摘要：中波廣播發(fā)射臺的自動化播控系統(tǒng)在現(xiàn)代廣播通信中扮演著重要角色，借助FPGA技術(shù)，使該系統(tǒng)得以實現(xiàn)高效處理、靈活編程及低能耗的優(yōu)化。系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)工作內(nèi)容涵蓋硬件構(gòu)架設(shè)計、信號處理部分以及數(shù)據(jù)傳輸模塊的研制。經(jīng)過一系列實驗驗證，F(xiàn)PGA技術(shù)的應用顯著增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和信賴度，為中波廣播發(fā)射臺的自動化播控提供了高效的實現(xiàn)方案[1]。

關(guān)鍵詞：FPGA技術(shù)；中波廣播；自動化播控系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.02.013

中圖分類號：TN 934.81" " " " " " " " "文獻標志碼：B" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2025）02-00-04

Design and Research of Automatic Broadcast Control System for Medium Wave Broadcasting Transmission Station Based on FPGA Technology

ZANG Xiangxiang

（Hefei Broadcasting and Television Station， Hefei 230002， China）

Abstract： The automated broadcast control system of medium wave broadcasting transmitter plays an important role in modern broadcasting communication. By utilizing FPGA technology， the system can achieve efficient processing， flexible programming， and low-energy optimization. The system design phase covers hardware architecture design， signal processing， and the development of data transmission modules. After a series of experimental verifications， the application of FPGA technology significantly enhances the stability and reliability of the system， providing an efficient research solution for the automated broadcast control of medium wave broadcasting transmitters.

Keywords： FPGA technology; medium wave broadcasting; automated broadcasting control system; system design

1" "中波廣播發(fā)射臺概述

1.1 中波廣播的基本原理

中波傳播借助中波段頻率（300 kHz～3 MHz）實現(xiàn)信號的遠距離無線傳播，該波段特性決定了其具有較廣的覆蓋范圍。廣播電臺采用調(diào)幅方式，把音頻信息疊加到中波頻段上，隨后通過發(fā)射天線將已調(diào)制的無線電波發(fā)送至空間[2]。在接收端，無線電設(shè)備通過自身的天線捕捉到這些無線電波，并通過解調(diào)過程恢復原始的音頻信號，進而轉(zhuǎn)換成可聽的聲音。利用中波的良好衍射性能和穩(wěn)定的傳輸特性，使中波廣播可實現(xiàn)大區(qū)域的無線電覆蓋。

1.2 中波廣播發(fā)射臺的組成與功能

中波電臺的核心部分涵蓋信號調(diào)制單元、功率增強器、發(fā)射器、操控單元以及供電系統(tǒng)。其中調(diào)制單元的任務是將音頻信息轉(zhuǎn)換成中波頻段信號，生成調(diào)幅波。功率增強器負責提升已調(diào)制信號的強度，以便信號能夠遠距離傳播并覆蓋更廣區(qū)域。發(fā)射器則承擔著把增強后的射頻信號發(fā)送到空間中，達到廣播的目的。操控單元內(nèi)置自動播控模塊與控制模塊，負責整個廣播流程的監(jiān)控與調(diào)度，保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定。供電系統(tǒng)為電臺所有設(shè)備提供不間斷的電源支持，確保各部分能夠正常工作[3]。這些組成部分共同協(xié)作，使中波廣播信號可以高質(zhì)量地傳播，為廣大聽眾帶來穩(wěn)定的收聽體驗。

2" "FPGA技術(shù)在中波廣播發(fā)射臺自動化播控系統(tǒng)中的作用

2.1 FPGA技術(shù)的定義

FPGA（Field Programmable Gate Array）作為一種具備極高適應性和設(shè)置自由的集成電路，其內(nèi)部主要由眾多邏輯單元陣列、內(nèi)部連成以及I/O組件構(gòu)成。這些特性使FPGA能夠通過設(shè)定程序來執(zhí)行各種復雜的數(shù)字邏輯操作。與固定功能的ASIC（專用集成電路）相比，F(xiàn)PGA即便在開發(fā)完成后也能重新編程，展現(xiàn)了其在多樣化應用場景中的強大適應能力。FPGA技術(shù)融合了硬件的處理效能與軟件的調(diào)整靈活性，被廣泛運用于信號調(diào)理、數(shù)據(jù)傳輸、自動化控制等多個行業(yè)，F(xiàn)PGA技術(shù)能在物理電路層面完成并行任務處理和即時響應，顯著提高了系統(tǒng)的整體性能和工作效率。

2.2 FPGA在中波廣播發(fā)射臺自動化播控系統(tǒng)中的作用

在中波廣播發(fā)射臺的自動化播控系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA技術(shù)發(fā)揮了其獨特且卓越的作用。該技術(shù)以其強大的并行處理能力，可以同步處理多項任務，從而大幅度提高了系統(tǒng)的反應速度和操作效率。FPGA可編程的特性可以根據(jù)需要進行靈活調(diào)整和升級配置，確保系統(tǒng)迅速滿足各類應用場景的需求。FPGA的低能耗特性有助于減少能耗，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。其高集成度特性簡化了設(shè)計流程，縮小了硬件的體積和降低了復雜度，進一步增強了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。鑒于這些優(yōu)點，F(xiàn)PGA無疑是中波廣播發(fā)射臺自動化播控系統(tǒng)中的最佳選擇。

3" "基于FPGA技術(shù)的中波廣播發(fā)射臺自動化播控系統(tǒng)設(shè)計思路

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的核心在于實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的信號處理和傳輸。首先對FPGA的核心部分進行設(shè)計，作為整個系統(tǒng)的“大腦”，負責完成全部的邏輯控制與信號處理。輸入信號經(jīng)過高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，再送入到FPGA中進行實時處理。通過 FPGA內(nèi)的多個并行處理器，結(jié)合流水線技術(shù)能夠加速調(diào)制、解調(diào)和濾波等關(guān)鍵運算，從而顯著提高處理效率。在對信號進行處理之后，利用高速DAC將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，再由功率放大器進行放大信號強度，保證信號長距離傳輸?shù)姆€(wěn)定性與清晰度。在FPGA中設(shè)計了一種自檢測與診斷模塊，用于對系統(tǒng)的運行狀況進行實時監(jiān)測，并在需要的時候及時發(fā)出報警信號。在此基礎(chǔ)上，利用高帶寬數(shù)據(jù)總線，實現(xiàn)FPGA與調(diào)制器、放大器、天線等其他硬件模塊之間的高速通信與同步。

3.2 FPGA邏輯設(shè)計

FPGA邏輯設(shè)計是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，采用VHDL或Verilog等硬件描述語言對各功能模塊進行設(shè)計和調(diào)控。在此設(shè)計中音頻信號通過混頻器和濾波器的處理，被轉(zhuǎn)化為中頻段信號，隨后被送入數(shù)字信號處理模塊進行更深層次的處理。該模塊采用流水線結(jié)構(gòu)，通過并行處理加速信號運算，進而提高信號處理效率。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的整體控制，可運用狀態(tài)控制系統(tǒng)管理各模塊的工作，確保定時播放、信號轉(zhuǎn)換及故障處理等關(guān)鍵功能的順利進行，從而保障系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運作。各功能模塊間通過數(shù)據(jù)總線進行數(shù)據(jù)傳輸，以此確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝耘c穩(wěn)定性。同時通過合理配置FPGA中的邏輯單元和存儲單元大幅增強了系統(tǒng)的并發(fā)處理能力，顯著提高了響應速度。

3.3 軟件設(shè)計

在基于FPGA的自動播控系統(tǒng)中，軟件設(shè)計主要包括信號處理和控制邏輯的實現(xiàn)。信號處理部分通過硬件描述語言（HDL）編寫，其主要功能是對信號進行調(diào)制、解調(diào)和處理?？刂七壿嫴糠植捎脿顟B(tài)機設(shè)計來確保系統(tǒng)能夠自動執(zhí)行定期播放、信號切換和故障檢測等任務。同時軟件還通過微處理器（如MicroBlaze或Nios II）的開發(fā)，編寫相應的驅(qū)動和中間件以實現(xiàn)FPGA與外圍設(shè)備的高效通信。軟件界面的設(shè)計則使用了Qt等跨平臺框架，使系統(tǒng)能夠進行實時監(jiān)控與控制，從而確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

4" "基于FPGA技術(shù)的中波廣播發(fā)射臺自動化播控系統(tǒng)設(shè)計實踐

4.1 系統(tǒng)原型開發(fā)

系統(tǒng)原型開發(fā)是將設(shè)計理念轉(zhuǎn)化為實際應用的關(guān)鍵步驟，主要包括需求調(diào)研、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、系統(tǒng)集成和測試驗證五個核心階段。在需求調(diào)研階段，明確系統(tǒng)的功能需求和性能標準，為后續(xù)的設(shè)計環(huán)節(jié)奠定了基礎(chǔ)。硬件設(shè)計階段，選擇適合的FPGA芯片，并使用硬件描述語言完成電路板設(shè)計與資源配置，以保障硬件部分能夠滿足系統(tǒng)需求。在軟件設(shè)計階段，重點進行信號處理算法、控制邏輯和用戶界面的編程，以保障系統(tǒng)可以高效完成調(diào)制、解調(diào)、濾波等任務。系統(tǒng)集成階段，將硬件與軟件結(jié)合，完成軟硬件接口的搭建，并通過調(diào)試和調(diào)整來確保各模塊間的協(xié)同運作。最后在測試驗證階段，系統(tǒng)的功能與性能都經(jīng)過了全面的測試，以驗證各模塊的準確性及系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性與可靠性。開發(fā)流程如圖1所示。

在整個開發(fā)流程中每個環(huán)節(jié)緊密相連，需求調(diào)研為硬件和軟件設(shè)計指明了思路，硬件和軟件的設(shè)計則依靠系統(tǒng)集成實現(xiàn)無縫融合，系統(tǒng)集成保證了各個部分之間的協(xié)作一致，通過測試審核確保了系統(tǒng)的性能和功能均達到標準，從而成功構(gòu)建了基于FPGA技術(shù)的中波廣播發(fā)射臺自動化播控系統(tǒng)，可使其高效且穩(wěn)定地工作。

4.2 系統(tǒng)調(diào)試與測試

系統(tǒng)調(diào)試與測試是確?；贔PGA技術(shù)的中波廣播發(fā)射臺自動化播控系統(tǒng)正常運行的重要環(huán)節(jié)。調(diào)試與測試主要包括以下幾個步驟：對硬件部分進行調(diào)試，確保FPGA芯片與各個外設(shè)的連接正常。利用示波器及邏輯分析儀對信號的傳遞進行監(jiān)測，以保證信號的完整性與穩(wěn)定性。在軟件調(diào)試階段，利用FPGA開發(fā)工具（Xilinx Vivado或Altera Quartus）對各個功能模塊進行仿真與綜合，驗證各個功能模塊的正確性與性能。在調(diào)試中，著重對從音頻編碼器、智能切換器、應急廣播播控系統(tǒng)到天饋系統(tǒng)的整個傳輸流程進行驗證，確保信號路徑的通暢，保證各個功能模塊的反應速率和運算容量都能滿足預期要求。為了保證自動播控功能的精確執(zhí)行，需要對其進行狀態(tài)機設(shè)計，并對其進行邏輯判定。使用調(diào)試工具對各模塊進行逐步驗證，發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題。在測試階段，對系統(tǒng)進行充分的功能及性能試驗，對音頻編碼、信號處理、自動化播控等功能模塊的正確性進行驗證。采用試驗信號源與接收裝置來模擬真實工作環(huán)境的測試方法，對系統(tǒng)工作狀況及輸出結(jié)果進行分析。在測試性能方面，主要針對處理速度、響應時間、功率消耗等方面進行了測試，并進行反復測試，確保系統(tǒng)在實際應用中可高效穩(wěn)定運行。

4.3 性能優(yōu)化

性能優(yōu)化是確?；贔PGA技術(shù)的中波廣播發(fā)射臺自動化播控系統(tǒng)在實際應用中高效穩(wěn)定運行的重要環(huán)節(jié)。

一種基于 FPGA的先進電路板如圖2所示，對該電路板進行性能優(yōu)化的過程包括以下幾個方面：通過分析系統(tǒng)的關(guān)鍵路徑和瓶頸，優(yōu)化信號處理算法和控制邏輯。在 FPGA中采用流水運算和并行運算的方式，加快運算的速度，減少延遲。同時對 FPGA中的邏輯單元、存儲單元與DSP模塊等進行合理的配置，以減少不必要的資源浪費。性能優(yōu)化的另一項任務是降低系統(tǒng)功耗。通過對電路結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，降低工作頻率，可以有效地降低系統(tǒng)的功耗。在設(shè)計過程中選用低功耗的FPGA芯片，并采用功率管理等方法來提高能量效率，并通過優(yōu)化的散熱結(jié)構(gòu)，以保證整機在重載條件下的穩(wěn)定性。通過應用FPGA開發(fā)工具對系統(tǒng)進行性能分析與優(yōu)化，可更好地了解系統(tǒng)的資源利用率與性能瓶頸。通過模擬與試驗不斷地對系統(tǒng)的參數(shù)進行優(yōu)化，使其達到最優(yōu)的性能。利用示波器、邏輯分析儀等儀器，實時監(jiān)測并調(diào)節(jié)信號的傳輸與處理過程。優(yōu)化后的系統(tǒng)不僅可以有效提高工藝的運行速度，還能減少能源消耗，延長設(shè)備壽命。

4.4 可靠性與穩(wěn)定性測試

對采用FPGA技術(shù)的中波廣播發(fā)射臺自動化播控系統(tǒng)來說，進行穩(wěn)定性和可靠性的檢驗是保障其長期高效運作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。此類檢驗涉及內(nèi)容眾多，目的是針對系統(tǒng)在多種不同環(huán)境下的運作穩(wěn)定性與可信度進行確認。通過進行長時間的系統(tǒng)運行測試，模擬其在實際應用場景中的持續(xù)運行情況，以檢測系統(tǒng)是否出現(xiàn)性能衰退或者故障現(xiàn)象。利用邏輯分析儀及示波器對關(guān)鍵信號路徑進行監(jiān)控，以確保信號傳輸?shù)恼_性與穩(wěn)定性。在環(huán)境壓力測試中，將系統(tǒng)置于多種溫度、濕度以及電磁干擾的環(huán)境中，以評估其在極限條件下的性能表現(xiàn)。對系統(tǒng)的硬件單元執(zhí)行加速老化測試，以檢驗其在長期使用過程中的耐用性。同時運用FPGA開發(fā)工具實時監(jiān)控系統(tǒng)，分析系統(tǒng)在多種工作狀態(tài)下的能耗與散熱管理狀況，從而確認散熱設(shè)計的合理性。經(jīng)過流程測試，驗證系統(tǒng)在持續(xù)的高強度負載以及多變的環(huán)境下的持續(xù)穩(wěn)定運行能力，同時能夠及時地發(fā)現(xiàn)并處理潛在的風險。在整個測試環(huán)節(jié)中記錄各項數(shù)據(jù)，并據(jù)此編制詳細報告，以利于后續(xù)的深入分析與系統(tǒng)優(yōu)化工作。經(jīng)過一系列的可靠性與穩(wěn)定性檢測，證實了采用FPGA技術(shù)的中波廣播發(fā)射臺自動化播控系統(tǒng)在現(xiàn)實應用場景中的可靠性與穩(wěn)定性。

5" "結(jié)束語

基于FPGA技術(shù)的中波廣播發(fā)射臺自動化播控系統(tǒng)，在提升處理效率、適應性與可靠性方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。通過對硬件及軟件架構(gòu)的深度優(yōu)化，該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了高性能運行，同時也達到了節(jié)能減排的目標。FPGA技術(shù)為當代廣播傳輸領(lǐng)域貢獻了一個可信技術(shù)方案，并將在眾多領(lǐng)域得到廣泛應用。

參考文獻

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作者簡介：臧湘湘（1983-），女，漢族，安徽明光人，中級工程師，本科，研究方向為無線傳輸。