В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Александр Борисов
Юрий Грачев
Андрей Захаров
Сергей Круглов
МТУСИ
Сегодня нам сложно представить свою повседневную жизнь без регулярного просмотра телепередач — телевидение прочно вошло в быт современного человека. Однако для того чтобы зритель смог в полной мере насладиться любимой программой или интересным фильмом, необходимо не только создать их, но и качественно передать и принять сигнал, идущий от телевизионной студии. Важную роль в осуществлении этой операции играют телевизионные передатчики
При эксплуатации любого радиопередающего устройства возникает ряд проблем: в частности, обеспечение его надежности. Для того чтобы гарантировать бесперебойную работу передатчика, необходим постоянный контроль его важнейших параметров, своевременная диагностика возникающих неисправностей и правильная обработка аварийных ситуаций. С этой целью в структуру любого передатчика вводится контроллер -устройство, не только обеспечивающее первичный сбор информации, но и вырабатывающее сигналы управления. Однако для комплексного управления передатчиком, а тем более для обеспечения контроля над деятельностью целых систем передающих устройств обычных контроллеров оказывается явно недостаточно. Особенно остро данная проблема встает, если необходимо обеспечить удаленное управление необслуживаемыми передатчиками. Опыт показывает, что в данном случае целесообразно применять управление передающими устройствами с помощью компьютера.
Именно по такому пути идут разработчики современной телевизионной техники. На первом этапе ими были созданы отдельные узлы передатчиков с различными датчиками и относительно простой контроллер. Затем были разработаны контроллеры с возможностью удаленного доступа для подачи информации с отдельных узлов устройства на компьютер (пульт управления) и программное обеспечение для эффективного управления.
Практика показала, что применение компьютера позволяет значительно улучшить качество управления и повысить надежность передающих устройств. Однако решение подобных задач не обходится без некоторых "шероховатостей". Рассмотрим кратко некоторые из таких проблем.
Контроль основных параметров
При разработке передающего оборудования важным вопросом является выбор контролируемых параметров. Слишком большое их количество приводит к усложнению оборудования и, как следствие, к росту его цены, снижает надежность оборудования; небольшое же число контролируемых параметров, напротив, не позволяет 
осуществлять правильную диагностику передающего устройства и отслеживать возникающие неполадки.
На основе десятилетнего опыта разработки телевизионных передатчиков и результата их эксплуатации нашими заказчиками был определен ряд параметров, необходимых для достоверного контроля над передающим телевизионным оборудованием.
Основные параметры усилителя мощности телевизионного передатчика, которые требуют контроля для осуществления качественного управления его работой, показаны в табл. 1. Аналогичные параметры, но уже для модулятора телевизионного передатчика приведены в табл. 2.
Понятно, что это далеко не полные перечни: они отражают только общие подходы к контролю работы передатчика и в каждом конкретном случае могут быть переопределены согласно техническому заданию.
При диагностике состояния передатчика существенное значение имеет не только перечень контролируемых параметров, но и способ их контроля. Значения некоторых показателей отследить сравнительно просто, поэтому контроль над такими параметрами не требует применения сложных устройств. Например, системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) в настоящее время строятся на основе специализированных микросхем, которые имеют контрольный выход детектора синхронизма. 
Выходной сигнал детектора цифровой, поэтому его легко можно использовать для отслеживания состояния системы.
Однако контроль ряда параметров телевизионных передатчиков может вызвать серьезные затруднения. Для отслеживания их значений необходимо применять дорогую аппаратуру, которая значительно усложняет конфигурацию передающего устройства и увеличивает его стоимость, хотя качество контроля при этом существенно не повышается. Подобные параметры требуют применения косвенных методов контроля.
Например, для измерения уровня выходной мощности усилителя и измерения коэффициента стоячей волны обычно используется рефлектометр. Он позволяет получать сигнал падающей и отраженной волны на выходе передатчика, который зависит от подключенного антенно-фидерного тракта. Разработка и изготовление такого рефлектометра требует больших средств, что может быть соизмеримо с ценой передатчика 10-25 Вт. Однако для качественного контроля над состоянием устройства достаточно изготовления контрольного рефлектометра, который будет показывать не истинное значение падающей и отраженной волны, а только их отклонение от номинального значения. Это позволило бы существенно уменьшить стоимость оборудования без снижения количества информации о состоянии передатчика.
Измерение некоторых параметров удобно проводить с помощью специализированных микросхем. Например, измерение температуры радиатора усилителя мощности около выходных транзисторов легко осуществляется с помощью предназначенных для этого интегральных микросхем.
Отметим, что эти микросхемы отка-либрованы производителем, они измеряют температуру с точностью до 0,5°С; показания величины температуры снимаются контроллером в виде последовательного кода.
Для измерения потребляемого тока в шину питания обычно включается шунт. По величине напряжения на сопротивлении шунта судят о величине потребляемого тока. Для измерения данного напряжения существуют также специализированные микросхемы. Возможно применение специализированных датчиков на основе эффекта Холла.
Все вышеперечисленные параметры можно контролировать как с помощью ряда приборов, действующих по отдельности, так и с применением современных контроллеров, позволяющих интегрировать все приборы в единое целое, обобщать полученные данные и на их основе осуществлять комплексное управление передатчиком.
Такой способ контроля имеет ряд преимуществ. Так, если при отказе одного из узлов будет невозможна дальнейшая работа передатчика, то на основе анализа контролируемых параметров может быть сформирован обобщенный сигнал аварии.
Если же несколько передатчиков работают в составе сложного комплекса (например, наземной станции распределения спутниковых программ) и все они имеют связь с контроллером станции, то программа управления станции отключает передатчик путем снятия возбуждения или выключения питания и по сигналу аварии включается резервный передатчик, входящий в состав комплекса.
Анализ параметров каждого передатчика комплекса, производимый управляющей программой, позволяет также посылать на пульт управления сигнал предупреждения в том случае, если один из параметров передающего устройства подходит к предельному значению (температура радиатора усилителя мощности приблизилась к критической, выходная мощность передатчика стала меньше установленного порога и т.п.).
Отметим, что программа управления комплексом может быть достаточно сложной и поэтому наиболее легко реализуема на компьютере. При работе с компьютером появляется возмож
ность использования сети Интернета, сложных алгоритмов управления, протоколирования работы комплекса и др.
Интерфейс
Важным вопросом при организации комплекса является выбор интерфейса для связи между передатчиками и компьютерами. Традиционно для этих целей используется RS-232C или RS-485.
Интерфейс RS-232C (известный также как СОМ-порт в компьютере) отличается простотой и возможностью легкого соединения управляемого устройства с компьютером или модемом. Однако низкая помехоустойчивость, обусловленная способом передачи, ограничивает длину соединительного кабеля в стандартном исполнении десятками или даже единицами метров. Одним из недостатков интерфейса RS-232C является невозможность одновременного подключения к линии управления нескольких устройств. Вот почему этот интерфейс применяется для связи устройств на небольших расстояниях — например, для тестирования, установки параметров и т.п. При этом используются обычно две линии (RxD и TxD) и скорость передачи 9600 бит/с.
Интерфейс RS-485 — наиболее известный промышленный стандарт, в котором применена двунаправленная сбалансированная линия передачи. Он поддерживает многоточечные соединения и полудуплексную связь на расстоянии до 1200 м. Для передачи и приема данных достаточно одной 
скрученной (витой) пары проводников. Единственным недостатком данного варианта является отсутствие указанного интерфейса в стандартных компьютерах. Однако эта проблема легко решается с применением стандартных плат, подключаемых к порту RS-232 компьютера, включая платы с опторазвязкой и автоматической коммутацией приемник/передатчик.
Обладая высокой помехоустойчивостью и возможностью одновременного подключения к линии множества устройств, названный интерфейс используется для объединения множества блоков в мощных передатчиках, соединения устройств на большие расстояния в полевых условиях.
Помимо выбора интерфейса, важным является и правильный выбор протокола управления. Можно использовать стандартные протоколы - например, CAN. Однако в некоторых случаях проще разработать собственный, более приспособленный к управлению телевизионным передатчиком.
Протокол управления, который применяется в передатчиках, разработанных в МТУ-СИ, обеспечивает гарантированную адресную доставку данных или команд управления для каждого устройства. С этой целью используется:
Команды управления делятся на несколько групп:
На рис. 1 приведена структурная схема управления комплексом радиопередающего оборудования. Если используется только один передатчик или их количество 
невелико (1-3 шт.), то можно применить управление передатчиками по интерфейсу RS-232. При этом компьютер должен иметь достаточное количество параллельных портов, а передатчики должны находиться на небольшом расстоянии друг от друга и от ЭВМ. Для связи устройств с интерфейсом RS-232C достаточно соединить их с компьютером, используя стандартный кабель.
Если же количество передатчиков в комплексе велико, управление ими необходимо осуществлять по интерфейсу RS-485. Для связи с компьютером устройств, использующих интерфейс RS-485, следует применять встроенный адаптер RS-232C/RS-485 или специальный блок преобразования интерфейса. Как показано в структурной схеме (см. рис. 1), для преобразования интерфейса из RS-232C в RS-485 используется выносной блок. Остальные порты компьютера можно использовать для других целей.
Отдельно следует сказать об интерфейсах датчиков. Несмотря на то что в табл. 1 и 2 приводятся в основном параметры аналоговых сигналов, эффективнее будет передавать цифровые сигналы. При этом существенно снижается уровень возможных ошибок и повышается достоверность измерений. Для этих целей традиционно используются двухпроводной интерфейс I2C, од-нопроводной 1-Wire и трехпровод-ной SPI. Не останавливаясь подробно на рассмотрении их преимуществ и недостатков отметим, что следует использовать микроконтроллер, который поддерживает все необходимые интерфейсы. В этом случае посредством замены программного обеспечения контроллера можно использовать достаточно большое количество различных устройств, работающих на основе платы контроллера.
Программа управления комплексом передатчиков
Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод, что контроль параметров комплекса передающих устройств от компьютера дает ряд преимуществ. Залогом эффективности такого управления является выбор программного обеспечения, отвечающего требованиям управления системой передающих устройств. Разработчиками телевизионной техники была создана управляющая программа, специально предназначенная для контроля над системами телевещания. Она свободно интегрируется в среду Windows 95/98/2000, имеет удобную конфигурацию и простой интерфейс, позволяя легко контролировать различные системы 
передающих устройств. Данная программа, разработанная при помощи C++Builder 5.0, уже несколько лет успешно используется заказчиками.
Программа имеет модульное построение, т.е. для управления каждым отдельно взятым устройством, входящим в систему, — будь то модулятор, усилитель мощности или один из множества передатчиков -имеется особый модуль. Подобная конфигурация представляет возможность оптимизировать программу для работы с заданным числом устройств, задавать и контролировать параметры каждого из них в отдельности, не отходя от экрана компьютера. Многооконный интерфейс позволяет в удобной для пользователя форме устанавливать все настройки системы.
В качестве примера на рис. 2 приведено окно панели задания параметров модулятора ПЧ-изображения и модулятора ПЧ-звука. Как показано на рисунке, с экрана монитора компьютера можно изменять такие параметры канала изображения модулятора, как глубина модуляции, частота несущей; также можно выбирать различные режимы работы устройства (рабочий режим, режим работы с отключенной несущей звука и т.д.). В канале звукового сопровождения можно изменить частоту 
поднесущей звука (4,5; 5; 5,5 и 6,5 МГц), установить требуемую девиацию, изменить отношение несущей изображения к несущей звукового сопровождения и т.п.
На рис. 3 изображено окно управляющей панели синтезатора частот модулятора. В синтезаторе частоты можно изменить выходную частоту, частоту опорного генератора, частоту сравнения, крутизну фазового детектора и т.д.
Важной особенностью данной программы управления является то, что основные параметры системы могут контролироваться непосредственно самим пользователем. Например, с экрана монитора можно отслеживать такой параметр состояния синтезатора частот, как наличие синхронизма в системе фазовой автоподстройки частоты. Структурная схема управляющей программы приведена на рис. 4, где видно, что главным модулем является программа контроля и управления комплексом телевизионных передатчиков, обеспечивающая обращение к каждому отдельно взятому передающему устройству. С системой передатчиков также связаны и постоянно взаимодействуют модуль управления модулятором и усилителем мощности, сведения об основных параметрах работы которых, в свою очередь, подаются на модуль общего контроля состояния системы. Программа синтезирует сведения обо всех контролируемых параметрах системы и на их основании формирует обобщающий сигнал, подаваемый на пульт управления.
Важным преимуществом указанной программы является возможность сохранения на жестком диске всех настроек и параметров устройства, что позволяет оперативно изменять, а при необходимости и восстанавливать комплекс требуемых установок. Использование жесткого диска также дает возможность вести протокол работы оборудования в течение всего времени эксплуатации. Ведение протокола работы системы позволяет заранее диагностировать возможные неполадки и своевременно принимать меры по их предотвращению, а в случае возникновения поломок это позволяет легче устанавливать причины выхода оборудования из строя.
В табл. 3 приведены контролируемые параметры устройств, которые заносятся в память компьютера.
Заключение
Итак, управление комплексами передающих устройств с помощью компьютера дает ряд важных преимуществ.
Управление передатчиками от компьютера позволяет отслеживать как работу каждого устройства в отдельности, так и состояние всего комплекса в целом. Контролирующий модуль программы получает информацию о состоянии каждого элемента системы и на ее основе синтезирует обобщенный сигнал, характеризующий общее состояние этой системы. Таким образом, в случае возникновения неполадок или при их угрозе на пульт управления подается соответственно сигнал аварии или предупреждения. Такой способ управления освобождает пользователя от необходимости постоянного контроля состояния каждого передатчика в отдельности.
В то же время ведение программой протокола работы каждого из устройств позволяет пользователю в случае возникновения неполадок легко и быстро установить истинную их причину и затем устранить неисправность.
Внедрение компьютерного управления системами передающих устройств значительно облегчает контроль их работы, повышает надежность оборудования, а следовательно, и его эффективность. Таким образом, можно сделать вывод о том, что передающие устройства, управляемые от компьютера, являются техникой будущего.
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #4, 2003
Посещений: 18531
Автор
| |||
Автор
| |||
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
