摘要 本文以当前我单位大量配置使用的10kw DAM全固态中波广播发射机为例,介绍了DAM全固态中波广播发射机的技术原理、组成关键技术以及相关的新技术动态。
关键词 中波广播;DAM;数字调制;A/D转换;功率合成
中图分类号 G222.2文献标识码 A文章编号 1674-6708(2010)16-0076-02
0 引言
中波广播是一种以地面波的绕射传播为主、电离层的反射波传输为辅的区域广播方式,中波广播信号较为稳定,而且解调简单容易实现,接收机的成本低,便于普及和运用。
20世纪20年代出现了真空电子管为核心的中波广播发射机,并经历了从栅极调制、帘栅极调制、板级调制的发展变化,从调制方法上讲,各种真空电子管的中波广播发射机的工作方式均属于模拟调制,真空电子管发射机无法避免存在着难以克服的各种线型和非线性失真、自激振荡、整机效率低,以及电子管寿命短、运行维护成本高等缺陷。70年代出现了脉宽调制技术,中波广播发射机的各项技术指标得到很大的提高,目前仍为很多台站使用。
90年代后,DAM(Digital Analog Modulate)数字调制方式的全固态发射机开始迅速普及,中波广播播出系统中发射设备的音频处理和调制方式发生了深刻变化,从模拟调制向数字调制的转变使整机效率、电声指标、整机稳定性和可靠性等方面都有较大进步,全固态中波广播发射机具有效率高、音质美、运行与维护成本低、工作稳定可靠等众多优点。
1 DAM的工作原理
普遍来讲,DAM中波广播发射机由4大系统组成,分别是:音频处理、射频功率、监测控制、电源供电,如图1所示。
1.1 音频处理
广播节目源是模拟音频信号,音频处理完成模拟音频信号的模数(A/D)转换,即音频信号转换为数字信号,经调制编码器编码后输出数字编码,再去控制射频功放产生“数字幅度调制”。音频处理包含模拟输入、A/D转换、调制编码等功能模块。
1.2 射频功率
射频功率部分主要完成数字幅度调制、功率合成输出的功能,主要由振荡器、射频放大器、功率合成器、带通滤波器及阻抗匹配网络组成。振荡器产生射频载波信号,并经过缓冲放大器、预推动、推动等环节将载波信号放大到一个足够高的水平,然后去推动功放。在功放将射频信号放大,经射频功率合成器合成后,送到带通滤波器,滤除经D/A转换后的量化成分,同时将输出阻抗匹配至50Ω后输出。
1.3 监测控制
控制部分由控制、显示、对外接口和开关仪表等部分组成,主要完成对设备的操作控制和设备状态的指示和故障报警。
1.4 电源供电
电源供电主要由两个变压器组成,一个变压器提供高压,供射频放大和功率合成使用,另一个提供低压电源,供其它功能模块使用。
2 DAM的关键技术
数字调幅中波广播发射机的幅度调制是通过开通一定数量的功率放大模块并叠加合成电压来实现的,即在每一时刻必须产生该瞬时音频调制信号所对应的射频输出电压。所以数字调幅又称作量化的幅度调制,它融幅度调制与数字处理于一体。
完成数字调幅的4个关键步骤是:A/D模数转换、调制编码、功率合成、滤波输出。
模拟音频信号经A/D模数转换等数字处理后,变成12Bit(比特)的数字序列,并对它们进行编码,调制编码输出的数字已编码信号来控制各个射频功率放大模块的接通和关闭。
以10kW发射机为例,功率合成部分共使用了52块射频放大模块(RF)。其中1块用于前置放大,3块用于射频推动,其余48块用于射频功率放大。每射频放大模块由4只IRFP350场效应管组成D类桥式开关放大器。前置放大器输出的方波信号经分配器后得到6路正弦波的射频信号作为射频推动级的输入信号。射频推动级包括3块RF放大器模块,它们分别将前置放大器经射频分配器分配后的6路射频信号放大后,在推动合成器上进行功率合成输出。
52块RF功率放大板是完全相同的,其中用作前置推动级和推动放大级的四块功率放大器插在推动合成器母板中。其余的48块RF功率放大板则分别插在1块二进制射频功率合成母板Ⅰ和2块射频功率合成母板Ⅱ中。所有功率放大板的结构和电参数是一样的,可全部互换,每块功率放大板可用于上述应用的任一位置。
射频功率放大器中的48路RF放大器模块的输出信号是在功率合成器上进行电压合成的,它是一个射频功率合成变压器,其初级线圈就是各块功率放大器的输出线圈,次级是用一根铜棒穿过各块功率放大器输出线圈的磁芯来耦合输出,负载阻抗为4Ω。
带通滤波网络的作用是滤波和阻抗匹配。滤除音频通带外的不需要频谱成份,主要是A/D转换的取样频率及其各种组合频率成份,而将具有量化台阶的射频功率调幅信号光滑处理成典型的调幅信号,以最后完成射频功率数模(D/A)转换,形成条幅包络信号。与此同时,将射频功率合成器低输出阻抗转换成输出检测点所需的50Ω纯阻并输出。
输出网络用于发射机和天线网络系统匹配。它有“调谐”和“负载”两个调整线圈来完成匹配,同时来衰减谐波。
3 新技术动态
3.1 循环调制技术
采用循环调制技术,使射频部分的功放单元轮流等几率工作,从而均匀分配功放单元热负荷,提高了功放单元特别是功放管的使用寿命。
在循环调制工作方式下还具备了功放单元故障自动检测、自动退出及自动替补等功能,以确保当功放单元出现故障时,可自动将其检测出来,同时把有故障的功放单元自动退出运行,将处于高正峰调制时才能用到的功放单元自动补上,保证发射机在有个别功放单元故障时,输出功率、调幅度和3大指标不变。
3.2 浮动载波技术
采用浮动载波技术,解决调幅广播发射机在覆盖场强和收听效果不受影响的情况下,大幅度降低发射机电能消耗的问题,因而有显著的社会效益和经济效益。
因数字循环调制发射机的输出功率和调制度的大小决定于调制级的“音频+直流”参数,其中直流的大小决定输出载波功率的大小。当载波电平小时,调幅度大,会出现负峰平头,可以通过“负峰检测器”所输出的电平来控制载波功率的大小。
浮动载波技术在保证边带功率不变的情况下,随调幅度的增加则载波功率也线性的增加。由于在设定的予置载波内经常会出现高调幅度,也就是比非浮动载波时边带功率要大,这样即保证了接收机的响度、减小了对收听不起作用的载波功率的浪费,又保证了较大调制度时正常载波边带功率,所以采用浮动载波技术可以大量节能。
3.3 直接数字频率合成(DDS) 技术
为达到中波发射机输出频率稳定度和准确度的严格要求和方便地更换频率的需要,频率合成技术在全固态中波机中得到了广泛的应用。
直接数字频率合成是利用一块温补晶体振荡器作为基准频率,输出的高精度频率信号经倍频电路进行倍频,倍频后的信号由DDS电路作为直接数字合成的频率输入信号,通过外置拨码开关选择需要的频率数,并发送该频率数的频率控制字送给DDS电路,DDS电路通过送来的频率控制字产生所需要的频率。
3.4 数字音频接口(AES/EBU)
数字AES/EBU音频接口,是实现DRM(Digital Radio Mondiale)数字音频广播必备的音频接口,是DAM发射机为承担起传统和数字的双重音频广播功用设计的,并尊旬2007年实施的“中华人民共和国广播电影电视行业标准”(GY/T225-2007)的技术要求。它与模拟音频接口相互切换作为机器的音频输入接口,与数字频率合成(DDS)相结合,以实现数字音频广播。
3.5 FPGA技术
FPGA(Field Programmable Gate Array)现场可编程门阵列是当前较先进的复杂数字逻辑实现技术,由可编程FPGA芯片和VHDL语言平台构成。采用FPGA技术对发射机的调制编码部分进改造,并涉及到编码板、功率合成母版、功放板等部位。
FPGA 实现的发射机数字调制技术,是以先进的数字逻辑生成技术为基础的数字调制方式,解决了早先使用ROM芯片存在的不足,克服了门电路复杂的缺点,既降低了设备成本,也提高了系统稳定性、可靠性和易维护性。
4 微机智能控制技术
先进的工业单片处理器为核心的智能控制技术运用在发射机的控制、显示、报警功能中,实现了智能控制逻辑,以代替老式发射机中较为复杂的控制电路,同时采用无触点的LCD触摸系统替代指针电表指示和开关,实现发射机的智能化检测、控制、诊断、记忆等控制保护功能,人机界面对话、界面状态显示等更友好、便捷,能迅速在LCD触摸屏上快速操作控制并观察机器的全部各种主要数据及运行状态。
5 结论
随着数字时代的到来,广播技术也有了迅速发展,组成中波广播发射机的元器件经历了电子管、晶体管、集成电路和MOS场效应管等,调制方式完成了由模拟调制到数字方式调制转变,在控制方面,实现了由机械方式的继电器到电子无触点数字逻辑和智能微处理器的转变。一系列技术进步,使中波广播发射机更加高效、先进。近几年,随着数字广播(DRM)技术的发展成熟,DAM全固态中波广播发射机将在各项新技术的推动下,继续发挥更长效地生命力,为广播事业建设发挥更大的作用。
参考文献
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