数字电视发射机主备用发射机智能切换系统及其实现方法与流程

本发明涉及的是一种数字电视领域的技术，具体是一种数字电视发射机主备用发射机智能切换系统及其实现方法。

背景技术：

随着数字电视广播在世界各国的全面展开，作为核心设备的数字电视发射机，对其稳定可靠性的要求被提升到一个相当重要的高度。各地广电运营部门，为了保证在常规发射机发生故障的时候也能维持信号广播，一般都会在发射站点预留了发射机的备用发射机。考虑到成本和风险之间的平衡，在实际应用中，最常见的莫过于有多台主发射机外加1台备用发射机，这称之为N+1发射系统，其中N为主发射机数量，1是备用发射机数量。如何对这些发射机主备用发射机系统，尤其是对于主发射机多于一台的系统(N≥2)进行有效的监测和主发射机故障后主备用发射机切换，成为了广播从业人员甚为关心的问题。

传统的监测和切换以人工为主。通过人工值守或者巡检，监视主发射机的工作状态。当遇到主发射机故障导致无法发射预定功率的时候，通过人工切换的方式，将备用发射机替代主发射机，连到发射天线上继续发射功率。这样的监测模式因为需要人工干预方式，一来很有可能无法及时发现主发射机故障；二来尤其是在条件不够理想的边远地区，值守人员到达现场的时间可能较长，人为的延长了广播信号中断的时间。再加上人工切换效率低，速度慢，并不是一个较优的策略。

后来进一步的方式是引入模拟设备对发射机进行检测。例如加装一个功率检测电路到发射机的输出，一旦检测到功率丢失，就通过继电器自行切换到备用系统，从而无需人工干预。这样的模式由于设备简单，技术相对比较成熟，在过去的一段时间内被广泛应用。但是这样的模拟检测设备具有自己先天的局限性：首先是模拟设备检测精度不高，当遇到电磁干扰，或者电压不稳，容易造成误判；还有就是简单的功率检测设备中只能判断发射机输出功率，不能对主备发射机预设优先级，这意味着当原先短暂故障的主机恢复正常功率后，当此时备用发射机仍然工作正常，它将有可能无法切换到主发射机去；最后也是最关键的一点，对于存在多于两台主发射机的N+1发射机系统(N≥2)，而两台发射机又是设定在不同的频率，播放不同的节目流的情况下，这种简单的切换机制，无法保证当其中一台主机发生了故障，备用发射机所预先设好的频率、功率，一定跟所故障的主机一样，此时会还是需要人工干预，因此模拟检测和切换设备并不适用于多主发射机系统。

技术实现要素：

本发明针对现有技术仅基于输出功率和反射功率进行简单切换判断不能覆盖发射机所有故障状况，从而当输入信号处理部分出现故障、输出信噪比或带肩性能低于标准要求时无法进行切换，从而导致接收端无法正常接收图像的缺陷，提出一种数字电视发射机主备用发射机智能切换系统及其实现方法，通过智能切换控制器监控各发射机的参数和状态，判断出有主发射机发生故障时可自动或者手动对主备用发射机进行切换，从而保证安全可靠的数字电视信号发射。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种数字电视发射机主备用发射机智能切换系统，包括：多套完全相同的数字电视发射机和与之相连的合路器、智能切换控制器、输入信号切换器、同轴切换开关以及备用负载，其中：智能切换控制器实时监测各套数字电视发射机工作状态并与预存报警门限进行比较以实现故障状态的实施监测以及备用数字电视发射机的切换，即关闭故障状态的数字电视发射机并启动备用数字电视发射机，智能切换控制器分别与输入信号切换器以及同轴切换开关相连，同轴切换开关的不同通道和管脚分别对应不同的数字电视发射机，智能切换控制器向同轴切换开关的不同管脚输出通道切换信号，从而控制同轴切换开关不同通道分别与发射塔天线或与备用负载相连。

所述的数字电视发射机中保留一套作为用于在任何一台主机故障时顶替故障机进行信号播出的备用发射机，其余若干套为用于正常信号播出的主发射机。

所述的工作状态包括但不仅限于：数字电视发射机的频率、输入信号状态(是否锁定，或者是否解调成功)、输出信号性能(带肩、信噪比等)、前向输出功率、反射功率、吸收功率、电压、电流、温度等等指标。

所述的智能切换控制器与各套数字电视发射机、输入信号切换器、同轴切换开关等各设备的控制端口建立有效连接以实现对整系统的实时状态监测和控制。连接的方式灵活，可以(但不仅限于)是以下一种或者几种方式同时使用：标准串口RS232/RS485或者网口RJ-45(主要用于智能切换控制器和数字电视发射机以及输入信号切换器之间)或者数据接口连接器(主要用于智能切换控制器和同轴切换开关之间)，等等，以确保在任何时候都能对发射系统进行有效的监控。

所述的同轴切换开关用于不同通道实现主备发射机分别连接到天线或者备用负载，每个同轴开关可以接收两台发射机的射频信号，因此N+1套发射机共需要N个同轴开关。

本发明涉及一种实现上述系统的智能切换方法，包括以下步骤：

1)正常发射的时候，所有主发射机各自接收输入信号并产生数字电视广播信号至合路器进行信号合并，并最终送往天线进行发射；智能切换控制器将实时监测主发射机的工作状态，此时备用发射机关闭且输出连接到备用负载。

2)当任一主发射机出现故障时，智能切换控制器将在监控窗口内持续检测该疑似故障机，当在窗口期内该疑似故障机的工作状态仍然超出报警门限，则智能切换控制器将判定其为故障状态发射机，并开始准备主备用发射机切换过程。

3)主备用发射机切换，具体过程如下：

3.1)智能切换控制器首先发送设置指令，关闭故障状态发射机和备用发射机的射频开关。随后发送查询指令确认故障状态发射机和备用发射机的射频开关关闭成功；

所述的智能切换控制器优选进一步输出报警信号到相关部门或者负责人员，提醒有发射机出现故障，呼唤人工干预；

3.2)智能切换控制器发送通道切换信号到同轴切换开关相应的管脚，使得对应备用发射机的通道的控制管脚对地为高电平，对应故障状态的主发射机的通道的控制管脚对地为低电平，从而同轴切换开关开始动用继电器进行切换，把备用发射机对应的通道连接到天线，故障状态发射机对应的通道连接到备用负载；切换完成后，智能切换控制器可从同轴切换开关的对应管脚查询到当前的通道连接状态，从而确认切换是否完成；

3.3)确认同轴切换开关切换完成后，智能切换控制器按照故障状态发射机的频率、功率和输入节目源对备用发射机和输入信号切换器进行设置，并通过调用预存于备用发射机内的高精度多维度线性和非线性预失真曲线，针对备用发射机特有的幅度和相位失真进行补偿，从而保证其发射信号的性能；

3.4)检测备用发射机的频率、功率、节目源设置是否已经设置成功，检测备用发射机预校正曲线是否调用完成，检测备用发射机的工作状态是否正常，待确认备用发射机设置和状态皆正常后，智能切换控制器向备用发射机发出控制指令打开备用发射机的射频开关。

出于对发射机的保护，优选让备用发射机的输出功率由零缓慢的上升到额定功率，直至到它稳定在额定功率和频率播出，从而备用发射机正式上线，完成主备用发射机切换过程。

4)在备用机被正式替代原先故障状态发射机进行广播通信后，则智能切换控制器将视备用机为更新后的主发射机之一，并对其进行实时工作状态的检测；同时提醒相关部门或者工作人员对故障状态发射机进行检测和维修，以保证有整个系统中依然有一台可随时切换使用的备机。

优选地，当任何一台主发射机被检测出有故障时，智能切换控制器依照以上的切换步骤，试图切换到待用的备机，且暂时没有可用的备机或者备机无法正常工作(如尚未维修完成)时，智能切换控制器将持续多次反复检测备用发射机和故障状态发射机，确认其中任一的工作状态是否能够在线或恢复正常，直到找到一台可以稳定工作的发射机或尝试次数到达了预设的上限为止。

所述的切换，既可以是自动切换，全部由智能切换控制器判定并执行，也可以是手动切换，用户可以通过串口、网络甚至本地操作，选择哪台数字电视发射机上线。手动切换的优先级高于自动切换；

优选可以通过智能切换控制器预设不同发射机之间的优先级。例如可以设主发射机优先级高于备用发射机，此时当主备发射机同时工作正常，智能切换控制器将优先选择优先级较高的主发射机用于广播发射或是第一主发射机的优先级高于第二主发射机，则当两台主发射机同时发生故障，但是只有一台备用发射机可供切换的情况下，将优先用备用发射机替换优先级较高的主机。

技术效果

与现有技术相比，本发明的技术效果包括：

1)可以同时支持N+1(N≥1)结构(多台主发射机加1台备用发射机)的主备用发射机进行切换；

2)可以设置N+1台发射机之间的优先级，例如可以设置主发射机优先级高于备用发射机，或者在N台主发射机之间设立它们的优先级；

3)通过智能切换控制器，对N+1系统切换时，能够做到输入信源同步自动切换、数字电视发射机频率同步自动变换，同时开启备用发射机的预失真功能以保证输出性能最优。相比来说无需人工干预，也无需为N台主发射机准备N台备用发射机(N+N模式)，极大的降低了运行和维护的成本；

4)对比起传统模拟功率计+继电器的方式，智能切换控制器不仅实时检测所有主数字电视发射机的发射功率状态，还检测主发射机的输入信号状态，输出信号性能，电压，电流和温度等重要指标，但凡发现有异常现象，确认后备用发射机立即自动切换替代故障主机，实现对发射系统的全面监控和保护；

5)主备用发射机之间切换全过程可以完全自动化，可完全脱离人工干预和计算机进行自动倒备，实现全自动、数字化、网络化控制，将人为故障和软件系统故障风险将至最低；

6)一旦备用发射机上线，智能切换控制器将对它进行实时监控；若后续上线的备用发射机被检测出有故障且在窗口期内无法恢复后，智能切换控制器会尝试切换回新的备用发射机，直到找到一台可正常运营的发射机为止。自动来回尝试的次数可由用户设置；

7)具备自动或者手动切换功能，具备远程或者本地切换功能；手动控制优先于自动控制，本地控制优先于远程控制；

8)连接方式灵活，切换系统内各主要数字设备可以通过串口或者网口或者两者同时连接，降低了依赖单一外部通信方式(如GPRS)的风险性，本地连接保证可靠性，运行和维护费用低；

9)有可供客户设置的故障监测窗口期，窗口期内当疑似故障发射机恢复正常，则窗口重新计时，主备切换暂停，以避免因为电磁干扰或者电压不稳导致误判；用户可根据需要自行设置窗口期长度，兼顾判断的可靠性和切换的快捷性；

10)具有手动本地或者远程开关任何一台发射机射频开关的功能，方便于值守人员定期维护；

11)具备本地远程报警功能，对例如通信连接失败、发射机运行状态异常等及时通知相关部门，呼吁人工干预，并能保留日志以供留档。

附图说明

图1为同轴切换开关示意图；

图中：X1是3芯针式电源插座，用于供电，X2是9芯针式控制插座，用于连接智能切换控制器，以建立同轴切换开关和智能切换控制器之间通信，J1是12伏特的继电器，K1和K2是双刀双掷微动开关；

图2为实施例应用示意图。

具体实施方式

本实施例包括：多套完全相同的数字电视发射机、智能切换控制器、输入信号切换器、同轴切换开关、备用负载以及合路器，其中：智能切换控制器实时监测各套数字电视发射机工作状态并与预存报警门限进行比较以实现故障状态的实施监测以及备用数字电视发射机的切换，即关闭故障状态的数字电视发射机并启动备用数字电视发射机，智能切换控制器分别与输入信号切换器以及同轴切换开关相连，同轴切换开关的不同通道和管脚分别对应不同的数字电视发射机，智能切换控制器向同轴切换开关的不同管脚输出通道切换信号，从而控制同轴切换开关不同通道分别与发射塔天线或与备用负载相连。

所述的智能切换控制器可以通过标准串口RS232/485与数字电视发射机和输入信号切换器进行连接，需要有标准的串口线连接各设备之间的串口；该智能切换控制器可以通过预定的串口协议，向数字电视发射机和输入信号切换器进行状态查询，并在需要操控的时候向它们发送串口设置指令。所有的查询和设置都可以通过串口协议预定回复命令，以确认设备之间通信连接正常以实现握手。

所述的智能切换控制器也可以通过标准网口RJ-45与数字电视发射机和输入信号切换器进行连接，在多于一套设备的情况下，可以通过如路由器等网络设备来完成各个设备之间的网内通信；该网络通信协议可以是基于UDP协议的串口协议，或者SNMP协议，又或者是基于HTTP的网页远程控制。由于各设备之间都是基于局域网的本地通信，是有线连接，因此相对GPRS来说速度、稳定性、安全性都能得到更好的保障。

所述的智能切换控制器通过数据接口连接器与同轴切换开关进行连接，该数据接口连接器可以是传统的D型、圆形、9芯(9pin)或25芯(25pin)。通过数据接口连接器，智能切换控制器给同轴切换开关的不同管脚(pin)发送低电平(如0伏特)或者高电平(如12伏特或者24伏特)的通道切换信号，从而控制同轴切换开关不同通道(对应不同发射机)分别接天线或者是备用负载。同时同轴切换开关也可以把通道连接的状态，通过不同管脚(pin)的连通(闭合)或者断开(常开)的状态，反馈回智能切换控制器，从而智能切换控制器可以确认所传输的命令是否收到，以及当前的执行状态是否和命令一致以实现握手。

所述的实施监测是指：智能切换控制器将各套数字电视发射机工作状态与预存报警门限相对比，当任何一台主发射机的重要指标超过预设的报警门限或者不符合要求，例如，输出的前向功率低于预设的最低前向功率，或者是输入信号处理模块无法有效解调或者锁定输入的信号源，又或者是输出的带肩和信噪比性能差于预设门限，那么智能切换控制器先在监控窗口下进一步监测发射机的工作状态，当在整个窗口期内该故障依然存在，那么智能切换控制器将确认此发射机为故障状态发射机，并开始备用发射机的切换。

所述的监控窗口的时间长度可通过智能切换控制器预设，默认为30秒。

所述的备用发射机的切换具体包括：智能切换控制器先关闭备用发射机射频输出，然后输出控制信号到相应的同轴切换开关，使得故障的主发射机的输出连到备用负载，备用发射机的输出连到了合路器并最终连到天线，或直接连到天线；待同轴切换开关切换完成后，先控制输入信号切换器把故障发射机的信号源切换到备用发射机的输入，再输出控制信号到备用发射机使得它的运行参数设置成跟故障的主发射机完全一致；最后一切就绪后再打开备用发射机的射频输出，直至该射频输出稳定在于故障状态下的发射机一致的额定功率和特定频率播出，从而完成主备用发射机切换过程。

所述的数字电视发射机，每套均可以包括但不限于：数字电视激励器和数字电视发射机，数字电视激励器包括：输入信号处理模块、数字电视调制模块、射频模块和预放大模块，数字电视发射机包括：射频放大系统、馈电系统和控制系统。

所述的输入信号处理模块接收一种或者多种输入信号(包括但不仅限于)：数字电视射频信号(RF信号)，或者是来自卫星的输入信号(DVB-S)，或者是符合MPEG格式的传输串流(Transport Stream，TS)信号，输入信号处理模块直接接收来自BNC端口的标准TS信号，或者将收到的RF信号或者DVB-S信号或者TSoIP信号先转化为标准的TS信号，然后按照预设的优先级，对信号进行选择，并进一步进行同步、打匀、PCR校正等数字信号处理，最后送到数字电视调制模块，数字电视调制模块将TS信号调制为符合预设数字电视地面标准的一种数字电视基带调制信号(包括但不仅限于以下标准DTMB，CMMB，ATSC，ISDB-T/Tb，DVB-T/T2/H，等等)，然后送到射频模块，射频模块通过上变频的方式将数字电视基带调制信号转换成为数字电视射频信号，经过预放大模块，放大后输出到数字电视发射机。

所述的传输串流信号可以是来自标准的BNC端口，或者是来自IP端口(TSoIP)。

所述的上变频的方式可以是一次变频，两次变频或者零中频。

所述的馈电系统用于向射频放大系统以及控制系统进行供电，控制系统通过远程控制端口跟智能切换控制器连接，智能切换控制器通过远程控制端口一方面实时读取数字电视发射机参数和运行状态，另一方面在需要进行管理和控制的时候给数字电视发射机发送相应的控制指令。

所述的射频放大系统包括：依次连接的前级放大器、末级放大器，其中：前级放大器与数字电视激励器的输出相连接，末级放大器输出信号连接射频同轴切换开关发并最终送至发射天线。

所述的控制系统包括：发射机的本地控制，例如前面板的按键和LED指示灯，以及远程控制，例如标准串口RS232/RS485，网卡RJ-45和数据接口连接器。

以上所述的任何一种连接方式，一旦出现通信失败或者连接丢失，智能切换控制器将保留当前设置的参数继续运行，并且发送通信失败报警，呼吁人工干预排查通信故障，不会因为通信失败而导致系统崩溃。同时智能切换控制器会持续向各连接设备发送通信连接以重新建立连接，因而能够极大限度的将连接失败导致的系统故障风险降到最低。

本实施例以一个控制电压为12伏特的同轴切换开关为例，阐述对两台机器(1+1)是如何实现主备用发射机切换的。如图1所示，当智能切换控制器需要主发射机连天线，备用发射机连负载的时候，它将通过连接到同轴切换开关的9芯针式控制插座X2，往X2的管脚2送12伏特(从而管脚1和管脚2之间电压为12伏特)。此时继电器J1开始工作，使得主发射机通道接天线，备用发射机通道接备用负载，切换完成后，双刀双掷开关K1的1-2，4-5触电闭合，其余状态常开，D1指示灯亮(表示主机接天线)，D2指示灯灭，同时X2的4和5，4和8之间为连通(闭合)，相当于给智能切换控制器回传状态，确认主发射机切换到天线完成。当智能切换控制器希望切换主发射机到备用负载，备用发射机到天线，则往X2的管脚3送12伏特电压(从而管脚1和管脚2之间电压为12伏特)，此时继电器J1开始工作，使得备用发射机通道接天线，主发射机通道接备用负载，切换完成后，双刀双掷开关K2的1-2，4-5触电闭合，其余状态常开，D2指示灯亮(表示备用发射机接天线)，D1指示灯灭，同时X2的4和6，4和7之间为连通(闭合)，相当于给智能切换控制器回传状态，确认备用发射机切换到天线完成。

所述的输入信号切换器用于管理并选择各主发射机的输入信号，其接收各主发射机的输入信号并输出故障主发射机的输入信号，将连接到备用发射机以实现故障机和备用发射机输入界面源完全一致。该输入信号切换器与智能切换控制器通过串口或者网口连接并受其控制，当有任何一台主发射机被确认为故障状态发射机，并需要切换到备用发射机的时候，智能切换控制器将通过串口或者网口给它发送控制指令，从诸多输入信号中选择该故障状态发射机的输入信号并输出到备用发射机的信号输入端口，从而保证备用发射机有跟故障的主发射机完全一样的节目源，保障广播服务的继续进行。

所述的控制信号，包括：查询信号和设置信号，其中：查询信号包括(但不仅限于)查询当前数字电视发射机或者输入信号切换器的当前状态；设置信号包括(但不仅限于)开启或关闭发射机的射频输出，设置发射机的输出频率，调整发射机的输出额定功率，调取发射机预存的预校正曲线，设置发射机输入信号选择，设置输入信号切换器的信号选择等等；

所述的从智能切换控制器到同轴切换开关的控制信号，包括查询信号和设置信号。其中查询信号是通过读取同轴切换开关的数据接口连接器(如9芯针型控制插座)的特定管脚(如4-5，4-6，4-7，4-8等等)之间的闭合或者常开的状态，从而判断当前同轴切换开关各通道连接状态(哪台发射机对应的通道连接到天线，哪台发射机对应的通道连接到备用负载)。其中的设置信号指的是智能切换控制器发送高电平或者低电平的切换控制电压到同轴切换开关的特定管脚(例如管脚1对应主发射机，管脚2对应备用发射机)，从而实现控制同轴切换开关进行切换。

如图2所示，以一个2+1(N＝2)主备发射机系统为例。该系统包括：两套主发射机1、2外加一套备用发射机3、两个同轴切换开关4、5、智能切换控制器6、输入信号切换器7、一个备用负载8以及一个复用器9，各设备之间通过路由器11实现网络连接。正常运行时：第一主发射机1接收通过ASI端口进来的第一串流信号TS1，第二主发射机2接收通过ASI端口进来的第二串流信号TS2，两者的输出经过同轴切换开关，连接到复用器后，最终通过发射塔8的天线实现广播。备用发射机3接到同轴切换开关后连到备用负载。智能切换控制器通过网络始终监测两台主发射机的输出，当第一主发射机1出现故障，则通过发送切换控制电压到第一主发射机1对应的同轴切换开关，切换备用发射机通道到复用器，并最终与另一台第二主发射机2一起输出到天线以发射，第一主发射机1(故障机)输出到备用负载。

上述系统中优选设有用于辅助的监控计算机10，用户可通过该监控计算机打开网页或者串口运行软件，对整个系统进行状态检测和手动控制。但是整个系统完全可以脱离监控计算机，依靠智能切换控制器进行独立监控和操纵，极大的提高了系统的可靠性。

例如图2所述的2+1(N＝2)主备发射机系统中，如果第一主发射机的前向输出功率和反射功率皆正常，即其视频放大系统工作正常，但当其数字电视激励器的输入信号处理模块发生故障，无法锁定所收到的TS信号，结果导致数字电视激励器输出由随机序列填充的空包所形成的假频谱射频信号。这样的假频谱射频信号广播后是没法让接收机正常接收图像。根据现有技术，这样的故障并没有触发主备机自动切换，因为现有技术仅仅检测前向功率和反射功率，无法识别这样的故障类型，因此故障的主发射机会持续的发射假频谱直到维护人员定期巡检，又或者终端客户投诉才会被发现，而且需要手动操作才能完成主备机切换。

类似的，如果其中一台主发射机如第一主发射机的前向输出功率和反射功率仍在合理范围内，但是因为环境温度或者馈线系统的阻抗匹配发生了变化，原先对该主发射机相位和幅度失真进行的预校正补偿已经不能再很好的保证其视频性能，如标准要求带肩不得低于36分贝，信噪比不能低于32分贝。结果该故障发射机带肩只有28分贝，信噪比只有16分贝的话，那么此时主发射机以正常输出功率向外发射信号的话，不仅有可能导致终端接收机无法完成新到解调从而无法正常接收图像，其发射信号本身也会是对同频道的其余发射机的一种干扰，这一点在单频网组网的模式下影响尤为明显。而这种故障，也是无法被现有的发明的有限的检测手段所所识别的。

相比现有技术，本发明则能够全面检测发射机运行，面对各种故障情况，及时有效的自动完成主备机切换，优势明显。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。