關(guān)于電視發(fā)射機(jī)模數(shù)過渡中功率放大器的討論

馬 波

（山東廣播電視臺(tái)，山東 濟(jì)南 250014）

1 功率放大器簡(jiǎn)介

電視發(fā)射機(jī)由模擬向數(shù)字轉(zhuǎn)換是一個(gè)大趨勢(shì)，在過渡過程中，模擬發(fā)射方式和數(shù)字發(fā)射方式將會(huì)在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)并存。由模擬發(fā)射方式向數(shù)字發(fā)射方式的轉(zhuǎn)換有兩種方式：一種方式是直接將模擬電視發(fā)射機(jī)淘汰，代之以數(shù)字電視地面廣播發(fā)射機(jī)；另一種方式是將現(xiàn)有的模擬電視發(fā)射機(jī)進(jìn)行升級(jí)改造，使之滿足數(shù)字電視地面廣播信號(hào)發(fā)射的要求。前種方式施工簡(jiǎn)單，但投資較大；后種方式實(shí)現(xiàn)起來較麻煩，但是可以節(jié)約成本。在電視發(fā)射機(jī)由模擬向數(shù)字轉(zhuǎn)換的過渡過程中，這兩種方式因其各有利弊都會(huì)得到應(yīng)用。

無論是在模擬電視發(fā)射機(jī)中還是在數(shù)字電視地面廣播發(fā)射機(jī)中，功率放大器都是重要的組成部分。它的指標(biāo)好壞是決定發(fā)射機(jī)性能優(yōu)劣的重要因素，而且其成本也是整部發(fā)射機(jī)中最高的部分。雖然模擬電視發(fā)射機(jī)與數(shù)字電視地面廣播發(fā)射機(jī)的功率放大器并無本質(zhì)上的區(qū)別，但是由于數(shù)字電視地面廣播射頻信號(hào)與模擬電視射頻信號(hào)相比有許多不同之處，因而對(duì)功率放大器提出了不同的要求。

2 數(shù)字電視地面廣播發(fā)射機(jī)對(duì)功率放大器的要求

數(shù)字電視地面廣播發(fā)射機(jī)對(duì)功率放大器的基本要求是要有較高的功率冗余量、較高的線性指標(biāo)、較寬的動(dòng)態(tài)范圍，以保證被傳輸信號(hào)具有盡可能低的誤碼率、高信雜比以及盡可能少的帶外輻射。

2.1 足夠高的功率冗余量

數(shù)字電視地面廣播發(fā)射機(jī)的額定輸出功率按平均功率計(jì)算，而模擬電視發(fā)射機(jī)的額定功率一般是指同步頂功率。數(shù)字電視地面廣播的射頻信號(hào)有很高的峰均比，因此數(shù)字電視地面廣播發(fā)射機(jī)要承受的峰值功率比平均功率大得多。數(shù)字電視地面廣播發(fā)射機(jī)的末級(jí)功放多在平均功率比峰值功率低得多的情況下工作。一般來說，一臺(tái)模擬電視發(fā)射機(jī)改造為數(shù)字電視地面廣播發(fā)射機(jī)，其額定輸出功率比原同步頂功率降低6～7 dB。

2.2 高線性

由于數(shù)字電視地面廣播射頻信號(hào)頻率成分比模擬電視射頻信號(hào)頻率成分更加復(fù)雜[1]，再者地面信道的復(fù)雜性造成的多徑傳輸容易產(chǎn)生“回聲”，這些復(fù)雜的頻率成分和“回聲”經(jīng)過非線性放大傳輸通道后就會(huì)產(chǎn)生大量的新生頻率成分，落在帶內(nèi)會(huì)造成有用信號(hào)產(chǎn)生畸變，形成碼間干擾，誤碼率增大；落在帶外則會(huì)對(duì)相鄰頻道產(chǎn)生干擾，影響鄰頻道的正常工作。所以要求發(fā)射機(jī)具有良好的線性指標(biāo)以保證有較低的誤碼率和鄰頻道干擾，從而滿足數(shù)字電視地面廣播發(fā)射的要求。放大器線性指標(biāo)的優(yōu)劣是影響發(fā)射機(jī)信號(hào)通道線性指標(biāo)的關(guān)鍵因素。其線性指標(biāo)差會(huì)產(chǎn)生互調(diào)分量，而互調(diào)分量的大小與接收誤碼率BER之間存在著內(nèi)在的對(duì)應(yīng)關(guān)系，三階互調(diào)（IMD）指標(biāo)對(duì)信號(hào)可靠接收影響較大，應(yīng)給予特別重視。此外，對(duì)源數(shù)據(jù)進(jìn)行偽隨機(jī)編碼會(huì)產(chǎn)生瞬間過沖，經(jīng)非線性通道后產(chǎn)生的三階互調(diào)分量會(huì)干擾對(duì)相鄰頻道。數(shù)字電視地面廣播發(fā)射與模擬電視無線發(fā)射相比，會(huì)因?yàn)榉糯笃鞯姆蔷€性而產(chǎn)生更明顯的三階互調(diào)分量。綜上所述，數(shù)字電視地面廣播發(fā)射機(jī)對(duì)功放線性有更嚴(yán)格的要求。

2.3 寬動(dòng)態(tài)范圍

數(shù)字電視地面廣播中無論采用單載波調(diào)制，還是采用多載波調(diào)制，其共同之處是編碼后的數(shù)字信號(hào)具有很高的峰均比。不同的編碼、調(diào)制方式和具體參數(shù)的選擇其峰均比也不相同，最高可達(dá)13 dB以上。要使放大器對(duì)于峰值電平也具有良好的線性，就必須要求發(fā)射機(jī)功率放大器有足夠?qū)挼木€性動(dòng)態(tài)范圍。

3 為適應(yīng)數(shù)字電視地面廣播信號(hào)發(fā)射采取的與功率放大器相關(guān)的措施

3.1 線性化措施

所謂線性化措施就是為了克服發(fā)射機(jī)的末級(jí)功放因工作于AB類狀態(tài)而線性較差非線性失真大的缺陷而采取的一些改善措施。這些措施一般包括以下三個(gè)方面的途徑：

1）采取功放的線性化技術(shù)，力求提高功放本身的線性放大能力，這是從功放本身的性能著手的；2）采用降低峰均比算法使數(shù)字電視地面廣播發(fā)射信號(hào)的峰均比降低，通過這種技術(shù)可使數(shù)字電視地面廣播射頻信號(hào)峰均比降低2～3 dB，這是從改變功放所承受的信號(hào)特性著手的；3）采用非線性預(yù)校正技術(shù)[2]，對(duì)功放所要放大的信號(hào)先進(jìn)行與功放線性曲線特性相反的預(yù)處理，從而抵消功放的非線性影響，這是綜合功放所處理的信號(hào)及功放本身的特點(diǎn)而采取的措施。

功放的非線性預(yù)校正根據(jù)處理的信號(hào)頻率高低不同分為基帶校正和中頻校正。根據(jù)處理的精細(xì)程度不同又分為簡(jiǎn)單折線法、多段折線法以及數(shù)字自適應(yīng)技術(shù)。其中數(shù)字基帶自適應(yīng)預(yù)失真[3]實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、靈活并可以自適應(yīng)跟蹤功放的特性變化。一般來說會(huì)同時(shí)采用基帶校正和中頻校正技術(shù)來提高校正效果。圖1說明了采用校正技術(shù)帶來的整機(jī)性能的提高。

當(dāng)然如果通過以上措施仍不能達(dá)到發(fā)射機(jī)的線性要求，還要考慮功率回退法，即功率放大器的輸出功率要適當(dāng)下降，這是以犧牲功放的功率效率為代價(jià)的。

3.2 功率放大器件的選用

電視發(fā)射機(jī)的功率放大器件常見的有電子管、速調(diào)管、感應(yīng)輸出管、半導(dǎo)體管。

電子管的線性最好，但需要高壓才能工作，不利于系統(tǒng)的可靠性。速調(diào)管線性最差，基本不適用于數(shù)字電視播出。感應(yīng)輸出管結(jié)合了電子管與速調(diào)管的優(yōu)勢(shì)，適用于大功率的數(shù)字電視發(fā)射機(jī)。美國(guó)的實(shí)驗(yàn)資料顯示，對(duì)于DTV地面數(shù)字信號(hào)發(fā)射，IOT的效率高于四極管。而半導(dǎo)體管因其工作電壓低、方便冗余設(shè)計(jì)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，得到了越來越廣泛的使用。其中橫擴(kuò)散金屬氧化物硅場(chǎng)效應(yīng)管（Lateral Diffused MOS FET，LDMOS）與雙極型半導(dǎo)體三極管相比，具有許多先進(jìn)性能，是數(shù)字電視地面廣播發(fā)射機(jī)功率放大器的首選。LDMOS管在性能上比雙極型功放管具有許多優(yōu)點(diǎn)：能承受更高的駐波比（10∶1）；具有更高的增益，典型值為13 dB；具有更好的線性曲線；可承受更大的過驅(qū)動(dòng)功率，適合于數(shù)字電視地面廣播射頻信號(hào)的放大；由于是電壓控制性器件，輸入阻抗高，所以偏置電路簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的具有正溫度系數(shù)特性的有源低阻抗偏置電路。LDMOS管的高增益特性可縮小放大模塊體積，使發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)得更加緊湊。

3.3 功率電平控制

對(duì)數(shù)字電視地面廣播發(fā)射機(jī)的功率控制方式與模擬電視發(fā)射機(jī)不同。模擬電視發(fā)射機(jī)是通過改變功率放大器的激勵(lì)水平而補(bǔ)償功放管因溫度變化或者某個(gè)或某些功放管失效等原因引起的整機(jī)功率變化，這種方法稱作大環(huán)控制。由于模擬電視發(fā)射機(jī)對(duì)功放的線性要求較低，這種方法不會(huì)對(duì)整機(jī)指標(biāo)產(chǎn)生明顯的影響。而對(duì)于數(shù)字電視地面廣播發(fā)射機(jī)，功率放大器的工作點(diǎn)則要求更加穩(wěn)定，不能隨意改變其激勵(lì)水平，否則會(huì)嚴(yán)重影響整機(jī)的線性性能，因此不能采用傳統(tǒng)意義上的大環(huán)控制，即不能用提高功率放大器的激勵(lì)水平來補(bǔ)償某個(gè)或某些功放大器損壞導(dǎo)致的整機(jī)功率下降。因此在功率控制方式上數(shù)字電視地面廣播發(fā)射機(jī)與模擬電視發(fā)射機(jī)是不同的。由于LDMOS管有很高的溫度穩(wěn)定性，不需要通過自動(dòng)功率控制回路就可保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，因此有些采用LDMOS管的電視發(fā)射機(jī)干脆采用小環(huán)控制的方式，保證激勵(lì)器有穩(wěn)定的輸出功率，從而確保在任何情況下功率放大器的激勵(lì)是穩(wěn)定的。

3.4 散熱方式

電視發(fā)射機(jī)的散熱方式主要有風(fēng)冷和水冷兩種方式。數(shù)字電視地面廣播發(fā)射機(jī)要求功放系統(tǒng)的工作點(diǎn)更加穩(wěn)定，因此對(duì)散熱系統(tǒng)的性能及可靠性提出了更高的要求。由于水冷系統(tǒng)占用體積小、噪聲低、運(yùn)行更加可靠、方便冗余設(shè)計(jì)，在數(shù)字電視地面廣播發(fā)射機(jī)中得到了越來越多的使用。

4 電視發(fā)射機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換過程的考慮

4.1 發(fā)射機(jī)功放系統(tǒng)的類型

電視發(fā)射機(jī)按功放系統(tǒng)采用的器件不同劃分，主要有采用雙向四極管（DIACRODE）的單電子管發(fā)射機(jī)、速調(diào)管發(fā)射機(jī)、感應(yīng)輸出管（IOT）發(fā)射機(jī)、全固態(tài)發(fā)射機(jī)。除速調(diào)管發(fā)射機(jī)因功放線性較差不適合于數(shù)字電視發(fā)射之外，其他類型的發(fā)射機(jī)都可改造為數(shù)字電視發(fā)射機(jī)。表1給出了采用幾種不同器件的功放的特點(diǎn)。

表1 采用幾種不同器件的功放的特點(diǎn)

4.2 電視發(fā)射機(jī)放大通道的類型

模擬電視發(fā)射機(jī)的輸入信號(hào)有視頻、音頻兩路信號(hào)，根據(jù)對(duì)這兩路信號(hào)的處理方式不同有雙通道發(fā)射機(jī)和單通道發(fā)射機(jī)之分。數(shù)字電視地面廣播發(fā)射機(jī)的輸入信號(hào)只有一路經(jīng)過壓縮、打包后形成的包含視頻、音頻及其他數(shù)據(jù)信息的傳輸數(shù)據(jù)流（TS流），只有一個(gè)傳輸通道是單通道發(fā)射機(jī)。因此單通道模擬電視發(fā)射機(jī)更適于改造為數(shù)字電視地面廣播發(fā)射機(jī)，雙通道模擬電視發(fā)射機(jī)要改造為數(shù)字電視地面廣播發(fā)射機(jī)必須進(jìn)行相應(yīng)的處理才行。當(dāng)雙通道模擬電視發(fā)射機(jī)采用的圖像功放和伴音功放完全相同時(shí)，只要將功率分配網(wǎng)絡(luò)和合成網(wǎng)絡(luò)加以更換，將所有功放模塊都組合到一起，即可變?yōu)閱瓮ǖ腊l(fā)射機(jī)用于數(shù)字電視地面廣播發(fā)射。當(dāng)雙通道模擬電視發(fā)射機(jī)采用的圖像功放和伴音功放不同時(shí)，一般是將伴音通道拆除，只保留圖像通道，從而使發(fā)射機(jī)成為單通道發(fā)射機(jī)用作數(shù)字電視地面廣播發(fā)射機(jī)，這會(huì)造成一些資源浪費(fèi)。鑒于將雙通道電視發(fā)射機(jī)改造為數(shù)字電視地面廣播發(fā)射機(jī)時(shí)需要比較大的改動(dòng)，會(huì)損失較多的資源，為日后給數(shù)字化升級(jí)改造留下較多的余地，在投資安裝模擬電視發(fā)射機(jī)時(shí)應(yīng)盡可能選擇單通道機(jī)型。

4.3 發(fā)射機(jī)功率放大器的技術(shù)含量

采用先進(jìn)的功放技術(shù)生產(chǎn)的功率放大器可根據(jù)要求提供各種參數(shù)配置，可以充分考慮到模擬運(yùn)用與數(shù)字運(yùn)用的區(qū)別，保證在數(shù)字化改造的時(shí)候功放不用做任何改變。

4.4 發(fā)射機(jī)采用的非線性預(yù)校正技術(shù)

不同的非線性預(yù)校正技術(shù)效果也不相同。簡(jiǎn)單的多點(diǎn)折線預(yù)校正技術(shù)校正量有限，只適用于單電子管發(fā)射機(jī)。數(shù)字自適應(yīng)預(yù)校正技術(shù)能夠自動(dòng)跟蹤信號(hào)，放大通道的參數(shù)變化，做出相應(yīng)的預(yù)校正，校正范圍大，更適用于全固態(tài)電視發(fā)射機(jī)。

5 結(jié)束語

功率放大器作為電視發(fā)射機(jī)的重要組成部分，在發(fā)射機(jī)數(shù)模改造中要做周密的考慮。在將模擬電視發(fā)射機(jī)改造為數(shù)字地面電視廣播發(fā)射機(jī)時(shí)，應(yīng)根據(jù)原模擬電視發(fā)射機(jī)的實(shí)際情況采取合適的方案。對(duì)于新的模擬電視發(fā)射機(jī)，應(yīng)充分考慮日后升級(jí)為數(shù)字電視地面廣播發(fā)射機(jī)時(shí)的方便性而選取合適的機(jī)型。

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[1]陳躍軍.數(shù)字電視與發(fā)射機(jī)[J].西部廣播電視，2005（8）：3-4.

[2]劉軍.全固態(tài)電視發(fā)射機(jī)射頻通道的數(shù)字化改造[J].電視技術(shù)，2004，28（2）：77-79.

[3]馬波.數(shù)字電視發(fā)射機(jī)自適應(yīng)預(yù)失真技術(shù)[J].山東電子，2003（3）：38-39.