淺析PSM短波發(fā)射機(jī)數(shù)字調(diào)制器綜合算法板

蔚長征

摘要：本文簡單介紹應(yīng)用DMR2000數(shù)字調(diào)制器對TBH-522型PSM150KW短波發(fā)射機(jī)調(diào)制控制器的升級(jí)改造，主要介紹DMR2000數(shù)字調(diào)制器中的綜合算法板。對綜合算法板中的音頻采樣率、基帶調(diào)制、功率控制功能和工頻噪聲補(bǔ)償?shù)裙δ苓M(jìn)行簡單介紹，重點(diǎn)分析分段式數(shù)字預(yù)失真處理技術(shù)和△—PWM技術(shù)。簡單說明操作和維護(hù)方法。

關(guān)鍵詞：調(diào)制器 綜合算法 發(fā)射機(jī)

中圖分類號(hào)：TN838 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）12-0135-02

1 調(diào)制控制器的升級(jí)改造的意義

TBH-522型150KW短波發(fā)射機(jī)低周采用的是脈沖階梯調(diào)制（PSM），是上世紀(jì)80年代開發(fā)的調(diào)制技術(shù)，在世界范圍內(nèi)的到廣泛應(yīng)用，使發(fā)射機(jī)的效率和可靠性的到了提高。PSM調(diào)制器主要由“階梯放大器”和“調(diào)制控制器”兩部分組成。是把階梯電壓的直流分量轉(zhuǎn)化為高頻載波功率，音頻分量轉(zhuǎn)化為高頻邊帶功率，將主整和調(diào)幅器合二為一，提供階梯電壓的裝置。數(shù)字調(diào)制器的使用使PSM調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，改善了發(fā)射機(jī)電聲指標(biāo)，提高了我臺(tái)發(fā)射機(jī)廣播覆蓋及實(shí)驗(yàn)任務(wù)的發(fā)射效果，滿足了優(yōu)質(zhì)播出的要求。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

DMR2000數(shù)字調(diào)制控制器主要由：電源板、控制接口板、音頻轉(zhuǎn)換板、綜合算法板、調(diào)制接口板、光發(fā)光收板。數(shù)字調(diào)制控制器主從（MAST-SLAVE）式異步并線結(jié)構(gòu)，MAST端由綜合算法板上的DSP控制，其他板卡處于總線的SLAVE端。

綜合算法板作為數(shù)字調(diào)制器的核心處理單元，可用于調(diào)節(jié)發(fā)射機(jī)電聲指標(biāo)和簾柵的起步電壓及簾柵電壓的放大倍數(shù)，設(shè)置浮動(dòng)載波以及音頻加功率輸入幅度和簾柵模塊正常工作指示。

3 綜合算法板的面板功能（見圖1）

UART與電腦端連接，用于調(diào)節(jié)信噪比、失真、頻響指示的補(bǔ)償參數(shù)，讀取模塊狀態(tài)等。

C1、C2、C3為機(jī)械編碼器，C1是調(diào)節(jié)簾柵的起步電壓，C2簾柵電壓，C3是設(shè)置浮動(dòng)載波（C1、C2必須在發(fā)射機(jī)未加高壓的情況下調(diào)節(jié)）。

A1指示燈FPGA程序加載完畢。

A2-A8指示燈為音頻加功率輸入幅度指示，隨著音頻幅度以及功率增加指示燈由A8開始向上逐一亮起。（A10、A11，B10、B11，B1-B8暫未使用）。

A12、A13為兩個(gè)簾柵模塊工作正常指示（兩個(gè)綠燈亮為工作正常），B12、B13為兩個(gè)簾柵模塊故障指示（紅燈亮為簾柵模塊故障）。

AUDIO為PSM音頻信號(hào)輸入、STEP為PSM階梯信號(hào)輸出。

4 綜合算法板的功能（見圖2）

綜合算法板主要包括音頻采樣率轉(zhuǎn)換、音頻信號(hào)的基帶調(diào)制、△—PWM、功率控制、自動(dòng)增益控制、簾柵控制、指標(biāo)補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/p>

4.1 音頻采樣率轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)利用ADSP—21369系統(tǒng)內(nèi)部集成的兩個(gè)異步采樣率轉(zhuǎn)換器，將PSM調(diào)制器量化噪聲能量調(diào)制到PSM解調(diào)器通頻帶外，取得較高的音頻信號(hào)采樣率。對外部解碼設(shè)備的PCM音頻信號(hào)進(jìn)行采樣率轉(zhuǎn)換，將采樣率統(tǒng)一到同一頻率送DSP處理。DSP根據(jù)固定的碼率進(jìn)行基帶調(diào)制計(jì)算。

4.2 數(shù)字預(yù)失真的處理

發(fā)射機(jī)低周系統(tǒng)的信號(hào)失真隨著頻率的升高，失真嚴(yán)重，正負(fù)峰不對稱。調(diào)制器改造前，抑制輸出失真的采用了兩個(gè)辦法：

（1）對簾柵電源兩個(gè)功率模塊采用了PDM脈沖的控制方式，改善失真。（2）在音頻通路板中加入70KHZ的三角波信號(hào)，使得輸入音頻信號(hào)頻率的升高，形成PDM的補(bǔ)償脈沖也相應(yīng)增加，音頻信號(hào)無論頻率高低，失真保持不變。

數(shù)字調(diào)制器采用分段式數(shù)字預(yù)失真補(bǔ)償?shù)姆椒▉砀纳瓢l(fā)射機(jī)輸出失真，數(shù)字預(yù)失真處理系統(tǒng)可以有效改善發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的非線性失真，并且優(yōu)于模擬系統(tǒng)。但是局限性是只是針對低周系統(tǒng)所做的預(yù)失真補(bǔ)償，不能校正高末級(jí)處于一定程度的失諧時(shí)，所產(chǎn)生的諧波失真。

4.3 音頻信號(hào)的基帶調(diào)制

基帶調(diào)制主要完成AM預(yù)調(diào)制和浮動(dòng)載波控制。

（1）AM預(yù)調(diào)制：進(jìn)行固定載波的AM預(yù)調(diào)制，在音頻信號(hào)上疊加直流分量。得到信號(hào)表達(dá)式：

X[i]=A（1+mx（i））

其中A是調(diào)制信號(hào)的幅度，X（i）是音頻信號(hào)，m是調(diào)幅度。當(dāng)AM預(yù)調(diào)制信號(hào)X[i]經(jīng)階梯放大后送往調(diào)制級(jí)后，被高末級(jí)電子管整體調(diào)制載頻上去，直流分量即成為載波分量，音頻分量即成為包絡(luò)信號(hào)，這里叫AM預(yù)調(diào)制。

（2）浮動(dòng)載波控制仍沿用PSM調(diào)制器的控制方法，輸出載波電平根據(jù)調(diào)幅度的大小作上下波動(dòng)，地調(diào)幅輸出電壓較小，高調(diào)幅輸出電壓大。浮動(dòng)載波的功能是在不影響收聽效果的前提下節(jié)約電能。

4.4 △—PWM調(diào)制

“△—PWM調(diào)制”技術(shù)是△-∑（Sigma Delta）調(diào)制技術(shù)與PWM（Pulse Width Modulation）調(diào)制技術(shù)的結(jié)合。

△-PWM調(diào)制算法，設(shè)計(jì)思路來源于多比特△-∑調(diào)制器的結(jié)構(gòu)，根據(jù)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)（輸出信號(hào)指的是算法對階梯放大器實(shí)際輸出信號(hào)的模擬）之間的誤差進(jìn)行單比特的PWM調(diào)制。

利用了△-∑調(diào)制反饋思想和PWM調(diào)制的簡單性和穩(wěn)定性。既解決了多比特△-∑調(diào)制器系統(tǒng)不穩(wěn)定問題，又對階梯放大器的非思想特性進(jìn)行“階梯修正技術(shù)”，在很大程度上抑制了PSM發(fā)射機(jī)固有的循環(huán)噪聲。

利用“過抽樣”和“噪聲整形”技術(shù)將階梯放大器的量化噪聲調(diào)制到音頻帶外高頻端，以利用解調(diào)濾波器加以濾除。

利用數(shù)字積分器的環(huán)路反饋的修正效果，來改善階梯放大器的非理想特性。

4.5 功率控制

包括功率模式選擇，功率升降控制、削波處理、及功率封鎖。發(fā)射機(jī)功率模塊已全部采用數(shù)字模塊，可對發(fā)射機(jī)輸出功率大小進(jìn)行控制，在發(fā)射機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到低功率工作狀態(tài)，直至封鎖全部輸出功率。 當(dāng)功率模塊不工作達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，可以自動(dòng)降低輸出功率寄存器的功率值來保證輸出波形出現(xiàn)切頂失真。

4.6 自動(dòng)增益控制

調(diào)制器電壓和簾柵電壓的輸出都根據(jù)功率實(shí)測的輸出電壓進(jìn)行增益控制。 解決機(jī)房供電輸出電壓隨著發(fā)射機(jī)的運(yùn)行數(shù)量的變化，產(chǎn)生較大波動(dòng)的問題。保護(hù)了電子管、真空電容等大型真空器件，保證了發(fā)射機(jī)輸出功率穩(wěn)定。

4.7 簾柵控制

高末簾柵級(jí)電壓隨著功率的變化而變化，音頻信號(hào)的低頻分量參與了簾柵統(tǒng)調(diào)，以降低發(fā)射機(jī)的低頻失真。

4.8 指標(biāo)補(bǔ)償

（1）循環(huán)噪聲：由輸入與輸出之間的誤差信號(hào)來驅(qū)動(dòng)調(diào)制器功率模塊的開關(guān)，最終使調(diào)制器的輸出與輸入信號(hào)達(dá)到最小的誤差。使用信號(hào)差分器計(jì)算輸入信號(hào)與 PSM 調(diào)制器輸出信號(hào)之間的誤差； PSM合成器根據(jù)目前功率模塊的使用情況來估計(jì)PSM 調(diào)制器的輸出。模塊電壓查找表存儲(chǔ)歸一化的功率模塊輸出電壓；模塊地址管理器：模塊的循環(huán)使用，動(dòng)態(tài)的實(shí)現(xiàn)功率模地址的插入和刪除以及功率模塊電壓的刷新；PDM調(diào)制器根據(jù)誤差信號(hào)生成功率模塊開關(guān)控制信號(hào)。

（2）電源工頻噪聲的補(bǔ)償：進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償可抵消功率模塊輸出含300HZ及諧波成分；交流燈絲產(chǎn)生的100HZ 及諧波分量；低調(diào)制控制器采用模擬信號(hào)源時(shí)，橋式整流殘存的100KHZ噪聲及諧波分量。

4.9 系統(tǒng)操作及總線維護(hù)

通過板上的機(jī)械編碼器和撥碼開關(guān)對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。

通過串行通信接口進(jìn)行補(bǔ)償參數(shù)的調(diào)整，查看系統(tǒng)設(shè)置及功率模塊的正常電壓和過壓、過流保護(hù)等狀態(tài)。

ADSP—21369占用總線的主控端，可以訪問和控制總線上掛載的所有設(shè)備。但是發(fā)射機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)是獨(dú)立于總線管理之外的，有最高操作權(quán)限。

綜合算法板完成了數(shù)字調(diào)制器信號(hào)的主要功能，其他板塊只是提供外圍功能接口，簡化了電路設(shè)計(jì)，節(jié)約了板卡的使用數(shù)量，降低了維護(hù)人員的維護(hù)量。綜合算法板使用處理芯片的資源還不到20%，系統(tǒng)還具有很高的研發(fā)空間。