大功率調(diào)幅廣播發(fā)射機(jī)音頻放大系統(tǒng)路徑分析

康 震

國家新聞出版廣電總局594臺(tái)，陜西咸陽 712000

1 概述

傳統(tǒng)的聲音廣播發(fā)射機(jī)一般是由射頻、音頻、控制、電源、冷卻等幾個(gè)主要部分組成。音頻系統(tǒng)主要是對(duì)需要傳送的聲音節(jié)目，即語言和音樂信號(hào)進(jìn)行加工處理，再進(jìn)行放大，輸出一個(gè)高電平的音頻信號(hào)去射頻末級(jí)實(shí)現(xiàn)調(diào)幅。

對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行加工處理主要是為了改善音頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，避免因?yàn)樾盘?hào)峰值過于尖銳引起調(diào)制失真，避免瞬間大信號(hào)引起的過調(diào)幅及過調(diào)幅引發(fā)的射頻系統(tǒng)打火等；同時(shí)提高平均調(diào)幅度，最大程度的增加邊帶功率，提高服務(wù)區(qū)接收響度，改善收聽質(zhì)量。

現(xiàn)階段的大功率調(diào)幅發(fā)射機(jī)以板極調(diào)幅為主，仍然是在射頻末級(jí)電子管板極實(shí)現(xiàn)高電平調(diào)幅，因此需要一個(gè)與載波功率數(shù)量級(jí)相匹配的音頻信號(hào)功率，所以音頻信號(hào)放大也是音頻系統(tǒng)的另一個(gè)主要作用。

2 調(diào)幅廣播發(fā)射機(jī)音頻放大系統(tǒng)路徑分析

傳統(tǒng)的乙類板調(diào)機(jī)或自動(dòng)板調(diào)機(jī)音頻放大主要是依靠逐級(jí)放大來實(shí)現(xiàn)的一個(gè)多級(jí)音頻放大器。利用限放，即限制放大器，一種放大倍數(shù)可以自動(dòng)變化的放大器，進(jìn)行音頻信號(hào)加工處理。通過低一、低二、低三、低末級(jí)和調(diào)幅變壓器、調(diào)幅阻流圈等部分來實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)放大。

脈沖寬度調(diào)制發(fā)射機(jī)（PDM）對(duì)音頻信號(hào)處理放大的過程與板調(diào)機(jī)有所不同，即實(shí)現(xiàn)板極調(diào)制所需的音頻功率，由傳統(tǒng)的一系列音頻放大改為把音頻信號(hào)變換成一系列脈寬調(diào)制的脈沖波，經(jīng)過若干級(jí)開關(guān)管放大后達(dá)到較高功率等級(jí)的電平，然后通過一個(gè)解調(diào)器把脈沖系列還原為音頻電壓，去調(diào)制射頻末級(jí)。這也是脈沖寬度調(diào)制發(fā)射機(jī)與板調(diào)機(jī)的本質(zhì)區(qū)別，是對(duì)音頻放大方式的一次重要?jiǎng)?chuàng)新和改進(jìn)。

以潘太爾串饋脈沖寬度調(diào)制電路為例，音頻信號(hào)加工處理使用音頻處理器；音頻放大使用效率較高的開關(guān)電路，分為三級(jí)，第一級(jí)為晶體管開關(guān)放大器，驅(qū)動(dòng)級(jí)為風(fēng)冷并聯(lián)YL1050四極管放大，末級(jí)采用RS2054超蒸發(fā)冷卻四極管實(shí)現(xiàn)開關(guān)放大，即低電平音頻信號(hào)對(duì)一個(gè)開關(guān)頻率為54KHZ的矩形脈沖系列進(jìn)行寬度調(diào)制，然后在高電平情況下解調(diào)出音頻信號(hào)，去射頻末級(jí)實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制。

脈沖階梯調(diào)制發(fā)射機(jī)（PSM）的特點(diǎn)是將傳統(tǒng)板調(diào)機(jī)的調(diào)幅器和主整合二為一，將主整電壓化整為零，由多組功率模塊（低壓整流電源）疊加組成。例如由26個(gè)雙功率模塊組成的電壓源，在載波狀態(tài)下，有半數(shù)的模塊閉合；在受到音頻信號(hào)調(diào)制時(shí)，根據(jù)音頻信號(hào)變化，數(shù)量不等的功率模塊串聯(lián)疊加，形成一個(gè)階梯型的輸出電壓（包含直流高壓和音頻電壓），通過低通濾波器濾除階梯紋波，去射頻末級(jí)進(jìn)行板極調(diào)幅。即PSM開關(guān)放大器輸出一個(gè)幅度調(diào)制的電壓，作為射頻末級(jí)的板極電壓，既包含音頻調(diào)制功率，也包含載波功率。

與PDM發(fā)射機(jī)相比，PSM發(fā)射機(jī)的音頻部分采用PSM開關(guān)放大器，省去了一只大功率金屬陶瓷四極管和音頻驅(qū)動(dòng)級(jí)的兩只小型電子管，全部采用晶體管電路，有效降低了能耗，節(jié)約了成本，提高了放大效率，提高了發(fā)射機(jī)整體運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，降低了故障發(fā)生率，減少了維護(hù)工作量。

目前國內(nèi)大功率短波廣播發(fā)射機(jī)主流機(jī)型中，以TSW2500型500kW發(fā)射機(jī)為例，采用PSM 技術(shù)，音頻處理及放大系統(tǒng)包括音頻處理器、PSM控制系統(tǒng)、功率模塊和低通濾波器等幾個(gè)主要部分。

PSM發(fā)射機(jī)一般均采用數(shù)字音頻處理器。對(duì)節(jié)目信號(hào)的高低頻分量進(jìn)行預(yù)加重，補(bǔ)償接收機(jī)頻響的高低頻跌落，通過調(diào)整自身的均衡網(wǎng)絡(luò)，有效的補(bǔ)償發(fā)射機(jī)和天饋線系統(tǒng)的頻率特性，自動(dòng)壓縮節(jié)目動(dòng)態(tài)范圍，自動(dòng)調(diào)整音頻電平，不失真的限制瞬間過調(diào)幅，提高平均調(diào)幅度，擴(kuò)大節(jié)目覆蓋范圍。從調(diào)幅廣播的功率關(guān)系來看，當(dāng)調(diào)幅度為100%時(shí)，攜帶音頻信號(hào)的邊帶功率僅為載波功率的一半，調(diào)幅度低于100%時(shí)，邊帶功率遠(yuǎn)不及載波功率的一半，所以提高調(diào)幅度，特別是提高平均調(diào)幅度，對(duì)于充分利用載波功率，實(shí)現(xiàn)有效覆蓋，改善收聽效果有著重要意義。

PSM控制系統(tǒng)主要包括了YCP24板、YCP16板、YCP08板、YCP14板、YCP23板、YCP17板和YCP18板。

音頻信號(hào)從衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)通過光纜（及備用音周電纜）傳送到發(fā)射機(jī)房A400機(jī)柜的光端機(jī)，經(jīng)過四選一數(shù)字音頻分配，去往發(fā)射機(jī)的數(shù)字音頻處理器，處理后的音頻信號(hào)輸出到PSM控制系統(tǒng)的音頻通路板YCP24板。

YCP24板根據(jù)發(fā)射機(jī)調(diào)諧狀態(tài)來決定是否接通音頻信號(hào)；并指示調(diào)整輸入音頻電平；將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，目前節(jié)目源信號(hào)基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化傳輸，但YCP24板依然具有數(shù)字和模擬兩種信號(hào)通路可供選擇。

YCP16板是音頻控制系統(tǒng)的核心，主要進(jìn)行系統(tǒng)控制、安全保護(hù)和數(shù)據(jù)采集等工作，保持與發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)的通訊，接受控制指令并反饋音頻系統(tǒng)的工作狀況。

YCP08板主要用于對(duì)射頻反饋信號(hào)進(jìn)行失真信號(hào)補(bǔ)償。

YCP14板主要實(shí)現(xiàn)諧波信號(hào)抑制。

YCP23板是PSM控制系統(tǒng)運(yùn)算器，主要是通過測量和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)整，功率模塊的合斷循環(huán)以保持模塊負(fù)載平衡，以及實(shí)現(xiàn)PDM補(bǔ)償運(yùn)算等功能。

YCP17板和YCP18板為光纖接口板，是接口與緩沖單元，通過光纖將模塊的關(guān)斷及閉合指令送到每一個(gè)功率模塊，并接收來自模塊的狀態(tài)信息。

音頻信號(hào)經(jīng)過音頻控制系統(tǒng)數(shù)字化處理后，通過功率模塊實(shí)現(xiàn)功率放大，音頻信號(hào)的變化通過功率模塊合斷形成的音頻調(diào)制電壓來體現(xiàn)，每個(gè)單功率模塊使用一個(gè)IGBT（絕緣門雙極晶體管）作為開關(guān)元件，配合外部電路快速的實(shí)現(xiàn)合斷；兩臺(tái)調(diào)制變壓器為各個(gè)功率模塊提供相互獨(dú)立的電源，每個(gè)雙功率模塊由調(diào)制變壓器上對(duì)應(yīng)的一組次級(jí)線圈供電。數(shù)個(gè)功率模塊串聯(lián)疊加后提供發(fā)射機(jī)板極調(diào)幅所需的載波電壓和調(diào)制電壓。

PSM發(fā)射機(jī)主要通過PDM補(bǔ)償技術(shù)和低通濾波器濾除階梯紋波來抑制和改善失真。為了獲得接近理想狀態(tài)的音頻電壓，在功率模塊輸出疊加形成的階梯型電壓（粗臺(tái)階電壓）中插入PDM脈沖來補(bǔ)償粗臺(tái)階調(diào)制形成的誤差，PDM脈沖電壓的幅度相當(dāng)于一個(gè)粗臺(tái)階電壓，脈沖寬度和瞬時(shí)誤差成比例。每個(gè)功率模塊自身產(chǎn)生PDM脈沖信號(hào)，這個(gè)PDM開關(guān)頻率經(jīng)過低通濾波器濾除，形成接近于理想狀態(tài)的無失真包絡(luò)信號(hào)去往射頻末級(jí)實(shí)現(xiàn)調(diào)幅。

低通濾波器是一個(gè)LC濾波器，由螺旋線圈和筒型陶瓷電容組成，接在調(diào)制器功率輸出之后，用來濾除PDM補(bǔ)償脈沖分量，將濾波后接近于理想狀態(tài)的音頻信號(hào)送到射頻末級(jí)電子管板極上。

3 結(jié)論

在調(diào)幅廣播階段，音頻放大技術(shù)決定著發(fā)射機(jī)的類型，影響著發(fā)射機(jī)實(shí)際運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，了解和掌握音頻放大技術(shù)的本質(zhì)和特點(diǎn)，對(duì)于理解和把握發(fā)射機(jī)運(yùn)行規(guī)律，提高維護(hù)工作水平都有著積極的現(xiàn)實(shí)意義。

[1]黃毓龍，孫慶有，李煥忠，等.廣播電視發(fā)送技術(shù).1987.