10 kW調(diào)頻發(fā)射機(jī)8+1自動(dòng)切換控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

席 霞

（寧夏廣播電視臺(tái)，寧夏 銀川 750004）

1 發(fā)射機(jī)配置備機(jī)要科學(xué)合理

近年來，我國(guó)的調(diào)頻廣播事業(yè)得到了飛速的發(fā)展，播出的節(jié)目也日益增多，發(fā)射臺(tái)承擔(dān)的發(fā)射任務(wù)和管理難度日益增加。為了實(shí)現(xiàn)廣播節(jié)目不停播的目的，大多數(shù)發(fā)射臺(tái)站會(huì)采用1+1（主機(jī)+備機(jī)）的工作模式，并且主、備機(jī)之間可以進(jìn)行自動(dòng)切換，但這樣的配置資金投入相對(duì)較大。如何科學(xué)合理地為各發(fā)射機(jī)配置備機(jī)，是解決安全播出問題的關(guān)鍵。

寧夏廣播電視臺(tái)傳輸發(fā)射中心發(fā)射部作為省級(jí)一類發(fā)射臺(tái)站，主要承擔(dān)著8套廣播節(jié)目的無線發(fā)射任務(wù)，但承擔(dān)8套廣播節(jié)目無線發(fā)射任務(wù)的調(diào)頻發(fā)射機(jī)均為單機(jī)播出，安全播出存在隱患。若采用1+1（主機(jī)+備機(jī)）的工作模式，不但增加了發(fā)射機(jī)的數(shù)量，占用了有限的機(jī)房空間，同時(shí)也增大了投資經(jīng)費(fèi)?？紤]到多方面的原因，傳輸發(fā)射中心發(fā)射部決定利用現(xiàn)有資源對(duì)原單機(jī)工作模式進(jìn)行升級(jí)改造。2014年傳輸發(fā)射中心通過公開招標(biāo)的方式又購置了1臺(tái)10 kW寬帶調(diào)頻發(fā)射機(jī)作為公共備機(jī)，將原有的8臺(tái)10 kW調(diào)頻發(fā)射機(jī)與新購置的公共備機(jī)，共同組建了10 kW調(diào)頻發(fā)射機(jī)8+1自動(dòng)切換控制系統(tǒng)。

本文就以四川凱騰四方廣播電視設(shè)備有限公司生產(chǎn)的KFT系列10 kW調(diào)頻發(fā)射機(jī)和8+1系統(tǒng)控制器為例，詳細(xì)闡述10 kW調(diào)頻發(fā)射機(jī)8+1自動(dòng)切換控制系統(tǒng)的構(gòu)成及各部分主要功能、該系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)該系統(tǒng)的核心部分8+1系統(tǒng)控制器進(jìn)行分析。

2 10kW調(diào)頻發(fā)射機(jī)8+1自動(dòng)切換控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

10 kW調(diào)頻發(fā)射機(jī)8+1自動(dòng)切換控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案：用1臺(tái)寬帶調(diào)頻發(fā)射機(jī)為8臺(tái)調(diào)頻發(fā)射機(jī)做備份。當(dāng)8臺(tái)發(fā)射機(jī)中的某1臺(tái)發(fā)射機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，能及時(shí)有效地將此故障發(fā)射機(jī)所有信息傳送到公共備機(jī)的8+1系統(tǒng)控制器上，并由8+1系統(tǒng)控制器在很短時(shí)間內(nèi)發(fā)出指令關(guān)掉故障發(fā)射機(jī)，啟動(dòng)備用發(fā)射機(jī)，代替故障發(fā)射機(jī)播出節(jié)目。這種工作模式，在確保廣播節(jié)目安全播出的同時(shí)，節(jié)省了機(jī)房占地空間，降低了成本，提高了工作效率。自2015年該系統(tǒng)安裝調(diào)試運(yùn)行開始至今，設(shè)備運(yùn)行正常，有效確保了發(fā)射部的安全播出。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成及各部分主要功能

圖1 寧夏廣播電視臺(tái)傳輸發(fā)射中心發(fā)射部調(diào)頻發(fā)射機(jī)8+1自動(dòng)切換控制系統(tǒng)框圖

整個(gè)系統(tǒng)主要包括：

（1）8臺(tái)10 kW調(diào)頻發(fā)射機(jī)（主機(jī)）：發(fā)射部目前使用的調(diào)頻發(fā)射機(jī)均為四川凱騰四方廣播電視設(shè)備有限公司生產(chǎn)的KFT系列10 kW調(diào)頻發(fā)射機(jī)。頻率范圍：87 MHz-108 MHz。每臺(tái)發(fā)射機(jī)均為雙激勵(lì)配置，可實(shí)現(xiàn)主、備激勵(lì)器之間人工或自動(dòng)切換。

（2）1臺(tái)10 kW公共備機(jī)（備機(jī)）：發(fā)射部目前使用的公共備機(jī)為四川凱騰四方廣播電視設(shè)備有限公司生產(chǎn)的KFT系列10 kW調(diào)頻發(fā)射機(jī)，但與其他8臺(tái)主機(jī)不同，公共備機(jī)為寬帶發(fā)射機(jī)，可以通過接收8+1系統(tǒng)控制器的指令變頻到任意一個(gè)頻點(diǎn)工作，從而代替故障發(fā)射機(jī)進(jìn)行工作。工作頻率范圍為87 MHz-108 MHz。該系統(tǒng)的核心部分8+1系統(tǒng)控制器、八切一音頻切換器均放置在公共備機(jī)的機(jī)柜內(nèi)。

（3）1臺(tái)假負(fù)載：假負(fù)載的主要作用是吸收、耗散發(fā)射機(jī)輸出的射頻能量，并且假負(fù)載是一種不輻射能量的裝置，主要作為發(fā)射天線的替代。當(dāng)發(fā)射機(jī)不接入天饋系統(tǒng)時(shí)，可以接入假負(fù)載對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行檢修、調(diào)試、測(cè)指標(biāo)等工作。一般假負(fù)載可工作于調(diào)頻全頻段。正常情況下，公共備機(jī)的輸出是接在假負(fù)載上的。當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)控制器會(huì)發(fā)出指令關(guān)閉主機(jī)，并將主機(jī)的輸出切換至假負(fù)載上；當(dāng)主機(jī)故障排除時(shí)，將主機(jī)輸出接在假負(fù)載上進(jìn)行試驗(yàn)，確認(rèn)正常后將主機(jī)接入原系統(tǒng)。

（4）8只同軸開關(guān)（也稱天線倒換閘）：在廣播無線發(fā)射系統(tǒng)中，天線倒換閘的作用非常重要，是影響廣播節(jié)目安全播出的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，想要實(shí)現(xiàn)8+1自動(dòng)切換控制的工作模式，自動(dòng)倒機(jī)是最基本的功能，天饋倒換閘就為主、備發(fā)射機(jī)提供連鎖等必要的狀態(tài)信息，它需要具備遙控功能，可以接受控制系統(tǒng)的指令，提供天線位置、是否切換到位等狀態(tài)信息。發(fā)射部所使用的天線倒換閘為北京貝爾德公司生產(chǎn)的10 kW調(diào)頻天線倒換閘。

（5）1臺(tái)六工器和1臺(tái)三工器：在一般的發(fā)射臺(tái)站，通常有多個(gè)頻率的發(fā)射機(jī)同時(shí)播出不同的廣播節(jié)目，但如果每部發(fā)射機(jī)都配備一副天線，則投資將會(huì)大幅度上升，同時(shí)，發(fā)射塔上也需要留出更多的天線位置，饋線的投資也要增加很多。為解決這一問題，一般會(huì)采用多個(gè)不同頻率使用一副天線的辦法，將多個(gè)頻率合成后使用一副天線的設(shè)備就叫多工器?？紤]到饋線容量的問題，為確保安全播出，發(fā)射部將8臺(tái)10 kW調(diào)頻發(fā)射機(jī)分成兩組，使用兩副天線進(jìn)行無線發(fā)射。其中，5個(gè)頻率通過一臺(tái)六工器合成到一副天線上，其余3個(gè)頻率通過一臺(tái)三工器合成到另一副天線上。

（6）1臺(tái)八切一音頻切換器：該設(shè)備放置于公共備機(jī)內(nèi)，主要用于切換輸入備機(jī)的信號(hào)源。通常，八切一音頻切換器的輸入端將8套廣播節(jié)目的信號(hào)源全部接入，當(dāng)某一臺(tái)主機(jī)發(fā)生故障時(shí)，8+1系統(tǒng)控制器將對(duì)八切一音頻切換器發(fā)出相對(duì)應(yīng)的指令，將音頻切換器的輸出切換至該頻率的信號(hào)源上，并將信號(hào)源送至公共備機(jī)。

從圖1可以看出：在正常工作狀態(tài)下，發(fā)射部8臺(tái)主機(jī)分成兩組：5臺(tái)主機(jī)經(jīng)六工器、其余3臺(tái)主機(jī)經(jīng)三工器分別輸出至天線，公共備機(jī)處于假負(fù)載的位置。當(dāng)其中任意一臺(tái)主用發(fā)射機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，通過該機(jī)的同軸開關(guān)倒換至備機(jī)，備機(jī)工作輸出至天線，故障主機(jī)輸出至假負(fù)載，以便技術(shù)人員維修主機(jī)。

2.3 系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)檢測(cè)各發(fā)射機(jī)工作參數(shù)；自動(dòng)關(guān)閉故障發(fā)射機(jī)，并完成倒機(jī)；可通過液晶屏或客戶端進(jìn)行手動(dòng)、自動(dòng)、遙控三種工作模式的切換；故障檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間≤10秒；主備倒機(jī)完成時(shí)間≤3分。

3 8+1系統(tǒng)控制器

四川凱騰四方廣播電視設(shè)備有限公司開發(fā)生產(chǎn)的8+1系統(tǒng)控制器整個(gè)系統(tǒng)的控制樞紐，主要負(fù)責(zé)故障發(fā)射機(jī)的檢測(cè)，執(zhí)行主備倒機(jī)步驟，故障發(fā)射機(jī)修復(fù)后，可恢復(fù)到原狀態(tài)等。

在正常情況下，8+1系統(tǒng)控制器會(huì)實(shí)時(shí)收集8臺(tái)10 kW發(fā)射機(jī)的輸出功率，以此來判斷這8臺(tái)發(fā)射機(jī)是否工作正常。若判斷某一臺(tái)發(fā)射機(jī)故障，需要進(jìn)行倒機(jī)操作，8+1系統(tǒng)控制器就會(huì)發(fā)出相應(yīng)的控制指令，執(zhí)行倒機(jī)步驟。同時(shí)，8+1系統(tǒng)控制器還可以將發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)傳送給客戶端電腦，方便值班人員在控制室對(duì)機(jī)房設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。下面將詳細(xì)介紹8+1系統(tǒng)控制器的主要組成、各部分的功能以及自動(dòng)倒機(jī)的具體步驟。

3.1 8+1系統(tǒng)控制器的組成及各部分的功能

8+1系統(tǒng)控制器主要由總CPU、分CPU、液晶屏、碼流切換器及指示燈與聲光報(bào)警等部分組成（見圖2）。

圖2 8+1系統(tǒng)控制器組成及信號(hào)流程

（1）總CPU：作為8+1系統(tǒng)控制器的核心部件，主要用于接收客戶端電腦發(fā)送的查詢指令、設(shè)置倒機(jī)門限值的指令及控制發(fā)射機(jī)開關(guān)機(jī)的指令，并將這些指令轉(zhuǎn)發(fā)至分CPU，同時(shí)，接收分CPU的數(shù)據(jù)回復(fù)并轉(zhuǎn)發(fā)至客戶端電腦；接收客戶端電腦設(shè)置倒機(jī)優(yōu)先級(jí)的指令、設(shè)置該系統(tǒng)的工作模式（自動(dòng)、手動(dòng)或遙控）指令及倒機(jī)命令；總CPU還可以接收分CPU的故障指示，控制液晶屏的顯示等。

在執(zhí)行倒機(jī)操作時(shí)，總CPU會(huì)向故障主機(jī)的同軸開關(guān)下發(fā)改變同軸開關(guān)位置的指令，使故障主機(jī)的輸出接在假負(fù)載上，方便技術(shù)人員的維修，而公共備機(jī)的輸出則接在天饋系統(tǒng)上。同時(shí)，總CPU分別向公共備機(jī)上的激勵(lì)器、濾波器下發(fā)修改頻率、改變?yōu)V波器位置的指令，以實(shí)現(xiàn)由公共備機(jī)代替故障主機(jī)播出的目的。

（2）分CPU：每臺(tái)發(fā)射機(jī)都對(duì)應(yīng)一個(gè)分CPU，主要功能是與各臺(tái)發(fā)射機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，獲取各發(fā)射機(jī)當(dāng)前狀態(tài)及各項(xiàng)參數(shù)（發(fā)射功率、電流、電壓等），通過各項(xiàng)參數(shù)值來判斷發(fā)射機(jī)是否工作正常，并將故障指示傳送給總CPU。同時(shí)，分CPU還負(fù)責(zé)接收總CPU的查詢、設(shè)置與控制指令。

在整套系統(tǒng)中，判斷主用發(fā)射機(jī)是否工作正常的主要參數(shù)是發(fā)射機(jī)的輸出功率。根據(jù)不同功率的發(fā)射機(jī)設(shè)定不一樣的倒機(jī)門限值（發(fā)射部設(shè)定的倒機(jī)門限值為3 kW），若此時(shí)發(fā)射機(jī)的輸出功率低于倒機(jī)門限值時(shí)，分CPU會(huì)以此判斷發(fā)射機(jī)出現(xiàn)了故障，并將故障指示傳送給總CPU，由總CPU下發(fā)倒機(jī)指令。

（3）碼流切換器：在執(zhí)行倒機(jī)操作時(shí)，8+1系統(tǒng)控制器會(huì)向碼流切換器發(fā)出控制指令，并碼流切換器控制備機(jī)的八切一切換器將音頻輸出切換至故障主機(jī)的信號(hào)源上，并將信號(hào)源送至公共備機(jī)。

（4）液晶屏：主要功能是向總CPU發(fā)送倒機(jī)控制命令、設(shè)置倒機(jī)門限值與倒機(jī)優(yōu)先級(jí)的指令等，同時(shí)，接收總CPU發(fā)送的控制、設(shè)置命令是否成功指令、顯示故障、倒機(jī)失敗的原因或倒機(jī)成功的提示等。

（5）指示燈與聲光報(bào)警：主要由總CPU控制，顯示各類報(bào)警信息及狀態(tài)。

3.2 8+1系統(tǒng)控制器工作流程

3.2.1 初始化8+1系統(tǒng)控制器通電后，首先要進(jìn)行系統(tǒng)初始化設(shè)定。主要是由8+1系統(tǒng)控制器內(nèi)的總CPU對(duì)公共備機(jī)上的同軸開關(guān)的位置、濾波器的位置進(jìn)行初始化，保持掉電前的位置；初始化系統(tǒng)的倒機(jī)門限值（發(fā)射部設(shè)定的倒機(jī)門限值為3 kW）、倒機(jī)優(yōu)先級(jí)等參數(shù)。

3.2.2 倒機(jī)前

初始化完畢后，8+1系統(tǒng)控制器會(huì)向8臺(tái)發(fā)射機(jī)所對(duì)應(yīng)的分CPU以2秒一次的速度發(fā)送數(shù)據(jù)查詢指令，查詢指令包括各發(fā)射機(jī)當(dāng)前狀態(tài)及各項(xiàng)參數(shù)（發(fā)射功率、電流、電壓等）。

分CPU通過初始化設(shè)定的倒機(jī)門限值與當(dāng)前發(fā)射機(jī)的輸出功率值進(jìn)行對(duì)比，判斷發(fā)射機(jī)是否故障。若判斷到發(fā)射機(jī)有故障，則分CPU通過IO口向總CPU上傳此故障信息。總CPU接收分CPU上傳的故障信息，也進(jìn)行判斷，若當(dāng)時(shí)有且只有一臺(tái)主用發(fā)射機(jī)發(fā)生故障，則開始進(jìn)行自動(dòng)倒機(jī)程序。

3.2.3 倒機(jī)中

（1）由總CPU向分CPU發(fā)送主機(jī)關(guān)機(jī)的指令；并在延時(shí)25秒后，通過反饋數(shù)據(jù)判斷主機(jī)關(guān)機(jī)是否成功；若關(guān)機(jī)失敗，總CPU點(diǎn)亮倒機(jī)故障燈，停止倒機(jī)操作。

（2）總CPU發(fā)送低電平使繼電器動(dòng)作輸出12V將故障主機(jī)接負(fù)載，備機(jī)接天線；并在3秒后總CPU通過兩路電平檢測(cè)轉(zhuǎn)換是否到位。

（3）切換碼流、濾波器位置?？侰PU發(fā)送三路電平使3個(gè)繼電器分別動(dòng)作輸出切換信號(hào)，使得碼流切換器的輸出為故障機(jī)的信源，使公共備機(jī)的濾波器改變相應(yīng)的位置。

（4）設(shè)置公共備機(jī)激勵(lì)器頻率?？侰PU向公共備機(jī)的激勵(lì)器下發(fā)設(shè)置頻率命令。當(dāng)備機(jī)的激勵(lì)器收到來自總CPU下發(fā)的設(shè)置命令后，進(jìn)行校驗(yàn)并設(shè)置工作模式：

一是若校驗(yàn)或設(shè)置錯(cuò)誤，激勵(lì)器將錯(cuò)誤報(bào)發(fā)送給總CPU；總CPU等待5秒后將重新發(fā)送設(shè)置報(bào)，如此循環(huán)2次，若設(shè)置失敗，總CPU將碼流、濾波器切換至缺省位置，并將同軸開關(guān)位置還原?？侰PU點(diǎn)亮倒機(jī)故障燈，將失敗位置上傳至PC機(jī)。二是若效驗(yàn)或設(shè)置正確，備機(jī)激勵(lì)器將發(fā)射頻率改為故障機(jī)的頻率。

（5）開啟備機(jī)。若上述過程均正常運(yùn)行，總CPU向分CPU發(fā)送備機(jī)開機(jī)指令，并在延時(shí)25秒通過備機(jī)數(shù)據(jù)報(bào)判斷備機(jī)開機(jī)是否成功。若開機(jī)失敗，總CPU將碼流、濾波器切換至缺省位置，將激勵(lì)器設(shè)置為缺省工作模式，并將同軸開關(guān)位置還原?？侰PU點(diǎn)亮倒機(jī)故障燈，將失敗位置上傳至客戶端電腦。若開機(jī)成功，總CPU將倒機(jī)成功消息上傳至客戶端電腦。至此完成整個(gè)倒機(jī)程序。

3.2.4 倒機(jī)后

倒機(jī)成功后，若技術(shù)人員已維修完畢故障發(fā)射機(jī)，欲將故障發(fā)射機(jī)重新使用，則可通過手動(dòng)或遙控方式將備機(jī)倒回主機(jī)，具體流程為主機(jī)倒備機(jī)的逆過程。

4 結(jié)束語

目前，寧夏廣播電視臺(tái)傳輸發(fā)射中心發(fā)射部的8+1自動(dòng)切換控制系統(tǒng)已正常運(yùn)行多年，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，為調(diào)頻廣播安全播出提供了有力的技術(shù)保障，也為實(shí)現(xiàn)“無人值機(jī)，有人留守”的管理模式奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)[2]。