令以及反馈信息，并且能够解析R&S TCE900系统通信内容。

4.2 系统软件需求分析和设计

4.2.1 软件开发环境搭建

在Net平台下利用微软中间件语言，把源代码编辑成为中间对象，独立于处理器结构和主机操作系统，之后对中间对象动态编译，或者通过Just in time编译器编译，可以把中间对象翻译成和处理器连接的机器代码。JAVA当中的中间代码和语言源相关，并且平台中间代码支持多种公共语言，整个net平台由编程模型、开发工具、服务器系统、客户端系统这4个要素组成。

4.2.2 需求和功能模块介绍

为了实现节目安全播出N+1调频广播发射系统，需要具备系统监测、状态监测、日志保存、数据查询、远程控制，主备机切换等功能。为此，系统软件开发和设计必须包括用户登录和管理模块、Web服务模块、数据处理中心模块、系统软件调用日志数据库、硬件控制接口模块以及N+1切换模块。

4.3 用户界面开发和测试

调频广播发射系统操作界面包括了一般计算机用户界面和远程控制界面，其中前者主要是进行系统自我检查和状态监测，实现广播发射系统的功能配置，后者可以借助远程控制客户端访问，该系统无需在现场就能对系统监测。具体说来：其一，在一般计算机用户界面中，系统开机自检可以实现用户启动界面后检查发射系统主要组件的状态，而系统实时自检每间隔20秒能够检查系统主要组件状态，不管采取哪种方式都需要发送指令，然后获取被检查组件状态量信息;其二，在功能配置中，部分组件的控制面板可以直接进行功能配置，不过需要工作人员现场操作，这就需要用户通过操作界面对任意组件功能配置;其三，在菜单栏中打开系统巡检功能，可以对系统主要模块参数监测。在射频发射系统当中不同监测模块的内容存在差异，其中电源模块主要对各节点电压监测，分析主要电源的运行温度，控制器主要监测内容包括输入电压以及工作状态，激励器主要作用在于对温度、电压、功率加以监测。3E893C9A-8CEF-4A88-91D6-02373353C0DC

5. 发射台站N+1控制系统的技术方案

传统N+1系统搭建需要获取发射机的通讯控制接口协议，而各发射台先后使用不同厂家设备，使得通信控制接口协议存在差异，并造成控制器信号适配工作量繁重，为此需要通过全新设计提升系统的适用性，由此判断整个发射机系统工作状态，不同设备主要功能如下：其一，耦合检波器。对各发射机输出功率电平取样，然后把电瓶信号发送到N+1管理控制器，由此分析发射机工作状态;其二，智能同轴开关。在大功率同轴开关控制下能够切换主机以及备机射频大功率信号并且受到智能同轴开关控制器操控;其三，智能电源开关。在调频广播发射机中三相智能电源开关是N+1系统的独有设备，可以对不同生产厂家发射机的供电情况加以控制，要求开关功率容量比各发射机额定功率的用电容量大，这个开关可以接收N+1管理控制器指令;其四，FM宽带备用发射机。广播发射系统备用发射机频率在管理控制器指令下更换为故障发射机频率，然后发射，主要作用在于代替故障发射机;其五，智能音频信号切换器。这是调频广播发射系统的主要设备，可以切换调频广播发射系统音频信号源，使得备用发射机激励器输入源信号和出现故障发射机的节目信号相同，避免节目出现错过情况;其六，N+1管理控制器。这是N+1调频广播发射系统设备当中的主要控制设备，能够收集节目播出发射机所输出的功率参数，进而掌握发射机工作状态，还可以把系统工作状态发送到远程控制终端;其七，大功率负载。其主要作用在于确保系统安全性，通常被机输出经过同轴开关和大功率負载相连接，主机发生故障之后系统关闭主机并且把故障发射机输出切换到大功率负载当中。

综上所述，如今我国的广播电视节目质量得到了提升，满足了人们的收视和收听需要，调频广播发射机播出系统能够确保节目正常播出，覆盖服务区的覆盖范围，需要做好管理和维护工作，新时期对调频广播发射机性能提出了更高要求，所以还要继续加强相关技术研究，全面提升信号传输质量，最终满足社会发展需要。

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