自然風(fēng)冷300W調(diào)頻發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

□ 林堯鋒

自然風(fēng)冷300W調(diào)頻發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

□ 林堯鋒

本文針對(duì)廣西縣級(jí)村村通發(fā)射臺(tái)站傳統(tǒng)300W調(diào)頻發(fā)射機(jī)工作不穩(wěn)定、效率較低、維護(hù)不方便等問(wèn)題，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種自然風(fēng)冷300W調(diào)頻發(fā)射機(jī)，各項(xiàng)射頻指標(biāo)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)且經(jīng)濟(jì)適用，穩(wěn)定可靠，可逐步替代舊設(shè)備。

調(diào)頻發(fā)射機(jī)；射頻信號(hào)；遠(yuǎn)程監(jiān)控

一、引言

廣西區(qū)內(nèi)縣級(jí)村村通發(fā)射臺(tái)使用的300W調(diào)頻發(fā)射機(jī)大多是2009年采購(gòu)，目前存在工作不穩(wěn)定、故障較多、效率較低、遠(yuǎn)程監(jiān)控不便、維護(hù)不方便等問(wèn)題，嚴(yán)重影響到安全播出。因此，本文依據(jù)GB/T4311-2000《米波調(diào)頻廣播技術(shù)規(guī)范》，設(shè)計(jì)了一種射頻指標(biāo)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的300W調(diào)頻發(fā)射機(jī)，替代舊設(shè)備，逐步在縣級(jí)村村通發(fā)射臺(tái)使用自主研發(fā)的發(fā)射機(jī)。

二、總體框架設(shè)計(jì)

自主研發(fā)的自然風(fēng)冷300W調(diào)頻發(fā)射機(jī)整機(jī)方框圖如圖1所示。立體聲音頻信號(hào)輸入發(fā)射機(jī)的調(diào)頻調(diào)制模塊，調(diào)制成所需要的特定頻率的射頻信號(hào)，然后輸入功放模塊放大后輸出。其中調(diào)頻調(diào)制模塊可發(fā)射RDS數(shù)據(jù)，可以控制帶RDS接收的調(diào)頻音柱或大喇叭進(jìn)行定時(shí)或應(yīng)急廣播，同時(shí)傳輸其它控制信號(hào)。

發(fā)射機(jī)具備網(wǎng)絡(luò)通信功能，通過(guò)RJ45網(wǎng)口與外部進(jìn)行通信，接收外部遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 自然風(fēng)冷300W調(diào)頻發(fā)射機(jī)整機(jī)方框圖

（一）調(diào)頻調(diào)制模塊

調(diào)頻調(diào)制模塊采用自主研發(fā)的集成RDS調(diào)頻廣播調(diào)制器，將輸入的立體聲音頻信號(hào)，調(diào)制到特定頻率上完成音頻到射頻的轉(zhuǎn)換功能，再將調(diào)頻廣播的射頻信號(hào)輸出至功放模塊。而且可以定時(shí)或遠(yuǎn)程控制發(fā)射機(jī)發(fā)送RDS信號(hào)，控制帶RDS接收的調(diào)頻音柱或大喇叭進(jìn)行定時(shí)或應(yīng)急廣播，同時(shí)傳輸其它控制信號(hào)。

調(diào)頻調(diào)制器模塊安裝在機(jī)箱的前蓋，并配置顯示面板和按鈕，便于技術(shù)人員維護(hù)操作，不需開(kāi)箱或連接網(wǎng)線即可對(duì)發(fā)射機(jī)一些主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和查詢，降低了維護(hù)的成本與難度。

（二）RF功放模塊

RF功放及控制模塊由RF功放和控制系統(tǒng)組成、功能原理圖如圖2。

RF功放部分主要由2級(jí)前置放大器、1級(jí)衰減器、2級(jí)功放組成。前置放大器用2個(gè)增益為19.3dB的M3H21N集成放大器。功放為BLF571和MRFEVP6300H功放管。功率檢測(cè)采用真有效值RF功率檢測(cè)集成電路，輸入功率檢測(cè)使用AD8362，輸出和反射功率檢測(cè)采用AD8361。功率調(diào)節(jié)使用TQP4M9083衰減器前置衰減和控制調(diào)節(jié)直流電源電壓的方式。

當(dāng)發(fā)射機(jī)由于種種原因需要降功率播出時(shí)，以往通過(guò)調(diào)節(jié)推動(dòng)級(jí)輸入功率的方式來(lái)降低發(fā)射機(jī)功率，此方法會(huì)導(dǎo)致功放效率降低，功放管發(fā)熱過(guò)大，往往引起發(fā)射機(jī)過(guò)熱保護(hù)。

本發(fā)射機(jī)通過(guò)主要調(diào)節(jié)末級(jí)功放工作電壓，輔助調(diào)節(jié)推動(dòng)級(jí)輸入功率，使發(fā)射機(jī)在輸出功率大幅變化的情況下，保持功放80%左右高效率。調(diào)節(jié)過(guò)程由STM32微控制器自動(dòng)實(shí)時(shí)完成。

（三）控制模塊

以STM32微控制器（ARM Cortex-M3系列）為核心的智能控制模塊負(fù)責(zé)整機(jī)的控制，將ARM控制器集成在功放模塊中，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備各參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括控制開(kāi)關(guān)機(jī)、穩(wěn)定輸出功率、調(diào)節(jié)電源電壓、檢測(cè)輸入電壓、推動(dòng)級(jí)和功放級(jí)電流、輸入功率、輸出/反射功率、功放級(jí)工作溫度、環(huán)境溫度等各種數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)發(fā)射機(jī)輸出功率及發(fā)射保護(hù)控制，此外還有自動(dòng)穩(wěn)定輸出功率，過(guò)電流、輸出和反射硬件保護(hù)具有鎖存功能，設(shè)備不受斷電的影響保存設(shè)置參數(shù)，在斷電恢復(fù)后，可調(diào)用斷電前的配置參數(shù)，自動(dòng)恢復(fù)工作。

圖2 RF功放及控制模塊示意圖

控制模塊可實(shí)時(shí)檢測(cè)計(jì)算功放輸出效率，反饋?zhàn)詣?dòng)聯(lián)合調(diào)整末級(jí)功放工作電壓和推動(dòng)級(jí)輸入功率，使發(fā)射機(jī)在輸出功率大幅變化的情況下，保持功放80%左右高效率。采用多變量協(xié)調(diào)控制策略和STM32微控制器，實(shí)現(xiàn)功放效率的自尋最優(yōu)控制。

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信接口可將工作狀態(tài)和參數(shù)回傳給監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行管理；監(jiān)控客戶端程序?qū)@示接收的各種參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制。

（四）電源模塊

發(fā)射機(jī)內(nèi)部安裝有700W可變壓直流電源和30W12V直流電源兩個(gè)電源模塊。其中700W可變壓直流電源輸出DC28V-48V至功放模塊，可通過(guò)控制模塊調(diào)節(jié)輸出電壓大小，改變功放模塊輸出功率。30W12V直流電源輸出DC12V至控制模塊。

700W可變壓直流電源結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，主要由DPG750模塊和DBS700B48模塊組成。DPG750模塊輸入電壓范圍為AC170V～264V，輸出電壓為DC360V，最大輸出功率750W，輸入電壓范圍寬，適用于農(nóng)村電網(wǎng)的波動(dòng)變化。DBS700B48模塊輸入電壓范圍為DC200V～400V，輸出額定電壓為DC48V，可通過(guò)外部調(diào)壓器或外加電壓調(diào)整額定電壓的60%～110%，最大輸出功率696W，自帶過(guò)電流、過(guò)電壓保護(hù)。通過(guò)控制模塊調(diào)整輸出電壓大小，從而調(diào)整末級(jí)功放工作電壓，使發(fā)射機(jī)保持高效率。

圖3 700W可變壓直流電源結(jié)構(gòu)框圖

（五）遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

1.實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警功能

監(jiān)控內(nèi)容包括：設(shè)備工作狀態(tài)、參數(shù)配置和接口工作狀態(tài)等。報(bào)警內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)異常、故障等，發(fā)生異常情況時(shí)，給出報(bào)警指示。監(jiān)控和報(bào)警可以遠(yuǎn)程進(jìn)行控制和查詢。監(jiān)控系統(tǒng)軟件界面如圖4所示。

本機(jī)在輸入激勵(lì)和功放的輸出節(jié)點(diǎn)都配置了功率檢測(cè)電路。與通常使用的包絡(luò)峰值檢波方式不同，本機(jī)使用了真有效值檢波器件AD8361，使得功率的檢測(cè)更加準(zhǔn)確。功率計(jì)算時(shí)使用了線性補(bǔ)償校正算法進(jìn)行檢波電壓到實(shí)際功率的轉(zhuǎn)換。使得功率校準(zhǔn)工作快捷、準(zhǔn)確。

2.實(shí)時(shí)功率控制

在發(fā)射機(jī)正常工作狀態(tài)下，實(shí)時(shí)地對(duì)發(fā)射功率進(jìn)行控制，使其穩(wěn)定在設(shè)定值周圍可允許的偏差范圍內(nèi)。

3.管理配置

通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控接口或本地設(shè)置發(fā)射單元工作參數(shù)和接口配置等。

4.安全防護(hù)機(jī)制

提供自動(dòng)保護(hù)功能。當(dāng)發(fā)射機(jī)的某些部件發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)（如輸出過(guò)載，功放過(guò)熱等），或由于外部原因造成調(diào)制器損傷時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)降低發(fā)射功率或切斷發(fā)射單元的射頻輸出或關(guān)機(jī)。

5.遠(yuǎn)程監(jiān)控

采用OTA技術(shù)，提供了功放控制程序的遠(yuǎn)程在線升級(jí)功能。

6.設(shè)置向?qū)?/p>

通過(guò)向?qū)У男问揭龑?dǎo)用戶對(duì)發(fā)射機(jī)各模塊按需進(jìn)行初始配置，大大降低了調(diào)試軟件的操作難度。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件界面

三、技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

（一）將調(diào)頻調(diào)制、功率放大集與一體，模塊化設(shè)計(jì)，安裝方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，還可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)改變發(fā)射頻率。

（二）調(diào)頻發(fā)射機(jī)末級(jí)功放工作電壓自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)不同功率等級(jí)輸出下保持功放80%左右高效率。

（三）采用多變量協(xié)調(diào)控制策略和STM32微控制器，自動(dòng)聯(lián)合調(diào)整末級(jí)功放工作電壓和推動(dòng)級(jí)輸入功率，實(shí)現(xiàn)功放效率的自尋最優(yōu)控制。

（四）采用自然風(fēng)冷方式，節(jié)省散熱能耗。

（五）采用OTA技術(shù)遠(yuǎn)程在線升級(jí)控制程序和控制參數(shù)。

四、結(jié)束語(yǔ)

自主研發(fā)自然風(fēng)冷300W調(diào)頻發(fā)射機(jī)調(diào)頻射頻指標(biāo)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，可在輸出功率大幅變化的情況下，保持功放高效率輸出。采用自然風(fēng)冷方式，節(jié)省散熱能耗。監(jiān)控參數(shù)詳細(xì)全面、模塊化設(shè)計(jì)、適應(yīng)電壓波動(dòng)范圍寬，適合鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村調(diào)頻覆蓋。該發(fā)射機(jī)經(jīng)濟(jì)適用，穩(wěn)定可靠，擴(kuò)大了調(diào)頻廣播覆蓋范圍，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

（作者單位：廣西廣播電視技術(shù)中心）