基于FPGA 技術的中波廣播發射臺自動化播控系統設計與實現

侯有強

（東營市融媒體中心，山東 東營 257091）

0 引言

隨著中波廣播發射臺向“有人值守、無人值班”的運行模式發展，自動化系統的嵌入使用無疑是最佳選擇，尤其在播出控制系統領域完成數字化、自動化升級后，能夠有效提升系統工作效率和安全播出能力。目前，中波廣播發射臺普遍采用集中控制管理模式，當播控系統突發故障時，由于單機不具備自動化控制能力，會直接導致多個工作頻率設備停播，進而造成一系列安全播出事故[1]。因此，采用分布式設計思路，將集中控制管理模式轉變為集中管理、分布控制模式，利用現場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）技術重點解決單機自動化實現的問題，能夠提高中波廣播發射臺的自動化水平，降低重大停播事故發生的概率。

1 中波廣播發射臺自動化播控系統的組織架構

中波廣播發射臺播控系統是一種基于多設備、多平臺綜合運行的播出控制系統，在正常工作中會因設備間的互擾、平臺間的串擾導致信號傳輸的延遲、停滯或者信號本身受到影響，導致廣播電視安全播出異常。本文利用FPGA 技術完成對中波廣播發射臺自動化播控系統的設計。系統的組織架構如圖1 所示，重點突出自動控制管理與應急處置，確保中波廣播發射臺整體穩定運行[2]。

圖1 中波廣播發射臺自動化播控系統的組織架構

從圖1 可以看出，FGPA 對中波廣播發射臺的下位機側（中后端）完成基帶信號處理與控制信號的管理，通過預置在存儲器中的控制信號自動完成對發射機、音頻信號以及電源等的自動控制與處理，監測發射臺各型電子設備的工作狀態和外部環境的實際狀態，利用切換機適時干預和控制，同時將指令和預期結果回傳至中波廣播發射臺的上位機側（前端），通過交換機下達播控指令，最終實現對中波廣播發射臺播控系統的自動化調節、控制與管理。

2 中波廣播發射臺自動化播控系統的設計

2.1 單機自動化系統

單機自動化系統的設計主要基于云平臺“監、管、維”一體的控制管理系統，從數據采集、通信網絡、系統架構和綜合數據服務等方面進行設計開發[3]，如圖2 所示，幫助中波廣播發射臺整體上了解單機的運行情況，關注數據傳輸和內容播出的穩定性，及時預警異常情況。

圖2 單機自動化系統設計

2.1.1 單機監控系統

監控系統主要由中央處理器、云端存儲器及集成控制器等組成。它采用RISC 微處理器（Advanced RISC Machine，ARM）架構，以FPGA 技術為基礎，融入數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）算法。中央處理器實現對集成控制器進行監視、測量、記錄、報警等功能，與保護設備、遠程控制中心及其他設備通信，實時掌握發射機、音頻信號處理器、電源、存儲器以及切換機的運行狀況和可能存在的隱患，快速排除故障。各間隔層單元保留應急手動操作跳、合閘手段，各本地配屬的單元相互獨立、互不影響，功能上不依賴嵌入式系統，因此監控系統的可靠性和可用性強。

2.1.2 中央管理系統

中央管理系統包含數據采集、多維度分析、報表參數查詢等功能。可以將中央管理系統視為上位機側，將單機監控系統視為下位機側。系統與系統之間通過以太網連接，按照Socket 協議使用套接字進行數據傳輸。通過分析數據變化的趨勢，為系統運行管理提供依據。設備管理主要包含自動調控、異常監控、智能檢測等功能。通過監測設備的運行狀態，及時上報告警信息，通過對設備的自動控制，在保障中波節目安全播出的同時，降低設備負荷，減少安全故障發生的概率。

2.1.3 運維云平臺

運維云平臺接入加裝在嵌入式系統的在線監控裝置、環境監測傳感器及單機的攝像頭，用于實時監測各單機工作環境溫濕度、電纜接頭及線纜溫度、開閉狀態等。本地監控系統監測的各類數據轉發會集成在云平臺上，從而達到遠程實時監控各個單機的運行情況，在發生單機工作狀態參量超過設置值預警或環境異常變化時及時檢測到，并通過手機App 或者短信報警給技術人員和管理人員，確保第一時間予以響應和處理。

2.2 發射臺自動化播控系統

以單機自動化系統為基點，發射臺自動化播控系統還需要增加邏輯控制模塊、自主響應模塊等，同時提供多個標準化外部接口，實現對中波廣播發射臺播控系統的自動化管控維。

2.2.1 邏輯控制模塊

邏輯控制模塊主要包括開/關邏輯控制、功率邏輯控制等部分，通過緊湊型EtherCAT 控制器和插片式輸入/輸出（Input/Output，I/O）接口設計[4]，即Core i 級微處理器、最小的可編程自動化控制器（Programmable Automation Controller，PAC）、模 塊化I/O 和高速串行計算機擴展總線標準（Peripheral Component Interconnect Express，PCI-E）。邏輯控制模塊將網關、運動控制、I/O 數據采集、現場總線、機器視覺和設備聯網集成到一個邏輯控制平臺中，既易于集成又易于擴展，且具備高性能處理能力、開放的平臺和極為可靠的擴展能力，為發射臺播控系統的自動化實現提供了更好的邏輯控制能力。

2.2.2 自主響應模塊

自動化播控系統必須具備自主響應能力，能夠自動完成應急處置。當單機工作出現異常時，系統需要自動判斷故障類型，并選擇適合的應急處置策略。第一，自動巡檢所有電源、發射機、切換機等設備，如電源出現問題，包括整個發射臺供電故障，如電源功率低，保險燒毀、電源插頭接觸不良等，需要及時發現并上報；第二，定時巡檢傳感器位置是否出現偏移，同時檢查傳感器的傳感位置和靈敏度，若出現偏差及時調節，如果傳感器壞掉需立刻更換；第三，不定時檢查控制器、切換機，隨著設備的振動而出現控制器等設備松動現象，根據回傳數據分析判斷后及時處置。

以上監測發現的異常現象，需要自主響應模塊及時干預，并輸出倒備機控制信號，確保播控系統的正常運行。隨后通過主機的自動連接發出報警信息，顯示異常情況，并輔助中央管理系統、單機監控系統按照預置方案完成故障處置[5]。

2.2.3 標準化接口

標準化接口能夠為遠程控制和數據處理提供標準和依據，也可為中波廣播發射臺的外部控制提供可視化界面，有利于進行整體的性能監測。

2.3 基于FPGA 的軟件環境

根據自動化播控系統的組織架構和系統設計，在ARM 基礎上，利用FPGA+DSP 技術將控制信號集成化，實現中波廣播發射臺的自動化播控能力。FPGA 邏輯資源可用于實現播控系統自動化的控制電路功能，如圖3 所示。其中，FPGA 可實現數據流的高速比例積分微分（Proportional Integral Derivative，PID）控制、播控系統的PID 控制，并完成與上位機側的管理系統的通信功能[6]。

圖3 基于FPGA 技術的自動化播控系統實現

通過FPGA 的靈活性設計平臺，搭建ZYNQ信號采樣模塊，并與單機狀態采集、發射臺系統狀態采集等傳感器互聯；增加多進制數字相位調制（Multiple Phase Shift Keying，MPSK）調控、數據轉換功能，提高控制信號的響應速度，實現邏輯控制模塊與自主響應模塊工作的時效性；上位機側編寫GNURadio 軟件平臺，及時處理基帶數據，并傳輸至下位機側，由下位機利用控制器進行分析，發布指令。利用FPGA 控制，系統更加容易擴展，提升了可靠性。

3 中波臺自動化播控系統的實現

3.1 線路規劃

由于中波臺機房內電子電氣設備數量多、型號雜，自動化的實現需要各類設備能夠完成信號通聯，且在一定信號干擾下能夠保持通聯的有效性。因此，需要在前期對各類電子電氣設備進行科學規劃和系統配置，盡可能降低互擾和串擾，即基于現場總線控制系統（Fieldbus Control System，FCS）進行布線，實現播控系統自動化。設備的通聯線路分別設置在機房的兩端，并對網絡、控制、同步、安全等系統進行實時監測，降低自動化播控系統實現的復雜度。

3.2 設備配置

原始信號源是中波廣播電視臺的核心要素。一旦出現信源無法實時監測，需要自主響應搜索備用信源，自動進行信源切換。本文選擇ZHC348-4020SZ/RCA 音頻切換器，通過支持4 路非平衡模擬音頻輸入（RCA 接口，支持墊樂），經自動切換后2 路非平衡模擬音頻分配輸出（RCA 接口，內容相同），能夠同時實現手動和自動切換模式，即在手動狀態下可以方便地通過按鈕選擇所需音頻通道，在自動模式下通過智能判斷通道音頻狀態進行切換。此外，自主式的信號處理需要完成中波信號間的自動控制，保持輸出信號波形基本保持不變，避免產生嚴重波動或失真[7]。本文選擇TesiraFORT AVB AI 數字網絡信號處理器，借助8 路可配置通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）通道，并將TesiraFORT 直接與USB 主機連接，用作獨立設備或與TesiraDSPs、擴展器和控制器結合使用。完成信號路由、均衡、濾波、動態、延遲以及不同線路之間脈沖信號的控制、監控和診斷，進一步利用控制系統實現播控系統自動化。

4 結語

現階段，中波廣播發射臺正由數字化向網絡化、自動化方向發展，自動化播控系統的設計與實現將使得中波臺的整體運行達到更高水平。本文通過對中波廣播發射臺自動化播控系統的研究，從組織架構、設計思路到實現方法等層面構建了一套“邏輯控制、自主響應”于一體的自動化播控系統，更好地滿足融媒體發展業態下的中波業務支撐的現實需要。