中波發(fā)射機自動播控系統(tǒng)抗干擾的方法

2015-02-26 03:11馮永安作者單位山西省呂梁中波臺太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院

西部廣播電視 2015年13期

馮永安（作者單位：山西省呂梁中波臺；太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院）

馮永安
（作者單位：山西省呂梁中波臺；太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院）

摘要：在中波廣播發(fā)射機房，計算機自動播控系統(tǒng)的應(yīng)用為機務(wù)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(shè)備，甚至各種接口、連接線纜都處在較強的中波輻射環(huán)境中，倘若處理不當(dāng)，播控設(shè)備就很易受到干擾，進而影響系統(tǒng)的正常工作。針對上述情況，結(jié)合通信理論和工作經(jīng)驗，提出中波發(fā)射機自動播控系統(tǒng)抗干擾的解決方法。

關(guān)鍵詞：差模傳輸；碼距；重復(fù)碼；糾檢錯；屏蔽接地

自動播控系統(tǒng)在中波廣播發(fā)射機房的普及，為傳統(tǒng)機務(wù)工作帶來了重大變革。借助該系統(tǒng)，我們可實現(xiàn)自動定時開關(guān)發(fā)射機、自動巡檢設(shè)備指標(biāo)、進行故障監(jiān)測、告警和記錄，執(zhí)行簡單的自動應(yīng)急處置等。此外，機務(wù)人員也可通過播控軟件的GUI（用戶圖形界面）實時掌握設(shè)備狀態(tài)、工作參數(shù)，實現(xiàn)集中控制，大大提高了工作效率，減輕了工作負(fù)擔(dān)。

圖1即中波發(fā)射機自動播控系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)包括上位機子系統(tǒng)、下位機子系統(tǒng)和通信適配器三部分。其中，上位機子系統(tǒng)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(xiàn)全雙工通信，進而完成數(shù)據(jù)的采集、處理、記錄和對發(fā)射機組的集中控制等一系列工作。下位機子系統(tǒng)則通過內(nèi)部的MCU（微控制器）和FPGA（可編程邏輯陣列）等，實現(xiàn)模擬量及開關(guān)量的取樣、數(shù)據(jù)通信、執(zhí)行上位指令、對發(fā)射機直接控制等功能。

由于發(fā)射機自動播控系統(tǒng)采用分體式構(gòu)架，且處在中波天線的場強近區(qū)，工作環(huán)境中的射頻干擾不僅功率大，頻譜分布也基本集中在設(shè)備的工作頻段，故很容易受到嚴(yán)重的電磁干擾。如果處理不當(dāng)，就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集誤差增大、控制失效、數(shù)據(jù)紊亂、程序失常等現(xiàn)象，甚至影響到設(shè)備正常工作和節(jié)目播出安全，反倒弄巧成拙。因此，選擇合理的系統(tǒng)設(shè)計和科學(xué)的通信方式就尤為重要。

圖1　發(fā)射機自動播控系統(tǒng)示意圖

1　合理選擇通信協(xié)議

集中控制計算機和下位機的通信接口均為RS-232，該協(xié)議定義了一條發(fā)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(fā)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(fā)生沿線噪聲累積。如果直接采用RS-232協(xié)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(chǎn)生誤碼。

為了提高通信質(zhì)量，在主要物理信道中，我們選擇將信號由RS-232協(xié)議轉(zhuǎn)換為RS-422進行傳輸。RS-422協(xié)議全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它采用四線制（兩收Ra、Rb，兩發(fā)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(xié)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(dāng)噪聲出現(xiàn)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(tǒng)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(xié)議的轉(zhuǎn)換，同時實現(xiàn)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(xié)議轉(zhuǎn)換，其物理接口與RC-4相同。RC-3與RC-4通過8芯網(wǎng)線（內(nèi)含4組雙絞線）實現(xiàn)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(fā)射機自動播控系統(tǒng)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(chǎn)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(xiàn)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(nèi)某公司生產(chǎn)的DAM下位機控制器通信指令集，分析表中數(shù)據(jù)，我們不難發(fā)現(xiàn)，控制指令由“機器ID+控制字”構(gòu)成，采用連續(xù)數(shù)字進行編碼，均為四位16進制數(shù)（即16位二進制數(shù)）。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(shù)的誤碼產(chǎn)生時，就會使得原指令畸變?yōu)榱硗庖粭l指令，導(dǎo)致控制器誤判從而進行錯誤控制，影響系統(tǒng)正常工作。例如，當(dāng)我們通過上位機向ID為97的控制器發(fā)出開關(guān)量查詢指令時，原指令內(nèi)容為十六進制數(shù)“6165”，相應(yīng)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(xiàn)誤碼，控制器收到的信號就變成了“0110 0001 0110 1101”，即十六進制數(shù)“616d”，此時，下位機就會控制發(fā)射機進行關(guān)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(yīng)位上碼元取值不同的個數(shù)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(chǎn)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(chǎn)生。而事實上，上面指令集中控制字部分的長度為一字節(jié)，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(xiàn)控制器誤判現(xiàn)象，而這種事情發(fā)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?？梢姡褂迷黾哟a距的方式進行編碼，可大大降低誤碼字發(fā)生的概率。

表2　控制字部分的新編碼表

2.2重復(fù)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(xiàn)實時、準(zhǔn)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(fù)碼。

重復(fù)碼是最簡單的信道編碼方式。將信息碼元重復(fù)若干（奇數(shù)）次發(fā)送，就可獲得很強的糾檢錯能力。信道質(zhì)量較差時，采用重復(fù)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(shù)表決譯碼法恢復(fù)原始碼。三次重復(fù)碼的情況下，原始碼S的第i位si可通過由三個相應(yīng)位的碼元（ai、bi、ci）經(jīng)邏輯電路或程序輕松恢復(fù)，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(jié)，用來重復(fù)發(fā)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?yōu)椤?”，那么在譯碼端相應(yīng)位會有兩個“0”和一個“1”，多數(shù)表決譯碼后，可恢復(fù)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(nèi)，每條完整指令的碼長為4字節(jié)，是原碼長的兩倍。但是合理的信道編碼，使系統(tǒng)具備較強的前向糾錯功能，實現(xiàn)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(tǒng)的抗干擾能力。

發(fā)射機自動播控系統(tǒng)屬高速低電平控制系統(tǒng)，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(zhì)量，上下位機子系統(tǒng)需通過帶有金屬屏蔽層的超五類網(wǎng)線來實現(xiàn)物理連接，且在下位機控制器端單側(cè)屏蔽接地，確保屏蔽層無電勢環(huán)流通過。又因中波廣播使用垂直極化方式發(fā)射，故信號線要盡量水平鋪設(shè)以減少電磁感應(yīng)。

高頻電流在金屬表面?zhèn)鲗?dǎo)具有集膚效應(yīng)，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(shè)厚為0.3~0.5 mm、寬為60~100 mm的長銅帶作為接地母線，各設(shè)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(shè)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(tǒng)可獲得較好地電磁兼容性（EMC），各個子系統(tǒng)運行穩(wěn)定，協(xié)同正常，互不干擾。