合成網(wǎng)絡(luò)建模仿真技術(shù)在廣播發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用

林晰明

（國(guó)家新聞出版廣電總局523臺(tái)，吉林　長(zhǎng)春　130000）

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合成網(wǎng)絡(luò)建模仿真技術(shù)在廣播發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用

林晰明

（國(guó)家新聞出版廣電總局523臺(tái)，吉林長(zhǎng)春130000）

摘要：廣播發(fā)射機(jī)的輸出功率大都采用功率合成技術(shù)，提高了廣播系統(tǒng)設(shè)備的可靠性，保證高質(zhì)量的安全播出，利用系統(tǒng)仿真工具對(duì)廣播發(fā)射機(jī)的合成網(wǎng)絡(luò)建模與仿真，可以高效地實(shí)現(xiàn)廣播發(fā)射系統(tǒng)的性能評(píng)估和方案論證。

關(guān)鍵詞：合成網(wǎng)絡(luò)；建模與仿真；廣播發(fā)射機(jī)

隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)的進(jìn)步，廣播越來(lái)越成為人們生活中不可或缺的媒體，電信媒體的繁雜、信號(hào)發(fā)射的相互干擾，社會(huì)發(fā)展對(duì)電磁環(huán)境要求越來(lái)越高，所以，盡量減少不必要的廣播電視信號(hào)電波的排出，減少其中的電磁污染是時(shí)代和社會(huì)對(duì)我們的要求，而另一方面，社會(huì)的發(fā)展又不斷的要求我們?nèi)ゲ粩嗉夹g(shù)更新、技術(shù)進(jìn)步，發(fā)射機(jī)性能實(shí)驗(yàn)、指標(biāo)的調(diào)整與提高又要通過(guò)不斷的實(shí)踐，數(shù)據(jù)積累才能得到科學(xué)準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)。在我們的實(shí)際工作中發(fā)射機(jī)的檢修維護(hù)和故障排除等各個(gè)環(huán)節(jié)都要求整機(jī)的開(kāi)啟，也不可避免的將無(wú)用的電信號(hào)排入到天空中。故此為了能解決這一矛盾，建立一個(gè)合成網(wǎng)絡(luò)建模仿真系統(tǒng)，應(yīng)用在科學(xué)實(shí)驗(yàn)、發(fā)射機(jī)機(jī)修維護(hù)、故障排除及元器件測(cè)量中，則能很好地解決無(wú)用電波的排出及無(wú)用電磁造成的環(huán)境污染問(wèn)題。

1　合成網(wǎng)絡(luò)建模與仿真的應(yīng)用平臺(tái)

合成網(wǎng)絡(luò)建模與仿真要借助于電路軟件平臺(tái)進(jìn)行電路仿真。電路仿真就是設(shè)計(jì)好的電路圖通過(guò)仿真軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬，模擬出實(shí)際功能，然后通過(guò)其分析改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.1應(yīng)用平臺(tái)軟件介紹

電路仿真一般分為3個(gè)級(jí)別：物理級(jí)、電路級(jí)和系統(tǒng)級(jí)。我們著重應(yīng)用的是電路級(jí)仿真。目前的電路仿真軟件有很多種，包括Protel，Multisim，Protues等。Protel的高版本Altium Designer是業(yè)界第一款也是唯一一種完整的板級(jí)設(shè)計(jì)解決方案。電路仿真軟件的主要指標(biāo)是仿真項(xiàng)目的數(shù)量以及仿真元器件的數(shù)量和精度。結(jié)合廣播發(fā)射機(jī)的實(shí)際需求和應(yīng)用元器件的數(shù)量和指標(biāo)，本文選用了PROTEL軟件實(shí)現(xiàn)合成網(wǎng)絡(luò)的建模與仿真。PROTEL仿真軟件提供了許多分析功能，包括直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅立葉分析、噪聲分析、失真度分析、參數(shù)掃描分析、傳輸函數(shù)分析、靈敏度分析、溫度掃描分析、靜態(tài)工作分析等，從基本的到極端的分析都涵蓋，同時(shí)可以將一個(gè)分析作為其他分析的一部分自動(dòng)執(zhí)行，具有交互式測(cè)量和分析功能。

1.2應(yīng)用平臺(tái)軟件的建模仿真分析功能

下面主要介紹一下應(yīng)用平臺(tái)軟件的幾個(gè)重要分析功能。

1.2.1傅立葉分析

由于需要建模仿真的電路中包含故障信息的關(guān)鍵點(diǎn)信號(hào)，這種信號(hào)通常具有周期性，所以采用傅立葉變換將時(shí)域信息變換到頻域中分析。利用時(shí)域信號(hào)和頻域信號(hào)的對(duì)稱性，利用連續(xù)信號(hào)傅立葉變換的數(shù)值計(jì)算方法給出時(shí)域和頻域信號(hào)的對(duì)比波形圖，直觀地再現(xiàn)分析過(guò)程。

1.2.2靜態(tài)工作分析

靜態(tài)分析就是直流分析，按照設(shè)計(jì)電路編輯仿真原理圖，添加適當(dāng)?shù)木哂蟹抡鎸傩缘脑骷稍O(shè)置開(kāi)路、短路、漏電阻等參數(shù)，設(shè)置仿真方式，仿真軟件會(huì)自動(dòng)將節(jié)點(diǎn)電壓，支路電流以及元件消耗能量和電源端等效電阻這些數(shù)據(jù)以列表和圖形2種方式展現(xiàn)出來(lái)，將電壓、電流、功率標(biāo)識(shí)在電路圖中。

1.2.3參數(shù)掃描分析

用戶可以設(shè)置參數(shù)變化的開(kāi)始值、結(jié)束值、增量值和掃描方式，從而控制參數(shù)的變化。將電路參數(shù)設(shè)置在一定范圍內(nèi)變化，以分析參數(shù)變化對(duì)電路性能的影響。也就是相當(dāng)于對(duì)電路進(jìn)行多次不同參數(shù)的仿真分析，能夠快速的檢驗(yàn)電路的性能，參數(shù)掃描可以有3種分析，瞬態(tài)分析、交流頻率分析和直流工作點(diǎn)分析。

1.2.4溫度掃描分析

溫度掃描分析相當(dāng)于在不同溫度下仿真電路性能，研究溫度變化對(duì)其影響，溫度掃描分析只影響合成網(wǎng)絡(luò)建模中的模型與溫度有關(guān)的元件。

1.2.5直流掃描分析

直流掃描分析是計(jì)算電路在不同的直流電源下的直流工作點(diǎn)，每次變換不同的數(shù)值對(duì)電路進(jìn)行不同的仿真，能夠快速的確定電路的直流工作點(diǎn)，直觀地顯示出直流掃描曲線。

2　廣播發(fā)射機(jī)的合成網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

廣播發(fā)射機(jī)的功率合成基本由多路傳輸線變壓器，以及多路平衡電阻，再通過(guò)阻抗變換網(wǎng)絡(luò)，使輸出阻抗達(dá)到天線阻抗的匹配要求，最后將信號(hào)送到天線完成廣播節(jié)目播出。傳輸線寬帶合成時(shí)候的功率關(guān)系與90度相移傳輸線合成時(shí)候的功率關(guān)系相同。負(fù)載上的功率與平衡電阻上的總功耗關(guān)系相同。

3　廣播發(fā)射機(jī)中的合成網(wǎng)絡(luò)建模仿真

目前我國(guó)的廣播系統(tǒng)中廣泛使用的主流發(fā)射機(jī)類型是DX系列發(fā)射機(jī)，下面就以DX系列中的DX-600發(fā)射機(jī)為例進(jìn)行仿真分析。

DX-600中波發(fā)射機(jī)主要由三部分構(gòu)成：3個(gè)200KW功放單元（PB200），發(fā)射機(jī)控制單元（TCU）、合成網(wǎng)絡(luò)控制單元（CCU）。根據(jù)圖1可以看出，3個(gè)200KW功放單元（PB200）輸出的射頻功率經(jīng)過(guò)合成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合成，然后通過(guò)阻抗變換，使輸出阻抗達(dá)到天線阻抗的匹配要求。根據(jù)圖1我們能看到3個(gè)90°相移網(wǎng)絡(luò)、主合成π網(wǎng)絡(luò)、阻抗電阻以及幾個(gè)切換開(kāi)關(guān)，共同完成了3個(gè)功放單元的阻抗變換和功率合成輸出。

圖1　DX-600中波發(fā)射機(jī)構(gòu)成

3.1建模仿真中的阻抗分析

阻抗匹配是廣播電視信號(hào)傳輸和發(fā)射中的重要環(huán)節(jié)，只有阻抗匹配才能使廣播發(fā)射機(jī)的能量得到有效的傳輸，負(fù)載獲得最大的有效功率。合成網(wǎng)絡(luò)建模仿真中的阻抗匹配特性分析是廣播發(fā)射機(jī)仿真能否真實(shí)地反映實(shí)際網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要指標(biāo)。合成網(wǎng)絡(luò)的建模仿真軟件通過(guò)輸入源阻抗和負(fù)載阻抗得到所需電路。兩端阻抗是固定的，主要用仿真軟件在兩者之間插入一個(gè)設(shè)計(jì)好的網(wǎng)絡(luò)來(lái)達(dá)到合適的阻抗匹配，仿真實(shí)現(xiàn)的方法是不斷地在仿真電路圖中增加串聯(lián)并聯(lián)元件，直到得到我們想要的阻抗。下面我們以主合成π網(wǎng)絡(luò)為例進(jìn)行具體介紹，主合成π網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗為5600，而輸出阻抗是50Ω，而設(shè)計(jì)好的π網(wǎng)絡(luò)仿真模型具有同樣的阻抗變換特性。圖2是主合成π網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗模型。

圖2　主合成π網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗模型

我們先把掃描分析頻段設(shè)置為700~850KHz，隨機(jī)選擇中波頻率為783KHz，然后通過(guò)軟件進(jìn)行仿真。

通過(guò)軟件仿真能夠取得該電路的輸入的實(shí)部、虛部和幅度曲線，通過(guò)讀取記錄數(shù)值，可以看出工作頻率為783KHz時(shí)輸入抗阻為（-12+32i）Ω。不能滿足抗阻匹配條件。

圖3　主合成π網(wǎng)絡(luò)輸出抗阻模型圖

輸出抗阻分析：之后我們調(diào)整信號(hào)源位置并且設(shè)置源阻為565Ω，如圖3所示。

采用上面相同的操作方法取得了結(jié)果抗阻曲線實(shí)部、虛部和幅度曲線并且讀取記錄數(shù)值，可以得到該網(wǎng)絡(luò)的輸出抗阻為（-10+19.8i）Ω也不滿足匹配條件。

以上進(jìn)行了輸入抗阻和輸出抗阻分析來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，但是都達(dá)不到要求，接下來(lái)通過(guò)參數(shù)掃描分析和參數(shù)調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

3.2建模仿真中的參數(shù)掃描分析和調(diào)整

在基本電路特性分析中，每個(gè)電路元器件的取值是固定的，但是在參數(shù)掃描分析中要考慮電路元器件的取值和屬性對(duì)電路特性所帶來(lái)的變化，對(duì)每次取值都進(jìn)行電路特性分析，找出最優(yōu)解決方案。在進(jìn)行阻抗參數(shù)匹配調(diào)整的時(shí)候，比較有效的方法就是以抗阻的實(shí)部和虛部作為校準(zhǔn)檢測(cè)，以抗阻的幅度曲線做調(diào)整依據(jù)，這樣就避免了實(shí)部和虛部參數(shù)間的反復(fù)調(diào)整的問(wèn)題，也節(jié)省了不必要的電路分析。

3.3參數(shù)的設(shè)置以及合成參數(shù)值的確定

首先我們將元件C1的參數(shù)掃描范圍設(shè)置在50-70nF之內(nèi)，將取樣間隔設(shè)置為5uF，通過(guò)曲線對(duì)比選擇了C1的參數(shù)值位于55-60uF之間。

仿真頻率設(shè)置在700-850KHz之間，同時(shí)將掃描范圍選取在5-70uF，間隔為1uF，對(duì)比曲線數(shù)值，我們選取的最佳數(shù)值為57uF。

根據(jù)以上的分析我們不難發(fā)現(xiàn)，廣播發(fā)射機(jī)合成網(wǎng)絡(luò)的仿真可以通過(guò)采用的合成仿真技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。按照發(fā)射機(jī)合成網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際結(jié)構(gòu)和通過(guò)采用抗阻匹配、參數(shù)掃描分析和調(diào)整方式來(lái)構(gòu)建的仿真模型，其主要由主合成π網(wǎng)絡(luò)、90°相移網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線系統(tǒng)三部分組成。

4　仿真性能分析

4.1抗阻匹配特性分析

我們?cè)趯?duì)全網(wǎng)絡(luò)分析時(shí)，在信號(hào)源處加入了與輸入抗阻相同的源內(nèi)阻，以滿足復(fù)合網(wǎng)絡(luò)匹配的要求。如圖4中的PS1，RS2，RS3，它們都是各自的信號(hào)源內(nèi)阻。

圖4　PS1，RS2，RS3

首先是對(duì)各個(gè)功放單元的輸入阻抗進(jìn)行分析。每個(gè)功放單元的輸入阻抗是相同的，以功放單元PB1阻抗為例，根據(jù)掃描的實(shí)部曲線、虛部曲線以及幅度曲線進(jìn)行取值，其抗阻值為（-84+0i）Ω減去設(shè)置的功放單元源內(nèi)阻，那么單獨(dú)一個(gè)功放單元的阻抗為42Ω，同廣播發(fā)射機(jī)的實(shí)際輸入阻抗一致。

然后是輸出抗阻分析，設(shè)置等效輸出源內(nèi)阻為50Ω，各功放單元輸入阻抗為40Ω作為網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載阻抗，如圖5所示。

圖5　輸入阻抗為40Ω作為網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載阻抗

采用相同的阻抗分析方法，可以由曲線分析中得出輸出阻抗為（-100+0i）Ω所合成網(wǎng)絡(luò)的輸出阻抗為50Ω，與發(fā)射機(jī)各功放單元實(shí)際輸出阻抗一致。

4.2頻響特性分析

頻率響應(yīng)是廣播發(fā)射機(jī)的主要電聲指標(biāo)之一，一個(gè)多級(jí)放大器的頻率響應(yīng)受組成它的各個(gè)放大電路的影響，通過(guò)仿真電路對(duì)其中的一級(jí)放大電路進(jìn)行仿真，比較其與整體放大器的關(guān)系，再使用軟件自帶的波特圖分析儀對(duì)電路的頻率響應(yīng)進(jìn)行分析，得出電路的幅頻特性。電路的上下限截止頻率都清晰的在圖中體現(xiàn)出來(lái)。

下面我們以783KHz為基準(zhǔn)工作頻率進(jìn)行頻響特性分析，其合成曲線如圖6所示。

圖6　合成曲線

根據(jù)圖6能夠看出其頻率響應(yīng)完全滿足廣播發(fā)射機(jī)的實(shí)際要求。

5　結(jié)語(yǔ)

廣播發(fā)射機(jī)合成網(wǎng)絡(luò)的建模仿真，除了上面介紹的通阻抗變換與匹配、參數(shù)掃描分析和頻率響應(yīng)分析之外，還有其他的溫度掃描分析，和交流直流分析等，通過(guò)分析和實(shí)際論證，建模仿真的阻抗匹配特性和頻率響應(yīng)特性與廣播發(fā)射機(jī)的實(shí)際功率合成網(wǎng)絡(luò)工作能達(dá)成一致，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)仿真廣播發(fā)射機(jī)合成網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)。廣播發(fā)射機(jī)合成網(wǎng)絡(luò)的建模與仿真有效地解決了電波排放污染環(huán)境與便利維護(hù)、保障安全播出之間的矛盾。

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Synthesis of Network Modeling and Simulation Technology in the Application of the Radio Transmitter

Lin Ximing
(State General Administration of Press and Publication, Radio and Television 523, Changchun130000, China)

Abstract：Broadcast transmitter output power are mostly USES the power synthesis technology， improve the reliability of the broadcasting system equipment, ensure the safety of high quality, using system simulation tools for the synthesis of broadcast transmitter network modeling and simulation, can effectively achieve the radio emission system performance evaluation and project demonstration.

Key words：network synthesis; the modeling and simulation; radio transmitter

作者簡(jiǎn)介：林晰明（1989-），女，吉林長(zhǎng)春。