基于FPGA 技术的中波广播发射台自动化播控系统设计与实现

侯有强

（东营市融媒体中心，山东 东营 257091）

0 引言

随着中波广播发射台向“有人值守、无人值班”的运行模式发展，自动化系统的嵌入使用无疑是最佳选择，尤其在播出控制系统领域完成数字化、自动化升级后，能够有效提升系统工作效率和安全播出能力。目前，中波广播发射台普遍采用集中控制管理模式，当播控系统突发故障时，由于单机不具备自动化控制能力，会直接导致多个工作频率设备停播，进而造成一系列安全播出事故[1]。因此，采用分布式设计思路，将集中控制管理模式转变为集中管理、分布控制模式，利用现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）技术重点解决单机自动化实现的问题，能够提高中波广播发射台的自动化水平，降低重大停播事故发生的概率。

1 中波广播发射台自动化播控系统的组织架构

中波广播发射台播控系统是一种基于多设备、多平台综合运行的播出控制系统，在正常工作中会因设备间的互扰、平台间的串扰导致信号传输的延迟、停滞或者信号本身受到影响，导致广播电视安全播出异常。本文利用FPGA 技术完成对中波广播发射台自动化播控系统的设计。系统的组织架构如图1 所示，重点突出自动控制管理与应急处置，确保中波广播发射台整体稳定运行[2]。

图1 中波广播发射台自动化播控系统的组织架构

从图1 可以看出，FGPA 对中波广播发射台的下位机侧（中后端）完成基带信号处理与控制信号的管理，通过预置在存储器中的控制信号自动完成对发射机、音频信号以及电源等的自动控制与处理，监测发射台各型电子设备的工作状态和外部环境的实际状态，利用切换机适时干预和控制，同时将指令和预期结果回传至中波广播发射台的上位机侧（前端），通过交换机下达播控指令，最终实现对中波广播发射台播控系统的自动化调节、控制与管理。

2 中波广播发射台自动化播控系统的设计

2.1 单机自动化系统

单机自动化系统的设计主要基于云平台“监、管、维”一体的控制管理系统，从数据采集、通信网络、系统架构和综合数据服务等方面进行设计开发[3]，如图2 所示，帮助中波广播发射台整体上了解单机的运行情况，关注数据传输和内容播出的稳定性，及时预警异常情况。

图2 单机自动化系统设计

2.1.1 单机监控系统

监控系统主要由中央处理器、云端存储器及集成控制器等组成。它采用RISC 微处理器（Advanced RISC Machine，ARM）架构，以FPGA 技术为基础，融入数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）算法。中央处理器实现对集成控制器进行监视、测量、记录、报警等功能，与保护设备、远程控制中心及其他设备通信，实时掌握发射机、音频信号处理器、电源、存储器以及切换机的运行状况和可能存在的隐患，快速排除故障。各间隔层单元保留应急手动操作跳、合闸手段，各本地配属的单元相互独立、互不影响，功能上不依赖嵌入式系统，因此监控系统的可靠性和可用性强。

2.1.2 中央管理系统

中央管理系统包含数据采集、多维度分析、报表参数查询等功能。可以将中央管理系统视为上位机侧，将单机监控系统视为下位机侧。系统与系统之间通过以太网连接，按照Socket 协议使用套接字进行数据传输。通过分析数据变化的趋势，为系统运行管理提供依据。设备管理主要包含自动调控、异常监控、智能检测等功能。通过监测设备的运行状态，及时上报告警信息，通过对设备的自动控制，在保障中波节目安全播出的同时，降低设备负荷，减少安全故障发生的概率。

2.1.3 运维云平台

运维云平台接入加装在嵌入式系统的在线监控装置、环境监测传感器及单机的摄像头，用于实时监测各单机工作环境温湿度、电缆接头及线缆温度、开闭状态等。本地监控系统监测的各类数据转发会集成在云平台上，从而达到远程实时监控各个单机的运行情况，在发生单机工作状态参量超过设置值预警或环境异常变化时及时检测到，并通过手机App 或者短信报警给技术人员和管理人员，确保第一时间予以响应和处理。

2.2 发射台自动化播控系统

以单机自动化系统为基点，发射台自动化播控系统还需要增加逻辑控制模块、自主响应模块等，同时提供多个标准化外部接口，实现对中波广播发射台播控系统的自动化管控维。

2.2.1 逻辑控制模块

逻辑控制模块主要包括开/关逻辑控制、功率逻辑控制等部分，通过紧凑型EtherCAT 控制器和插片式输入/输出（Input/Output，I/O）接口设计[4]，即Core i 级微处理器、最小的可编程自动化控制器（Programmable Automation Controller，PAC）、模 块化I/O 和高速串行计算机扩展总线标准（Peripheral Component Interconnect Express，PCI-E）。逻辑控制模块将网关、运动控制、I/O 数据采集、现场总线、机器视觉和设备联网集成到一个逻辑控制平台中，既易于集成又易于扩展，且具备高性能处理能力、开放的平台和极为可靠的扩展能力，为发射台播控系统的自动化实现提供了更好的逻辑控制能力。

2.2.2 自主响应模块

自动化播控系统必须具备自主响应能力，能够自动完成应急处置。当单机工作出现异常时，系统需要自动判断故障类型，并选择适合的应急处置策略。第一，自动巡检所有电源、发射机、切换机等设备，如电源出现问题，包括整个发射台供电故障，如电源功率低，保险烧毁、电源插头接触不良等，需要及时发现并上报；第二，定时巡检传感器位置是否出现偏移，同时检查传感器的传感位置和灵敏度，若出现偏差及时调节，如果传感器坏掉需立刻更换；第三，不定时检查控制器、切换机，随着设备的振动而出现控制器等设备松动现象，根据回传数据分析判断后及时处置。

以上监测发现的异常现象，需要自主响应模块及时干预，并输出倒备机控制信号，确保播控系统的正常运行。随后通过主机的自动连接发出报警信息，显示异常情况，并辅助中央管理系统、单机监控系统按照预置方案完成故障处置[5]。

2.2.3 标准化接口

标准化接口能够为远程控制和数据处理提供标准和依据，也可为中波广播发射台的外部控制提供可视化界面，有利于进行整体的性能监测。

2.3 基于FPGA 的软件环境

根据自动化播控系统的组织架构和系统设计，在ARM 基础上，利用FPGA+DSP 技术将控制信号集成化，实现中波广播发射台的自动化播控能力。FPGA 逻辑资源可用于实现播控系统自动化的控制电路功能，如图3 所示。其中，FPGA 可实现数据流的高速比例积分微分（Proportional Integral Derivative，PID）控制、播控系统的PID 控制，并完成与上位机侧的管理系统的通信功能[6]。

图3 基于FPGA 技术的自动化播控系统实现

通过FPGA 的灵活性设计平台，搭建ZYNQ信号采样模块，并与单机状态采集、发射台系统状态采集等传感器互联；增加多进制数字相位调制（Multiple Phase Shift Keying，MPSK）调控、数据转换功能，提高控制信号的响应速度，实现逻辑控制模块与自主响应模块工作的时效性；上位机侧编写GNURadio 软件平台，及时处理基带数据，并传输至下位机侧，由下位机利用控制器进行分析，发布指令。利用FPGA 控制，系统更加容易扩展，提升了可靠性。

3 中波台自动化播控系统的实现

3.1 线路规划

由于中波台机房内电子电气设备数量多、型号杂，自动化的实现需要各类设备能够完成信号通联，且在一定信号干扰下能够保持通联的有效性。因此，需要在前期对各类电子电气设备进行科学规划和系统配置，尽可能降低互扰和串扰，即基于现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）进行布线，实现播控系统自动化。设备的通联线路分别设置在机房的两端，并对网络、控制、同步、安全等系统进行实时监测，降低自动化播控系统实现的复杂度。

3.2 设备配置

原始信号源是中波广播电视台的核心要素。一旦出现信源无法实时监测，需要自主响应搜索备用信源，自动进行信源切换。本文选择ZHC348-4020SZ/RCA 音频切换器，通过支持4 路非平衡模拟音频输入（RCA 接口，支持垫乐），经自动切换后2 路非平衡模拟音频分配输出（RCA 接口，内容相同），能够同时实现手动和自动切换模式，即在手动状态下可以方便地通过按钮选择所需音频通道，在自动模式下通过智能判断通道音频状态进行切换。此外，自主式的信号处理需要完成中波信号间的自动控制，保持输出信号波形基本保持不变，避免产生严重波动或失真[7]。本文选择TesiraFORT AVB AI 数字网络信号处理器，借助8 路可配置通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）通道，并将TesiraFORT 直接与USB 主机连接，用作独立设备或与TesiraDSPs、扩展器和控制器结合使用。完成信号路由、均衡、滤波、动态、延迟以及不同线路之间脉冲信号的控制、监控和诊断，进一步利用控制系统实现播控系统自动化。

4 结语

现阶段，中波广播发射台正由数字化向网络化、自动化方向发展，自动化播控系统的设计与实现将使得中波台的整体运行达到更高水平。本文通过对中波广播发射台自动化播控系统的研究，从组织架构、设计思路到实现方法等层面构建了一套“逻辑控制、自主响应”于一体的自动化播控系统，更好地满足融媒体发展业态下的中波业务支撑的现实需要。