王靖 張同舟 江蘇省廣播電視總臺

1.引言

上世紀(jì)八十年代脈沖階梯調(diào)制（PSM）式調(diào)幅廣播發(fā)射機(jī)誕生，因其與早期的板調(diào)機(jī)相比更加高效、穩(wěn)定，電聲指標(biāo)也更好，PSM短波發(fā)射機(jī)在我國得到廣泛應(yīng)用。但是隨著時(shí)代的進(jìn)步，對廣播發(fā)射機(jī)的技術(shù)指標(biāo)提出了更高的要求，原來采用模擬PSM調(diào)制技術(shù)的短波發(fā)射機(jī)逐漸失去了技術(shù)優(yōu)勢。近年來，隨著數(shù)字技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，以及新材料、新元器件的發(fā)展，使得基于數(shù)字技術(shù)的脈沖階梯調(diào)制設(shè)備的實(shí)現(xiàn)成為現(xiàn)實(shí)。

我臺遷建后新安裝了兩部SW-100F型100KW短波廣播發(fā)射機(jī)，其調(diào)制器部分即采用了DMR2000新型數(shù)字脈沖階梯調(diào)制器。數(shù)字調(diào)制器的應(yīng)用使得短波發(fā)射機(jī)在信噪比、失真、頻響等關(guān)鍵音頻技術(shù)指標(biāo)上較原先采用模擬調(diào)制器有了突破性提高。

2.模擬PSM調(diào)制器的局限性

PSM短波發(fā)射機(jī)把主整和調(diào)幅器合二為一，并把主整電壓化整為零，由48套低壓整流器串聯(lián)組成。每套整流器輸出電壓分別受電子開關(guān)控制，而這些電子開關(guān)又受控于直流控制信號和音頻調(diào)制信號。因?yàn)?，主整輸出電壓的量化以單個(gè)子模塊的輸出電壓為階梯，一共只有48個(gè)階梯，非線性失真較大。為解決這個(gè)問題，在模擬PSM調(diào)制器中，采用PWM脈寬來補(bǔ)償音頻信號經(jīng)過PSM調(diào)制所產(chǎn)生的誤差。PSM調(diào)制根據(jù)每個(gè)采樣點(diǎn)幅值來確定需要合上的開關(guān)模塊的級數(shù)(大臺階數(shù))。PWM脈沖的形成則是依靠在音頻信號和直流信號上疊加的三角波來實(shí)現(xiàn)，這些控制和補(bǔ)償信號均由PSM調(diào)制器來處理。

雖然傳統(tǒng)的模擬PSM調(diào)制器技術(shù)比較先進(jìn)，固態(tài)化的程度較高，在音頻和功率控制系統(tǒng)方面也做了較多改進(jìn)，但是由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元器件眾多，增加了控制和補(bǔ)償信號產(chǎn)生所經(jīng)歷的環(huán)節(jié)。另外，其數(shù)據(jù)處理分路電壓較低，模擬元器件的不穩(wěn)定性，易造成信號異常而產(chǎn)生雜音，直接影響短波發(fā)射機(jī)的性能指標(biāo)。

我臺在實(shí)際維護(hù)中，也嘗試采取多種措施提高發(fā)射機(jī)指標(biāo)。比如，更換功率模塊的IGBT晶體管、排除模塊故障、調(diào)整模塊導(dǎo)通順序等。但是信噪比指標(biāo)也只能略優(yōu)于58dB的甲級標(biāo)準(zhǔn)。為了進(jìn)一步提高發(fā)射機(jī)電聲指標(biāo)，改善播出效果，必須采用技術(shù)更加先進(jìn)的數(shù)字PSM調(diào)制器。

3. 數(shù)字PSM調(diào)制器的組成和指標(biāo)補(bǔ)償原理

3.1 數(shù)字PSM調(diào)制器系統(tǒng)組成

數(shù)字PSM調(diào)制系統(tǒng)主要組成部件包括：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PSM調(diào)制器總體架構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字PSM調(diào)制器總體架構(gòu)框圖

（1）電源板：采用寬電壓輸入范圍的開關(guān)電源，輸入電壓范圍80V～260VAC。其中+5V為數(shù)字電路提供電源，±15V為模擬電路提供電源。外電電網(wǎng)的頻率和相位信號采集，也在電源板通過交流電源耦合獲得。

（2）控制接口板：主要完成和發(fā)射機(jī)控制組合的對接，從而完成發(fā)射機(jī)功率控制、邏輯保護(hù)以及顯示指示等功能。其輸入和輸出信號均采用光電隔離器件，并且可以通過跳線選擇輸入輸出的電平標(biāo)準(zhǔn)，從而兼容不同廠家的發(fā)射機(jī)。

（3）音頻轉(zhuǎn)換板：主要完成對輸入的音頻信號進(jìn)行預(yù)處理?？蛇x擇模擬和數(shù)字音頻輸入，經(jīng)過采樣處理，兩種音頻格式均轉(zhuǎn)換成IIS（Inter-IC Sound）格式編碼的24位二進(jìn)制信號，再把此二進(jìn)制碼流送到綜合算法板。

（4）綜合算法板：主要完成音頻信號的采樣率轉(zhuǎn)換和基帶調(diào)制、PWM補(bǔ)償、簾柵模塊的控制、功率控制和指標(biāo)補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/p>

（5）調(diào)制接口板和光發(fā)光收板：主要完成功率模塊狀態(tài)信息的采集和功率模塊的開關(guān)控制。功率模塊狀態(tài)信息主要包含模塊的輸出電壓、過流和失步保護(hù)狀態(tài)。

3.2 數(shù)字PSM調(diào)制器指標(biāo)補(bǔ)償原理

綜合算法板完成了數(shù)字PSM調(diào)制器的主要功能，是調(diào)制器系統(tǒng)中最核心的處理部件。綜合算法板的原理框圖如圖2所示。

綜合算法板的主要功能包括：音頻采樣率轉(zhuǎn)換、音頻信號的基帶調(diào)制、Δ—PWM調(diào)制、功率控制、自動增益控制、簾柵控制、指標(biāo)補(bǔ)償。其中最關(guān)鍵的特性要屬音頻三大指標(biāo)的補(bǔ)償功能。

3.2.1 信噪比的補(bǔ)償

（1）循環(huán)噪聲的抑制

圖2 綜合算法板的原理框圖

采用信號差分器計(jì)算PSM調(diào)制器輸入信號與輸出信號之間的誤差，根據(jù)誤差信號來驅(qū)動調(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達(dá)到最小的誤差。

采用模塊地址管理器，實(shí)現(xiàn)功率模塊地址的動態(tài)插入和刪除以及功率模塊電壓的刷新以及控制模塊的循環(huán)使用。系統(tǒng)集成了四種模塊導(dǎo)通順序，可以通過改變撥碼開關(guān)的位置選擇最優(yōu)的導(dǎo)通順序，這樣較模擬調(diào)制器的改變光纜順序的方法具有很大的便利。

（2）工頻噪聲的抵消

圖3 循環(huán)噪聲較大的情況與經(jīng)過抑制的循環(huán)噪聲

發(fā)射機(jī)的主要工頻噪聲是由于電子管（除燈絲）各級電源經(jīng)過整流濾波后所帶來的紋波噪聲，交流燈絲帶來的工頻噪聲是很嚴(yán)重的。本系統(tǒng)將反饋取得的電源工頻樣值，經(jīng)過幅度增益和相位的調(diào)整后，與音頻輸入信號進(jìn)行反向的疊加，用于抵消發(fā)射機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的電源工頻噪聲，可以大大提高信噪比。

3.2.2 諧波失真的補(bǔ)償

（1）諧波預(yù)失真補(bǔ)償

系統(tǒng)預(yù)先加入輸入信號的二次諧波和三次諧波分量，通過調(diào)整好的諧波幅度和相位，補(bǔ)償發(fā)射機(jī)放大系統(tǒng)的諧波失真。

（2）正負(fù)峰不對稱補(bǔ)償

音頻信號輸入后通過多組濾波器，將輸入信號分為六段，再通過各段參數(shù)進(jìn)行峰值補(bǔ)償，最后合成輸出。

3.2.3 頻響的補(bǔ)償

圖4 工頻噪聲抵消原理框圖

圖5 諧波預(yù)失真補(bǔ)償原理

圖6 補(bǔ)償前后正峰幅頻特性對比

首先，將送進(jìn)來的音頻信號經(jīng)過六個(gè)頻段的濾波器劃分成6個(gè)頻段，再將得到的6個(gè)頻段的音頻信號乘以一個(gè)系數(shù)再相加得到復(fù)原的音頻信號。通過軟件控制改變某個(gè)頻段的系數(shù)就可以改變相應(yīng)頻段的頻響指標(biāo)。

3.2.4 指標(biāo)調(diào)試功能

綜合算法板提供簡便易行的指標(biāo)調(diào)試功能。將面板的RS232接口與發(fā)射機(jī)工控機(jī)的USB端口相連，進(jìn)入指標(biāo)調(diào)試界面，即可調(diào)節(jié)信噪比、頻響、失真指標(biāo)的補(bǔ)償參數(shù)，還可以讀取模塊工作狀態(tài)信息。

采用數(shù)字調(diào)制器后，音頻三大指標(biāo)典型測試值為：信雜比優(yōu)于60dB，頻響優(yōu)于±0.5dB，非線性失真優(yōu)于3%，載波跌落和調(diào)幅不對稱度優(yōu)于1%，完全達(dá)到總局甲級標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 數(shù)字PSM調(diào)制器的主要優(yōu)點(diǎn)

數(shù)字PSM調(diào)制器克服了模擬調(diào)制器的不足，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）該系統(tǒng)完全基于DSP+FPGA的數(shù)字信號處理系統(tǒng)，主要功能模塊基于軟件算法實(shí)現(xiàn)，計(jì)算能力強(qiáng)大、處理帶寬更高、抗干擾性能更好。

（2）系統(tǒng)使用“信號過采樣”技術(shù)，將量化噪聲信號分布到更寬的頻譜范圍內(nèi)，并通過“噪聲整形”技術(shù)，將量化噪聲調(diào)制到帶外高頻端，從而降低帶內(nèi)噪聲功率譜密度，提高信噪比。

（3）利用數(shù)字信號處理技術(shù)，通過對發(fā)射機(jī)低周系統(tǒng)進(jìn)行合理的輸出補(bǔ)償措施，有效改善發(fā)射機(jī)整機(jī)電聲指標(biāo)。

（4）系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)了高精度數(shù)字化功率模塊和模塊控制板，控制精度更高，能自動跳過故障模塊，降低了循環(huán)噪聲。

（5）音頻信號采用全數(shù)字化處理，克服了模擬調(diào)制器溫度漂移、器件老化等因素所造成的參數(shù)變化影響的缺陷，系統(tǒng)穩(wěn)定性大大提高。

4.結(jié)束語

短波發(fā)射機(jī)模擬PSM調(diào)制器多由分立器件組成，模擬電路較多，電源功耗大，很多器件易受到溫漂的影響，造成系統(tǒng)故障率較高，不易維護(hù)，最關(guān)鍵的是技術(shù)指標(biāo)不理想。現(xiàn)在采用了數(shù)字PSM調(diào)制器，模擬電路大大減少，主要功能基于軟件算法來實(shí)現(xiàn)，這樣大大提高了數(shù)據(jù)處理的精度和帶寬，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，使我臺PSM-100F型發(fā)射機(jī)的電聲指標(biāo)較原來有了較大提高。其極高的系統(tǒng)穩(wěn)定性，簡便的指標(biāo)調(diào)試功能，有效減少了維護(hù)工作量，節(jié)省了維護(hù)的時(shí)間，保證了安全優(yōu)質(zhì)播出。