1KW國標地面數(shù)字電視發(fā)射機原理

朱斌

2006年8月18日，國家標準化管理委員會正式頒布了地面數(shù)字電視傳輸標準GB20600-2006《數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制》，本標準為強制性標準，2007年8月1日正式實施。2008年國標地面數(shù)字電視（DTMB）在8個城市開通，播出標清和高清電視節(jié)目，標志著我國地面模擬電視已開始向地面數(shù)字電視過渡。按照廣電總局的統(tǒng)一部署，至2011年全國約有300多個地級市以上城市完成地面數(shù)字電視廣播覆蓋任務(wù)。

數(shù)字地面電視發(fā)射機與全固態(tài)單通道模擬電視發(fā)射機在大功率合成、供電單元、冷卻系統(tǒng)等方面基本相同，同樣采用模塊化、智能化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化等設(shè)計理念，所以數(shù)字發(fā)射機的整體可靠性與模擬發(fā)射機相當，發(fā)射機日常的維護工作量基本一樣。與模擬電視發(fā)射機不同，數(shù)字地面電視發(fā)射機的輸入信號不是通常的視頻和音頻節(jié)目信號，而是將音頻、視頻信號按MPEG2標準，經(jīng)過壓縮、編碼，并與其他數(shù)據(jù)信息復(fù)用打包后的傳輸碼流（TS流）。由于采用數(shù)字化傳輸，信號處理方式不同，在激勵器、功放、輸出濾波器等方面存在不同的要求。下面就以福建三元達公司1KW國標地面數(shù)字電視發(fā)射機為例，對1KW地面數(shù)字電視發(fā)射機原理做一個簡單的介紹。

數(shù)字電視發(fā)射機結(jié)構(gòu)

本設(shè)備為全固態(tài)風(fēng)冷發(fā)射機，整機由激勵器與切換單元、前級推放與末級功放單元、帶通濾波器、監(jiān)控單元、供電系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等六大部分組成。激勵器輸出的射頻信號,經(jīng)切換單元、前級推放、功率分配器分成四路后，再分別推動4個350W末級功放,末級功放放大輸出后，經(jīng)過功率合成器合成，再經(jīng)定向耦合器和帶通濾波器發(fā)送到天線發(fā)射播出。發(fā)射機的原理框圖如下圖1所示，發(fā)射機外形圖如下圖2所示。

發(fā)射機特點

1、性能優(yōu)良：

采用進口激勵器，具有先進的線性和非線性校正指標，以及完善的檢測控制功能。結(jié)合高線性的功放單元，確保發(fā)射機運行時各項指標由于規(guī)定的標準，保證發(fā)射機的整體性能。

2、采用模塊化機柜式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高：

采用冗余設(shè)計理念，整機自動電平控制技術(shù)（ALC），使用穩(wěn)定的大容量電源系統(tǒng)，以及完善的保護功能和預(yù)警機制，保證系統(tǒng)的可靠運行。

3、保護功能完善：

設(shè)有多種保護功能，具有缺相保護、過流、過溫、過壓、欠壓、過功率、過反射保護功能和防雷措施。

4、操作簡單、維護方便：

可靠的控制方式，全智能化監(jiān)控,控制整機的每個單元,對整機的輸出功率、反射功率、溫度以及激勵器、功放、電源工作狀態(tài)等100多個參數(shù)進行動態(tài)監(jiān)測,具有過溫、駐波比保護功能。除了用監(jiān)控單元進行智能化控制外，機器還備有應(yīng)急開關(guān)作手動操作開關(guān)機。放大器、電源、推動器和負載可在快速更換和熱切換，無需任何調(diào)諧。

5、支持GB20600-2006規(guī)定的全部工作模式，適用于MFN（多頻網(wǎng)）和SFN（單頻網(wǎng)）組網(wǎng)。

發(fā)射機工作原理

輸入的的傳輸碼流（TS 流）經(jīng)過信道編碼與調(diào)制單元，形成符合國標規(guī)定的中頻信號，然后上變頻至發(fā)射頻道射頻信號，經(jīng)前級推動功放進行放大后經(jīng)過功率分配器將射頻信號分成4路，分別經(jīng)過4路大功率功放進行最后放大后合路輸出，再經(jīng)定向耦合器耦合出入射、反射信號供監(jiān)控單元，最后通過帶通濾波器濾去帶外信號至發(fā)射天線進行發(fā)射。

發(fā)射機組成單元介紹

1、激勵器與切換單元

數(shù)字發(fā)射機和模擬發(fā)射機的最大不同之處在于激勵器。為實現(xiàn)數(shù)字化傳輸，數(shù)字電視發(fā)射機激勵器中必須包含信道編碼和信道調(diào)制功能模塊，該技術(shù)即國標GB20600-2006中規(guī)定的內(nèi)容。數(shù)字激勵器的主要功能是進行信道編碼處理和調(diào)制，前者目的是增加抗干擾能力，保證接收端進行正確接收，后者的目的用于傳輸。

數(shù)字激勵器是地面數(shù)字電視發(fā)射機的核心，數(shù)字激勵器的技術(shù)指標直接影響地面數(shù)字電視發(fā)射機性能和地面數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果。本機采用加拿大UBS公司型號為DVU5000的激勵器，主要包括多標準調(diào)制板，變頻板，還有前面板和鍵盤，電源模組，風(fēng)扇等。該激勵器性能優(yōu)異，在國內(nèi)使用廣泛。數(shù)字電視發(fā)射機的絕大部分技術(shù)指標由激勵器決定，調(diào)制誤差率（MER）、帶肩、相位噪聲和頻率穩(wěn)定度是數(shù)字電視發(fā)射機的重要技術(shù)指標，采用優(yōu)異的激勵器保證了發(fā)射機輸出有足夠高的頻率精度和頻率穩(wěn)定度、低的相位噪聲，保證了被傳輸信號具有盡可能低的誤碼率和信雜比，提高收視質(zhì)量。由于數(shù)字電視發(fā)射信號的峰均比遠高于模擬電視發(fā)射信號的峰均比，為了保證發(fā)射機的非線性失真指標，激勵器配備了一個幅度和相位非線性預(yù)校正器。該預(yù)校正器以數(shù)字方式優(yōu)化發(fā)射機性能，從而擴大額定輸出功率電平下的覆蓋范圍。該非線性預(yù)校正器還可以用作峰值限幅器來控制峰均比。此外，為保證發(fā)射機的性能，還配置了一個線性預(yù)校正器來補償合成器、濾波器等的幅度和相位非線性。激勵器前后面板見圖3、圖4。

切換器用于雙激勵器的自動切換，避免信號的中斷，保證信號的正常發(fā)射輸出。設(shè)有自動／人工切換兩種工作方式。切換方式選擇自動方式時，激勵器輸出射頻電平下降大于等于3dB時或激勵器因故障無輸出時，激勵器自動切換。切換方式選擇人工手動時，通過按觸切換開關(guān)即可選擇激勵器。切換器具有切換時間快、斷電記憶等特點。

2、前級推放與末級功放單元

由前級推放、功率分配器、末級功放、功率合成器組成。

前級推動放大器將激勵器送來的信號進行放大，以滿足末級功放對輸入電平的要求。其增益約為30dB～35dB。

功率分配器將前級推動放大器輸出的信號進行分配，分成大小相等、相位相同的四路信號，然后供給四個350W的末級功率放大器進行最后的放大。

功率放大器是數(shù)字電視發(fā)射機中的重要組成部分，決定了發(fā)射機的功率輸出能力。數(shù)字電視發(fā)射機中，OFDM信號的峰均比比較大，由于一般的功率放大器的動態(tài)范圍都是有限的，所以峰均比比較大的信號極易進入功率放大器的非線性區(qū)域，導(dǎo)致信號產(chǎn)生非線性失真，信號輸出頻譜發(fā)生變化造成了明顯的頻譜擴展干擾以及帶內(nèi)信號畸變，導(dǎo)致整個系統(tǒng)性能嚴重下降。因此數(shù)字電視發(fā)射機較模擬電視發(fā)射機，對功率放大器在線性、穩(wěn)定性、動態(tài)范圍、功放余量等方面有更高的要求。目前大多部分數(shù)字電視發(fā)射機的末級功放采用AB類線性放大器，AB類放大器的效率高，但線性較差，因此一般采用中頻預(yù)校正措施改善放大器的線性，目前大多采用前饋校正、折線校正、數(shù)字自適應(yīng)校正技術(shù)，該電路含在激勵器中，DVU5000激勵器采用數(shù)字了自適應(yīng)校正技術(shù)，極大地改善發(fā)射機性能，提高發(fā)射機效率。

本機末級功放使用新一代的LDMOS功率管，平衡放大技術(shù)、以及自適應(yīng)溫度補償技術(shù)，具有高線性、高效率、低雜散的特點。末級功放由四個功放模塊組成，每個模塊由若干高增益的LDMOS功放管組成，單模塊的最大輸出功率達350W，增益為35dB。每個功放模塊具有單獨的監(jiān)測電路，并有監(jiān)測輸出端口，把電壓、電流、輸出功率、反射功率、溫度及過溫，過激勵和駐波比過大等信號送到主機監(jiān)控單元進行顯示和保護。

功率合成器將四路350W功放輸出的同相功率合成為一路功率輸出。功率合成器的負載端接有匹配電阻。對功率合成器的要求是插入損耗小，阻抗匹配，八個輸入端口的幅度必須相同相位。因此，從350W 功放的輸出端口至功率合成器的輸入端口之間所用的連接電纜長度是相同的，不能用長度不同的電纜來連接。

3、帶通濾波器

末級功放合成輸出的射頻信號經(jīng)定向耦合器后送到帶通濾波器進行帶外信號濾除。定向耦合器是用于發(fā)射機內(nèi)部的監(jiān)測、控制和保護。

輸出濾波器決定發(fā)射機的無用發(fā)射性能。模擬電視發(fā)射機帶外非所需輻射為離散譜，對離散型的無用發(fā)射，可采用多個陷波腔來濾除。數(shù)字電視發(fā)射機帶外非所需輻射為近似連續(xù)譜，不能采用陷波器式的濾波器，必須采用帶通濾波器，并要求過渡帶盡量陡峭，阻帶要滿足特定的衰減量。帶通濾波器由六腔組成，安裝在機器頂部。其特性是兩上升沿陡峭選擇性好，帶內(nèi)的插入損耗僅0.6dB，諧波抑制≥40dB。其主要作用是對頻帶外的無用分量進行抑制，達到頻譜模板要求。

4、監(jiān)控單元

監(jiān)控單元是發(fā)射機穩(wěn)定工作的保證。通過液晶顯示屏和監(jiān)控面板按鍵（見圖5）可進行開關(guān)機以及發(fā)射機參數(shù)查詢及狀態(tài)設(shè)置等功能。監(jiān)控單元既能對整機輸出功率，反射功率進行監(jiān)測，又能對末級功率放大器的每一個350W 功放單元的輸出功率、反射功率、電流、電壓及溫度進行監(jiān)測。并可實現(xiàn)過溫保護，以及駐波比保護。備有RS485通訊接口，可實現(xiàn)遠程遙測、遙控。從提高可靠性出發(fā)，除了用監(jiān)控單元進行智能化控制外，發(fā)射機內(nèi)部還安裝有應(yīng)急開關(guān)進行手動操作開關(guān)機。

5、供電系統(tǒng)

整機三相電源是通過交流接觸器盤按照先供風(fēng)機，再供末級功放電源的次序進行分配的。圖6中，三相電源從接線端子J2 送入交流接觸器盤，分別送到交流接觸器K1 和斷相與相序保護器F1。當接線端子J2－3 接通+5V，交流接觸器K1 的線包通過F1 的5、6 腳通電，K1 吸合，三相電源，經(jīng)K1 的觸點接到接線端子J3 的8、9、10 腳給風(fēng)機供電。當接線端子J3－1接通+5V，經(jīng)K1 的13、14 送到J3－4 輸出，作智能化監(jiān)控單元開關(guān)機用。發(fā)射機開機后，監(jiān)控單元自動先開啟離心風(fēng)機，再開啟功放電源供電，延時后再開啟射頻信號，整個過程約持續(xù)30 秒鐘；關(guān)機時，監(jiān)控單元自動先關(guān)閉射頻信號，再關(guān)閉功放電源供電，延時后再關(guān)閉離心風(fēng)機，整個過程約持續(xù)30 秒鐘。

電源進線輸入端安裝有避雷器，以防止雷電通過輸電線損壞設(shè)備。斷相與相序保護器F1，在供電缺相或逆序或相序正常但相間電壓差≥13%時其保護作用，此時均不能開啟機器，避免了風(fēng)機和末級功率放大器的功放管的損壞。

末級功放供電由4 個2500W 的開關(guān)電源模塊組成。開關(guān)電源將三相交流輸入380V變換為42V直流電壓，輸出后并聯(lián)均流接入四個350W末級功放，其中一個電源模塊損壞后，不會影響其他模塊的正常工作。開關(guān)電源采用諧振軟開關(guān)新技術(shù),具有較高的可靠性和高轉(zhuǎn)換效率。具有缺相、輸入過/欠壓，輸出過流，過壓保護，過溫、短路保護功能及故障報警。電源工作和故障狀態(tài)由面板相應(yīng)的指示燈顯示。

6、冷卻系統(tǒng)

發(fā)射機采用內(nèi)置強迫風(fēng)冷散熱方式。功放單元的冷卻是通過安裝在其底部的離心風(fēng)機吹風(fēng)散熱實現(xiàn)的，從機器后門進風(fēng)口的冷空氣經(jīng)離心風(fēng)機加速后對功放模塊散熱器進行熱交換后，由機頂?shù)臒犸L(fēng)口排除熱風(fēng)。

數(shù)字電視的前景

在一個頻道8MHz的帶寬內(nèi)只能傳輸1路模擬電視標清電視信號，采用數(shù)字電視技術(shù)后可傳輸4-8套標清電視節(jié)目或者1到2個高清電視節(jié)目，而且地面數(shù)字電視廣播具有較強的抗干擾能力，可實現(xiàn)鄰頻道電視廣播，從而提高頻率資源的利用率，大幅度增加電視節(jié)目數(shù)量和明顯改善電視圖像質(zhì)量。由于地面數(shù)字電視解決了多徑接收問題，因此只要滿足接收信號電平要求，就可收聽收看到同等清晰度的廣播電視。地面電視數(shù)字化，是廣播電視技術(shù)體制的重大變革；地面數(shù)字電視將使得地面電視服務(wù)領(lǐng)域、服務(wù)方式和服務(wù)質(zhì)量產(chǎn)生革命性的變化，大大地增強了廣播電視的傳播能力和影響力，提升了廣播電視公共服務(wù)水平，更好地滿足人民群眾日益增長的精神文化需求；地面數(shù)字電視在全國的推廣應(yīng)用，必將促進廣播電視大發(fā)展大繁榮，推動廣播電視事業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展。