中波發射機自動播控系統抗干擾的方法

馮永安（作者單位：山西省呂梁中波臺；太原理工大學信息工程學院）

中波發射機自動播控系統抗干擾的方法

馮永安
（作者單位：山西省呂梁中波臺；太原理工大學信息工程學院）

摘 要：在中波廣播發射機房，計算機自動播控系統的應用為機務人員的日常值班和維檢工作帶來了極大方便。然而，由于所有機器設備，甚至各種接口、連接線纜都處在較強的中波輻射環境中，倘若處理不當，播控設備就很易受到干擾，進而影響系統的正常工作。針對上述情況，結合通信理論和工作經驗，提出中波發射機自動播控系統抗干擾的解決方法。

關鍵詞：差模傳輸；碼距；重復碼；糾檢錯；屏蔽接地

自動播控系統在中波廣播發射機房的普及，為傳統機務工作帶來了重大變革。借助該系統，我們可實現自動定時開關發射機、自動巡檢設備指標、進行故障監測、告警和記錄，執行簡單的自動應急處置等。此外，機務人員也可通過播控軟件的GUI（用戶圖形界面）實時掌握設備狀態、工作參數，實現集中控制，大大提高了工作效率，減輕了工作負擔。

圖1即中波發射機自動播控系統的示意圖，該系統包括上位機子系統、下位機子系統和通信適配器三部分。其中，上位機子系統由播控軟件、控制計算機、通信接口擴展卡等組成。在播控軟件的控制下，控制計算機可通過通信接口擴展卡及通信適配器與下位機實現全雙工通信，進而完成數據的采集、處理、記錄和對發射機組的集中控制等一系列工作。下位機子系統則通過內部的MCU（微控制器）和FPGA（可編程邏輯陣列）等，實現模擬量及開關量的取樣、數據通信、執行上位指令、對發射機直接控制等功能。

由于發射機自動播控系統采用分體式構架，且處在中波天線的場強近區，工作環境中的射頻干擾不僅功率大，頻譜分布也基本集中在設備的工作頻段，故很容易受到嚴重的電磁干擾。如果處理不當，就會出現數據采集誤差增大、控制失效、數據紊亂、程序失常等現象，甚至影響到設備正常工作和節目播出安全，反倒弄巧成拙。因此，選擇合理的系統設計和科學的通信方式就尤為重要。

圖1　發射機自動播控系統示意圖

1　合理選擇通信協議

集中控制計算機和下位機的通信接口均為RS-232，該協議定義了一條發送線（TXD）、一條接收線（RXD）及一條地線（GND）的簡單異步傳輸方式。通常，我們將集中控制計算機和通信適配器安裝在值班室，下位機則安裝在機房的發射機上，連接適配器和下位機的通信線纜長度為10 m左右，為主要物理信道，極易發生沿線噪聲累積。如果直接采用RS-232協議進行通信，在信宿端，接收到的信號由原始信號和加性噪聲兩部分組成，即。顯然，一旦噪聲電平足夠大，有用信號就會被噪聲湮沒，產生誤碼。

為了提高通信質量，在主要物理信道中，我們選擇將信號由RS-232協議轉換為RS-422進行傳輸。RS-422協議全稱是“平衡電壓數字接口電路的電氣特性”，它采用四線制（兩收Ra、Rb，兩發Ta、Tb）平衡差分雙線傳輸，具有很強的抗干擾能力。使用RS-422協議進行通信時，信宿端會對收到的兩個差模信號和做減法，從而得到最終信號，在無擾信道中，。當噪聲出現時，信宿端收到的與分別為原差分

可見，理論上，差模雙線的傳輸方式可使干擾信號被抵消，從而提高系統的抗干擾能力。

如圖2所示。通信適配器RC-4的作用是完成上位機端RS-232與RS-422協議的轉換，同時實現串口電平匹配；其物理接口為DB9（RS-232）和RJ45 （RS-422）。適配器RC-3則用來完成下位機端RS-422與RS-232的協議轉換，其物理接口與RC-4相同。RC-3與RC-4通過8芯網線（內含4組雙絞線）實現物理連接。

圖3是兩種物理接口的示意圖和引腳定義。

圖2　發射機自動播控系統框圖

圖3　RS- 232與RS- 422物理引腳定義

2 加強信道編碼

在信息傳輸過程中，噪聲累積、產生誤碼的情況在所難免，如何使信息在傳輸中差錯降低，甚至實現無錯傳輸，重點需要在信道編碼方面做文章。

2.1 增加碼距

表1　某DAM下位機通信指令集

表1是國內某公司生產的DAM下位機控制器通信指令集，分析表中數據，我們不難發現，控制指令由“機器ID+控制字”構成，采用連續數字進行編碼，均為四位16進制數（即16位二進制數）。這樣的編碼方式本身不具備糾檢錯能力，其弊端是：少量位數的誤碼產生時，就會使得原指令畸變為另外一條指令，導致控制器誤判從而進行錯誤控制，影響系統正常工作。例如，當我們通過上位機向ID為97的控制器發出開關量查詢指令時，原指令內容為十六進制數“6165”，相應的二進制代碼為“0110 0001 0110 0101”；倘若傳輸過程中由于噪聲干擾，二進制碼流的右起第四位出現誤碼，控制器收到的信號就變成了“0110 0001 0110 1101”，即十六進制數“616d”，此時，下位機就會控制發射機進行關機操作，很容易就造成了播出事故。

在通信理論中，將一個碼組中兩個碼字對應位上碼元取值不同的個數定義為碼距（或漢明距）。碼長為n的碼組中，碼字a與b的碼距為：

一個碼組中，碼字的碼距越小，信號傳輸過程中產生誤碼字的概率就會越大。因此采用增加碼距的編碼方式可

以減少誤碼字產生。而事實上，上面指令集中控制字部分的長度為一字節，有28=256個碼字可供編碼選擇。表2就是在碼長不變的情況下，對原指令集的控制字部分以增加碼距為原則重新編碼后得到的。我們看到，新的指令集中控制字最小碼距dmin=4。這就意味著，在信號傳輸過程中，只有4位以上的碼元同時出錯，才可能出現控制器誤判現象，而這種事情發生的概率是微乎其微的。同時，我們在收信端可以通過極大似然譯碼法對收到的碼字進行糾檢錯（糾“1”檢“2”）和譯碼處理。可見，使用增加碼距的方式進行編碼，可大大降低誤碼字發生的概率。

表2　控制字部分的新編碼表

2.2重復碼

在下位機控制器的指令集中，ID字段是用來表征指令接收對象的。因此，為了降低碼字的出錯率，實現實時、準確的控制，同樣需要該部分的碼字本身具備差錯控制能力，這里用到了重復碼。

重復碼是最簡單的信道編碼方式。將信息碼元重復若干（奇數）次發送，就可獲得很強的糾檢錯能力。信道質量較差時，采用重復碼對抗噪聲干擾是非常有效的。在收信端，我們可以通過多數表決譯碼法恢復原始碼。三次重復碼的情況下，原始碼S的第i位si可通過由三個相應位的碼元（ai、bi、ci）經邏輯電路或程序輕松恢復，其邏輯運算式如下：

si=aibi+bici+aici

例如，我們可以將指令集的機器ID部分增加兩個字節，用來重復發送ID號。倘若信號傳輸過程中，由于噪聲干擾某一位由“0”畸變為“1”，那么在譯碼端相應位會有兩個“0”和一個“1”，多數表決譯碼后，可恢復原來的正確碼元“0”。

如此一來，重新編碼后的控制器指令集內，每條完整指令的碼長為4字節，是原碼長的兩倍。但是合理的信道編碼，使系統具備較強的前向糾錯功能，實現差錯可控，其抗干擾能力將得到顯著的提升。

3　屏蔽接地

實踐證明，良好的屏蔽接地可以在很大程度上抑制射頻噪聲耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統的抗干擾能力。

發射機自動播控系統屬高速低電平控制系統，其信號交換頻率低于1 MHz。為避免射頻噪聲沿線累積影響通信質量，上下位機子系統需通過帶有金屬屏蔽層的超五類網線來實現物理連接，且在下位機控制器端單側屏蔽接地，確保屏蔽層無電勢環流通過。又因中波廣播使用垂直極化方式發射，故信號線要盡量水平鋪設以減少電磁感應。

高頻電流在金屬表面傳導具有集膚效應，因此增加接地線的表面積可以減小其自身的高頻阻抗，從而為射頻噪聲提供泄放通路。如圖4所示，我們可鋪設厚為0.3~0.5 mm、寬為60~100 mm的長銅帶作為接地母線，各設備外殼的中心接地點就近與母線連接，以降低其高頻阻抗。接地母線最后與埋設在距機房10~15 m遠處的接地極直接連接，并且保證該處的接地電阻小于4 Ω。

通過上述做法，整個系統可獲得較好地電磁兼容性（EMC），各個子系統運行穩定，協同正常，互不干擾。

圖4　系統接地示意圖

參考文獻：

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