中波发射机自动播控系统抗干扰的方法

冯永安（作者单位：山西省吕梁中波台；太原理工大学信息工程学院）

中波发射机自动播控系统抗干扰的方法

冯永安
（作者单位：山西省吕梁中波台；太原理工大学信息工程学院）

摘 要：在中波广播发射机房，计算机自动播控系统的应用为机务人员的日常值班和维检工作带来了极大方便。然而，由于所有机器设备，甚至各种接口、连接线缆都处在较强的中波辐射环境中，倘若处理不当，播控设备就很易受到干扰，进而影响系统的正常工作。针对上述情况，结合通信理论和工作经验，提出中波发射机自动播控系统抗干扰的解决方法。

关键词：差模传输；码距；重复码；纠检错；屏蔽接地

自动播控系统在中波广播发射机房的普及，为传统机务工作带来了重大变革。借助该系统，我们可实现自动定时开关发射机、自动巡检设备指标、进行故障监测、告警和记录，执行简单的自动应急处置等。此外，机务人员也可通过播控软件的GUI（用户图形界面）实时掌握设备状态、工作参数，实现集中控制，大大提高了工作效率，减轻了工作负担。

图1即中波发射机自动播控系统的示意图，该系统包括上位机子系统、下位机子系统和通信适配器三部分。其中，上位机子系统由播控软件、控制计算机、通信接口扩展卡等组成。在播控软件的控制下，控制计算机可通过通信接口扩展卡及通信适配器与下位机实现全双工通信，进而完成数据的采集、处理、记录和对发射机组的集中控制等一系列工作。下位机子系统则通过内部的MCU（微控制器）和FPGA（可编程逻辑阵列）等，实现模拟量及开关量的取样、数据通信、执行上位指令、对发射机直接控制等功能。

由于发射机自动播控系统采用分体式构架，且处在中波天线的场强近区，工作环境中的射频干扰不仅功率大，频谱分布也基本集中在设备的工作频段，故很容易受到严重的电磁干扰。如果处理不当，就会出现数据采集误差增大、控制失效、数据紊乱、程序失常等现象，甚至影响到设备正常工作和节目播出安全，反倒弄巧成拙。因此，选择合理的系统设计和科学的通信方式就尤为重要。

图1　发射机自动播控系统示意图

1　合理选择通信协议

集中控制计算机和下位机的通信接口均为RS-232，该协议定义了一条发送线（TXD）、一条接收线（RXD）及一条地线（GND）的简单异步传输方式。通常，我们将集中控制计算机和通信适配器安装在值班室，下位机则安装在机房的发射机上，连接适配器和下位机的通信线缆长度为10 m左右，为主要物理信道，极易发生沿线噪声累积。如果直接采用RS-232协议进行通信，在信宿端，接收到的信号由原始信号和加性噪声两部分组成，即。显然，一旦噪声电平足够大，有用信号就会被噪声湮没，产生误码。

为了提高通信质量，在主要物理信道中，我们选择将信号由RS-232协议转换为RS-422进行传输。RS-422协议全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它采用四线制（两收Ra、Rb，两发Ta、Tb）平衡差分双线传输，具有很强的抗干扰能力。使用RS-422协议进行通信时，信宿端会对收到的两个差模信号和做减法，从而得到最终信号，在无扰信道中，。当噪声出现时，信宿端收到的与分别为原差分

可见，理论上，差模双线的传输方式可使干扰信号被抵消，从而提高系统的抗干扰能力。

如图2所示。通信适配器RC-4的作用是完成上位机端RS-232与RS-422协议的转换，同时实现串口电平匹配；其物理接口为DB9（RS-232）和RJ45 （RS-422）。适配器RC-3则用来完成下位机端RS-422与RS-232的协议转换，其物理接口与RC-4相同。RC-3与RC-4通过8芯网线（内含4组双绞线）实现物理连接。

图3是两种物理接口的示意图和引脚定义。

图2　发射机自动播控系统框图

图3　RS- 232与RS- 422物理引脚定义

2 加强信道编码

在信息传输过程中，噪声累积、产生误码的情况在所难免，如何使信息在传输中差错降低，甚至实现无错传输，重点需要在信道编码方面做文章。

2.1 增加码距

表1　某DAM下位机通信指令集

表1是国内某公司生产的DAM下位机控制器通信指令集，分析表中数据，我们不难发现，控制指令由“机器ID+控制字”构成，采用连续数字进行编码，均为四位16进制数（即16位二进制数）。这样的编码方式本身不具备纠检错能力，其弊端是：少量位数的误码产生时，就会使得原指令畸变为另外一条指令，导致控制器误判从而进行错误控制，影响系统正常工作。例如，当我们通过上位机向ID为97的控制器发出开关量查询指令时，原指令内容为十六进制数“6165”，相应的二进制代码为“0110 0001 0110 0101”；倘若传输过程中由于噪声干扰，二进制码流的右起第四位出现误码，控制器收到的信号就变成了“0110 0001 0110 1101”，即十六进制数“616d”，此时，下位机就会控制发射机进行关机操作，很容易就造成了播出事故。

在通信理论中，将一个码组中两个码字对应位上码元取值不同的个数定义为码距（或汉明距）。码长为n的码组中，码字a与b的码距为：

一个码组中，码字的码距越小，信号传输过程中产生误码字的概率就会越大。因此采用增加码距的编码方式可

以减少误码字产生。而事实上，上面指令集中控制字部分的长度为一字节，有28=256个码字可供编码选择。表2就是在码长不变的情况下，对原指令集的控制字部分以增加码距为原则重新编码后得到的。我们看到，新的指令集中控制字最小码距dmin=4。这就意味着，在信号传输过程中，只有4位以上的码元同时出错，才可能出现控制器误判现象，而这种事情发生的概率是微乎其微的。同时，我们在收信端可以通过极大似然译码法对收到的码字进行纠检错（纠“1”检“2”）和译码处理。可见，使用增加码距的方式进行编码，可大大降低误码字发生的概率。

表2　控制字部分的新编码表

2.2重复码

在下位机控制器的指令集中，ID字段是用来表征指令接收对象的。因此，为了降低码字的出错率，实现实时、准确的控制，同样需要该部分的码字本身具备差错控制能力，这里用到了重复码。

重复码是最简单的信道编码方式。将信息码元重复若干（奇数）次发送，就可获得很强的纠检错能力。信道质量较差时，采用重复码对抗噪声干扰是非常有效的。在收信端，我们可以通过多数表决译码法恢复原始码。三次重复码的情况下，原始码S的第i位si可通过由三个相应位的码元（ai、bi、ci）经逻辑电路或程序轻松恢复，其逻辑运算式如下：

si=aibi+bici+aici

例如，我们可以将指令集的机器ID部分增加两个字节，用来重复发送ID号。倘若信号传输过程中，由于噪声干扰某一位由“0”畸变为“1”，那么在译码端相应位会有两个“0”和一个“1”，多数表决译码后，可恢复原来的正确码元“0”。

如此一来，重新编码后的控制器指令集内，每条完整指令的码长为4字节，是原码长的两倍。但是合理的信道编码，使系统具备较强的前向纠错功能，实现差错可控，其抗干扰能力将得到显著的提升。

3　屏蔽接地

实践证明，良好的屏蔽接地可以在很大程度上抑制射频噪声耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。

发射机自动播控系统属高速低电平控制系统，其信号交换频率低于1 MHz。为避免射频噪声沿线累积影响通信质量，上下位机子系统需通过带有金属屏蔽层的超五类网线来实现物理连接，且在下位机控制器端单侧屏蔽接地，确保屏蔽层无电势环流通过。又因中波广播使用垂直极化方式发射，故信号线要尽量水平铺设以减少电磁感应。

高频电流在金属表面传导具有集肤效应，因此增加接地线的表面积可以减小其自身的高频阻抗，从而为射频噪声提供泄放通路。如图4所示，我们可铺设厚为0.3~0.5 mm、宽为60~100 mm的长铜带作为接地母线，各设备外壳的中心接地点就近与母线连接，以降低其高频阻抗。接地母线最后与埋设在距机房10~15 m远处的接地极直接连接，并且保证该处的接地电阻小于4 Ω。

通过上述做法，整个系统可获得较好地电磁兼容性（EMC），各个子系统运行稳定，协同正常，互不干扰。

图4　系统接地示意图

参考文献：

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