MF200多頻中波廣播發(fā)射機助力廣播行業(yè)發(fā)展

文/徐幫輝

1.中波發(fā)射機的現(xiàn)狀與問題

國內(nèi)外大功率中波發(fā)射機一般固定頻率播出，若需要換頻，則要對許多部位重新調(diào)整。以美國HARRIS DX200中波廣播發(fā)射機為例，調(diào)整的部位有預(yù)驅(qū)動、驅(qū)動級、效率線圈、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)以及部分板卡等，這一系列調(diào)整要耗費大量的時間和人力，對于不同頻率中波發(fā)射機之間短時間內(nèi)代換幾乎不可能，這將嚴重影響到無線局安全傳輸發(fā)射工作。

五六一臺甲機房安裝有三部DX200中波發(fā)射機，單機播出，無備份機和代播臺站，出現(xiàn)故障時就必須依靠技術(shù)人員現(xiàn)場處理。如果故障較大或者處理不及時就有可能引起長時間的停播，急需安裝備用中波發(fā)射機。為解決這一難題，在國家廣播電視總局和無線局領(lǐng)導(dǎo)支持下，國家廣播電視總局五六一臺于2010年專門成立了“MF200多頻中波廣播發(fā)射機”研制項目小組。依托無線電臺管理局、北京廣世無線責(zé)任有限責(zé)任公司、國家廣播電視總局五六一臺等單位的科研力量，歷經(jīng)6年鉆研，自主研發(fā)出MF200多頻中波廣播發(fā)射機，打破國外對中波發(fā)射機技術(shù)的壟斷，實現(xiàn)了單PB中波發(fā)射機一機備多頻的目的。

2. MF200多頻中波發(fā)射機系統(tǒng)設(shè)計框架

圖1 MF200多頻中波廣播發(fā)射機

MF200多頻中波發(fā)射機包含了射頻、音頻、控制、保護和電源等系統(tǒng)，并采用自主研制的直接數(shù)字驅(qū)動功放模塊。與DX200中波發(fā)射機相比減少了緩沖級、預(yù)驅(qū)動級、驅(qū)動級等復(fù)雜的射頻前級放大和調(diào)諧部件，功放模塊數(shù)量也從239塊減少到224塊。模塊控制信號采用高速串行同步傳輸技術(shù)，大量減少了線路連接。該系統(tǒng)采用寬頻率設(shè)計，能夠在60秒內(nèi)完成不同預(yù)設(shè)頻率間的倒頻切換，實物圖如圖1所示。

3.系統(tǒng)原理

MF200多頻中波廣播發(fā)射機是一種全新設(shè)計的全固態(tài)200kW多頻中波廣播發(fā)射機，該發(fā)射系統(tǒng)包括射頻、音頻、控制、保護和電源等系統(tǒng)。另外，還配套設(shè)計的天線交換開關(guān)及其控制系統(tǒng)和400kW假負載。

3.1 射頻系統(tǒng)

發(fā)射機射頻系統(tǒng)包含直接數(shù)字驅(qū)動功放模塊、射頻音頻分配板、模塊控制板、音頻處理板射頻模塊、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)和天線交換開關(guān)等。

3.1.1 直接數(shù)字驅(qū)動功放模塊

模塊采用差分PECL平衡輸入，減少了高頻干擾對輸入的影響，采用可編程邏輯器件PAL22V10以及大量的貼片芯片，提高了模塊的集成度。主要電路包括:射頻輸入轉(zhuǎn)換電路、模塊控制與監(jiān)測、開關(guān)電源、射頻隔離與驅(qū)動以及8個MOS場效應(yīng)管IRFP460LC組成的H橋輸出電路。直接數(shù)字驅(qū)動功放模塊基本原理如圖2所示。

3.1.2 射頻音頻分配板射頻模塊

射頻音頻分配板射頻模塊主要是根據(jù)接收來自音頻處理板的載波信號和位頻（16倍載波頻率），設(shè)計載波時鐘分配模塊，將位頻重新進行分頻得到載波同步參考頻率Fc。

3.1.3 模塊控制板

圖2 直接數(shù)字驅(qū)動功放模塊基本原理框圖

模塊控制板接收來自射頻音頻分配板I2S結(jié)構(gòu)串行12bit數(shù)字音頻數(shù)據(jù)，采用EPM7128SLC84芯片組成CPLD在線可編程電路對串行數(shù)據(jù)進行解碼，解碼后的信號通過合成器母板送到所控制的8塊直接數(shù)字驅(qū)動功放模塊，從而控制功放模塊的開通與關(guān)斷。

3.1.4 音頻處理板射頻模塊

音頻處理板是數(shù)字調(diào)制器核心的功能處理部件之一，接收來自外部的射頻和音頻信號并對其進行處理。射頻處理單元根據(jù)外部輸入的10MHz標準頻率或者10倍載波頻率，利用FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)PLL模塊生成位頻，通過設(shè)計分頻模塊得到載波頻率，利用I2S串行數(shù)據(jù)的傳輸模式將位頻和載頻結(jié)合音頻信號發(fā)送給射頻音頻分配板。

3.1.5 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)

輸出匹配網(wǎng)絡(luò)用于對合成輸出的波形進行諧振和阻抗匹配，得到想要的光滑調(diào)幅波。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)主要包含兩個部分，一是用阻抗匹配的真空電容和電感，以及分段切換的4個斷路器和改變可調(diào)真空電容值的4個調(diào)諧馬達；二是用于調(diào)諧控制的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)切換控制板。

匹配網(wǎng)絡(luò)硬件示意圖如圖3所示，其中L1和L2通過斷路器來實現(xiàn)電感切換，C1、C2、C3和C4通過調(diào)諧馬達實現(xiàn)電容值的變換。

圖3 匹配網(wǎng)絡(luò)示意圖

3.1.6 天線交換開關(guān)

天線交換開關(guān)系統(tǒng)主要包括主備用發(fā)射機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、基于CPLD數(shù)據(jù)邏輯處理與分析系統(tǒng)、用戶界面操作與顯示系統(tǒng)等。

3.2 音頻系統(tǒng)

音頻系統(tǒng)主要是基于FPGA+DSP平臺完成發(fā)射機數(shù)字調(diào)制器的設(shè)計，其核心是完成對音頻信號調(diào)制處理、載波合成及控制輸出，如圖4所示。

音頻系統(tǒng)主要包括音頻信號采樣及處理、音頻采樣率轉(zhuǎn)換、音頻+直流、功率控制、指標補償?shù)取?/p>

3.2.1 音頻信號采樣及處理

音頻處理板ADSP-21489通過對外部芯片ADAU1961配置完成對模擬音頻48kHz采樣率信號的接收。同時，利用內(nèi)部SPDIF接口完成外部數(shù)字信號輸入的接收。音頻信號處理包括了FIR低通濾波器和CIC內(nèi)插補償濾波器等單元。

圖4 音頻系統(tǒng)處理流程框圖

3.2.2 音頻采樣率轉(zhuǎn)換

輸入音頻信號采用標準的48kHz采樣率，與載波信號一般不成整數(shù)關(guān)系，因此本系統(tǒng)設(shè)計采用了二次自適應(yīng)采樣率轉(zhuǎn)換方法來實現(xiàn)。ADSP-21489內(nèi)部集成了異步采樣率轉(zhuǎn)換器，通過DSP中的異步采樣率轉(zhuǎn)換和FPGA同步采樣率轉(zhuǎn)換實現(xiàn)將信號的采樣率提升至載波頻率上。同步采樣率轉(zhuǎn)換利用CIC內(nèi)插濾波器實現(xiàn)。

3.2.3 音頻系統(tǒng)射頻處理單元

射頻處理單元是根據(jù)實際載波需要，將音頻數(shù)據(jù)進行載波合成輸出。利用FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)PLL模塊，通過設(shè)計分頻子模塊分頻得到1/8載波頻率、8倍載波頻率、載波頻率等所需的各頻率分量。

3.2.4 音頻 + 直流

經(jīng)過采樣率轉(zhuǎn)換的音頻信號Audio，利用加法器疊加一個直流值DC，得到12bits復(fù)合音頻輸出信號。后級調(diào)制編碼分配板根據(jù)接收的12bits信號數(shù)據(jù)，經(jīng)過編碼分配和載波頻率控制實現(xiàn)音頻信號調(diào)制。

3.2.5 功率控制

功率控制主要包括以下幾個功能:

（1）開機功率等級控制（高、中、低）；

（2）功率微調(diào)（升功率操作、降功率操作）；

（3）步進升功率及功率反饋控制。

圖5 調(diào)制器控制系統(tǒng)框圖

3.2.6 指標補償

對發(fā)射機的頻響和失真指標提升，在DSP中利用算法實現(xiàn)。頻響補償利用多組濾波器將信號頻段進行分段處理，射頻功放非線性失真使用預(yù)失真技術(shù)，利用Volterra多項式預(yù)失真器實現(xiàn)對基帶音頻信號的預(yù)失真補償，降低輸出信號的諧波和互調(diào)失真。電源紋波補償是為了提高發(fā)射機雜音電平指標，通過利用外部AD取樣芯片實現(xiàn)對電源電壓反饋信號高速取樣，并在FPGA中利用乘法器實現(xiàn)對實時反饋電源紋波信號的抵消處理，降低雜音電平。

3.3 控制和保護

MF200多頻中波發(fā)射機控制系統(tǒng)主要由主控板、數(shù)字量板、模擬量板、多頻切換模塊、上位機顯示操作界面構(gòu)成，如圖5所示。其中主控板主要由32位PIC處理器和FPGA組成，共同完成對發(fā)射機的相關(guān)控制，主控板FPGA主要采用多通道DMA數(shù)據(jù)采集傳輸控制器以及通用可擴展的數(shù)據(jù)總線接口實現(xiàn)對主控板外設(shè)輸入、數(shù)字量板、模擬量板、音頻板等板卡的數(shù)據(jù)采集和傳輸，最終交由32位PIC單片機對系統(tǒng)進行相應(yīng)控制處理；數(shù)字量板主要實現(xiàn)對發(fā)射機各數(shù)字信號的實時采集，并通過DMA數(shù)據(jù)通信總線傳輸至主控板，接受主控板相應(yīng)執(zhí)行命令并輸出控制信號；模擬量主板要實現(xiàn)對發(fā)射機各模擬量狀態(tài)進行實時采集，并通過DMA數(shù)據(jù)通信總線傳輸至主控板；多頻切換模塊主要是在發(fā)射機換頻播出需要對發(fā)射機輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整、載波頻率的設(shè)置檢測、音周以及駐波比檢測參數(shù)等進行切換；上位機顯示操作界面主要實現(xiàn)發(fā)射機各狀態(tài)顯示、開關(guān)機等具體操作、發(fā)射機運行數(shù)據(jù)保存以及換頻調(diào)諧操作等功能；音頻板完成數(shù)字音頻抽樣率變化，功率控制，預(yù)失真矯正處理，然后打包成16倍載波頻率串行信號傳輸給射頻音頻分配板。

MF200多頻中波廣播發(fā)射機內(nèi)設(shè)計了各種監(jiān)測與保護電路，主要有溫度、風(fēng)量、弧光以及駐波比等監(jiān)測與保護電路措施，可以確保發(fā)射機設(shè)備安全。

3.3.1 溫度監(jiān)測

整流柜可控硅、續(xù)流二極管、250V電源濾波電感以及放電板上均安裝了溫度開關(guān)，用于檢測相應(yīng)設(shè)備的溫度情況。當有設(shè)備的溫度超過一定值時，溫度開關(guān)就會動作，產(chǎn)生相應(yīng)的監(jiān)測信號送至調(diào)制器控制器進行處理。

3.3.2 風(fēng)量監(jiān)測

每個機柜均設(shè)有風(fēng)量檢測板，用于監(jiān)測相應(yīng)機柜內(nèi)的風(fēng)量情況。當有任何一個機柜的風(fēng)量異常時，發(fā)射機會降功率直至關(guān)機，從而保護設(shè)備。

3.3.3 弧光監(jiān)測

在機器功放機柜和網(wǎng)絡(luò)機柜內(nèi)均安裝了弧光檢測板，用于監(jiān)測機柜內(nèi)有無打火情況。當有機柜內(nèi)出現(xiàn)了打火情況，弧光檢測板檢測后輸出故障信號，發(fā)射機會降功率；若打火現(xiàn)象一直存在，發(fā)射機將關(guān)機保護設(shè)備。

3.3.4 駐波比取樣保護

駐波比取樣保護包括自動切換控制電路、網(wǎng)絡(luò)電壓與電流調(diào)諧、幅度調(diào)整電路等電路。它能根據(jù)調(diào)制控制器發(fā)送來的3比特頻率信號，啟動自動切換控制電路產(chǎn)生控制信號，分別對天線電壓、天線電流、網(wǎng)絡(luò)電壓、網(wǎng)絡(luò)電流取樣信號進行一系列的處理，獲得網(wǎng)絡(luò)駐波比、天線駐波比取樣信號和相位檢測信號，供調(diào)制控制器進行相應(yīng)的處理，用以保護發(fā)射機。

3.4 400kW假負載

400kW風(fēng)冷假負載是國家廣播電視總局五六一臺自主研發(fā)的一種大功率假負載。它采用定制的80根12千歐，標稱功率為5kW，誤差為±5%的大功率無感空心繞線電阻并聯(lián)組成，輸出阻抗為150歐姆左右，最大可承載功率為400kW，大于載波200 kW的1.5倍，熱狀態(tài)時單個最大承受功率為5kW，大于載波時的2.5kW，滿足功率設(shè)計需求。該電阻采用空心繞線電感，具有良好的通風(fēng)效果，可通過風(fēng)機進行強制冷卻，特殊工藝制作，溫度飄移小，在熱狀態(tài)下工作穩(wěn)定，利用不銹鋼卡箍進行固定，連接可靠，接觸電阻小，假負載實物圖如圖6所示。

圖6 假負載實物圖

4.電源部分

多頻機電源由3Φ197VAC、3Φ380VAC、+250VDC、+125VDC、+48VDC以及+12VDC組成，如圖7所示。

圖7 電源組成框圖

5.技術(shù)創(chuàng)新點

主要技術(shù)創(chuàng)新點:

5.1 中波發(fā)射機多頻自動切換技術(shù)

功放單元采用自主專利技術(shù)的直接數(shù)字驅(qū)動功放模塊，省去了類似DX發(fā)射機的射頻前級驅(qū)動放大部分。射頻濾波輸出采用兩級輸出網(wǎng)絡(luò)，即輸出匹配網(wǎng)絡(luò)柜及Π網(wǎng)絡(luò)柜，并用真空斷路器切換網(wǎng)絡(luò)電感，步進電機控制真空可調(diào)電容的方式，從而將射頻網(wǎng)絡(luò)調(diào)整到所需的參數(shù)，實現(xiàn)完美調(diào)諧。

5.2 直接數(shù)字驅(qū)動技術(shù)

直接數(shù)字驅(qū)動功放模塊采用差分PECL平衡輸入，從而減少射頻輸出對輸入的影響。另外，采用了可編程邏輯器件PAL22V10以及大量的貼片芯片，大大提高了模塊的集成度。

5.3 輸出網(wǎng)絡(luò)自動快速切換技術(shù)

輸出匹配網(wǎng)絡(luò)主要包含兩個部分:一是用于阻抗匹配的真空電容和電感，以及分段切換的4個斷路器和改變可調(diào)真空電容值的4個調(diào)諧馬達；二是用于調(diào)諧控制的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)切換控制板。

5.4 非線性數(shù)字預(yù)失真技術(shù)

由于功放模塊合成非線性、電源紋波等原因造成直接數(shù)字驅(qū)動功放模塊合成具有非線性。因此必須經(jīng)過預(yù)失真補償技術(shù)才能達到甲級標準。該系統(tǒng)在數(shù)字域采用多波段預(yù)失真技術(shù)解決分線性失真問題。從而滿足發(fā)射機技術(shù)指標非線性失真的要求。

5.5 駐波比檢測電路自動切換技術(shù)

采用駐波比檢測電路自動調(diào)整技術(shù)，能夠根據(jù)設(shè)置頻率自動切換到相應(yīng)參數(shù)，從而保證發(fā)射機在高效換頻后能夠安全可靠地工作。

6.應(yīng)用情況

MF200多頻中波廣播發(fā)射機于2016年12月13日17:00起，在五六一臺甲機房試播江西新聞綜合頻率（729kHz），至2017年6月13日17:00止，共計試播3023小時12分09秒。試播期結(jié)束后，作為甲機房三部DX發(fā)射機的公用備份機。截至2019年4月，共計代播7次，代播時長95小時13分，減少停播時間約22446秒（合6小時14分6秒）。

結(jié)語

MF200多頻中波發(fā)射機是自主研發(fā)的新一代大功率中波廣播發(fā)射機，多項技術(shù)在國內(nèi)國際屬于首創(chuàng)，發(fā)射機系統(tǒng)布局合理，工藝先進，運行穩(wěn)定可靠，試播半年，作為五六一臺甲機房公用備份機已運行二年多，各項指標都達到了國家規(guī)定的甲級，整機效率可達90%以上，高于DX200中波發(fā)射機的整機效率86%，其科技自主創(chuàng)新程度高，打破了國外對中波廣播發(fā)射機的技術(shù)壟斷，該發(fā)射機研制成功在我國大功率中波廣播發(fā)射機領(lǐng)域具有戰(zhàn)略意義和社會價值，值得大規(guī)模推廣運用。