短波发射机的脉阶调制器设计与改进.doc

短波发射机的脉阶调制器设计与改进潘明海1，李国强2 (1.南京航空航天大学信息科学与技术学院，南京，210016) （2.燕山大学信息科学与技术学院，秦皇岛，066004）摘要：中短波广播发射机的发射功率比较大，如何提高发射机的整机效率是至关重要的问题。脉阶调制器是一种可有效地提高发射机末级调制效率、扩展发射机功能的调制技术，它有着脉宽调制（PWM）发射机所不可比拟的优越性。本文提出了基于数字信号处理技术的PSM调制器实现方法，等效面积法对谐波的抑制有较好的效果。计算机仿真结果证明了本文方法的优良性能。关键词：脉冲阶跃调制；脉宽调制；等效面积法Design and Improve for Pulse Step Modulator of Shortwave TransmitterPAN Ming-hai1，LI Guo-qiang2 (1The College of Information Science and Technology,Nanjing Univercity of Aeronautics & Astronautics,Nanjing 210016)（2The College of Information Science and Engineering, Yanshan Univercity, Qinhuangdao 066004）Abstract：Medium-shortwave transmitter to broadcasting is a high-power device.It is important how to enhance the efficiency of transmitter. The Pulse Step Modulation(PSM) is an effective technique for increasing the modulation efficiency of a transmitter and extending the functions of the transmitter.PSM transmitter is more predominant than that of PWM transmitter.This paper presents a new method based on digital signal processing that equivalent area method restrain hypo-frequency better.The computer simulation test proved the validity of this scheme. Key words: Pulse step modulation；Pulse width modulation；Eequivalent area1 引言我国的广播事业经过50多年的发展，己建成由中、短波广播、调频广播、有线广播和卫星广播组成的广播传输覆盖体系。中、短波仍是我国广播重要手段，调幅广播系统包括新闻采编、节目制作、播空中心、节目传输、电波发射、监测监听等环节。除了调幅广播、调频广播和电视广播外，卫星广播、图文数据广播、数字音频广播(DAB)以及高清晰度电视(HDTV)广播等相继问世。近年来，国内外先后出现了多种脉宽调制(PWM)式13调幅发射机。1980年代瑞士ABB公司研制出了脉冲阶梯调制式调幅广播发射机(PSM发射机)4。脉阶调制器(PSM)是一种可有效地提高发射机末端调制效率、扩展发射机功能的调制技术。脉阶调制器可以认为是一个大功率的直流放大器。目前国内的无线电台采用的PSM调制器多是用模拟电路实现的，硬件系统庞大、故障率高、性能指标低、改造升级困难。现在广播系统面临着实现数字化、网络化的要求，广播发射机的性能指标及自动化水平对广播系统的数字化和网络化进程影响很大。美国大陆电子公司生产的420C型500 KW短波广播发射机，采用PSM调制方式，机中采用微处理机控制。国内发射机厂商近年来加快了对广播发射机的技术改造，陕西数字广播设备公司利用PLC改进了广播发射机的控制系统；鞍山通用广播电视设备有限公司设计的5KW调频立体声全固态广播发射机则具有LCD指示工作参数，操作简单，读数直观，便于维护和故障判断；杭州众力公司的ZHL-618系列调频立体声发射机采用了嵌入式微处理器控制。本文采用32位浮点DSP(TMS320VC33)系统和高速高精度的24位-A/D(CS5396)来实现PSM的控制电路，基于数字系统实现的PSM调制器具有极高的信号处理精度，用软件算法代替硬件实现，进一步提高发射机的性能指标；并使得硬件系统微型化，提高系统可靠性，便于系统升级和网络化等。2 脉阶调制技术 脉冲阶跃调制是继大功率广播发射机中PWM(pulse width modulation)之后在调制方法上的又一重大进步，它的主要特点就是以数字化的大功率直流放大器作为调幅发射机的末级调制器。与AM和PDM调制方法相比,能大幅度的提高末级调制效率,从而也就有效地提高了整机效率, 其效率可达72%，同时还可提高发射机工作的可靠性。因此PSM大功率发射机是一种优质、高可靠性、高效率节能型产品，极有推广价值。采用工作于开关状态的PWM代替过去的B类推换功放已经是一个很大的进步4，但PSM机比PWM机有更强的生命力，它可采用数字处理技术及全固化技术；控制单元可采用CPU程控,发射机在程序的控制下自动工作，故障自动恢复,报警等功能；PSM机输出电压相串联的PSM开关，有箱位二极管充当旁路管，故对故障来说等同于并联运行，即使损坏少量PSM开关，既不停播也不劣播；激励器采用大规模集成电路频率合成技术；PSM机与PWM机相比，电声指标要好得多。2.1 脉阶调制原理大功率广播发射机通常都采用末级阳极调幅，或阳极-帘栅极同调方案。除了要求很大的直流功率外,还需要有很大的调制功率。发射机中的调制器必须提供所需的调制功率，调制器的效率在很大程度上决定发射机的整机效率和功耗。图1是PSM发射机原理图，PSM开关放大器由48个独立的电压源（又称开关模块）组成。它为发射机的高频末级提供幅度调制电压。在载波调制状态下，有20级开关电源接通（相串联）送出14kV（20700V=14kV）的直流电压给高频末级。在m=100%时，在调制峰点48级开关全部接通，开关放大器输出约33.6 kV，在调制谷点48级开关全部断开，开关放大器输出为0V。因此，PSM开关放大器的瞬时输出电压的变化范围为033.6kV。 图1 PSM发射机原理图 脉阶调制器把主整和调幅器合二为一，主整由许多套低压整流器串联组成，100 kW发射机为48套。每套整流器一般为三相全波整流电路，其输出电压分别受电子开关所控制。组成电子开关的主要器件，起先用可关断可控硅，后改为绝缘门双级晶体管（IGBT）。而这些电子开关又受控于直流控制信号和音频调制信号，从而使射频被调级获得载波点的直流屏压和高电平的音频调制电压。PSM调制级既实现晶体管化又属于丁类放大，所以它的效率一般为96%以上。为了使部分IGBT关断时能保持整体串联电路一直处于连通状态，每套整流器的直流输出电压及其相应的IGBT输出端还并联了空转二极管DF。 图2 PSM调制器原理图 总数为48级的屏压PSM开关，载波时的射频被调级直流屏压用20级PSM开关，按每级输出电压700V计，其合成电压为14000V；100%调幅的正峰电压为28000 V，应由40级PSM开关供电；所剩8级PSM开关是充当备份并兼作非对称梯调的。在时间t0，所有开关级均被拉开，输出电路以全部空转二极管DF为通路，输出端A的电压为零。在时间t1，有一级PSM开关（可以任选48级中的一级）被合上，电流从这一级PSM开关中产生，然后流经非对应的47组空转二极管到负载，因此A点输出为电压为1*US，在时间t2，第二个开关级（除已合开关的任一级）被合上，这时A点的输出电压为2*US=1400V。同调幅度m=1，m=0，m=-1相对应的闭合开关数依次为40，20，和0；其它调幅度多对应的闭合开关数也可依次类推。 PWM（脉宽调制）补偿脉冲的幅度等于单级PSM开关的输出电压US，PWM的脉冲宽度正比于误差电压的幅度，PWM脉冲串同样通过制作粗调幅的48个开关级而产生，由fc及其谐波造成的残波分量，可由调制器输出端的低通滤波器滤出。脉阶调制器所输出的阶梯形音频信号，由它的阶梯纹波导致失真或较大的失真，有的不能滤除；即使能滤除的，还会造成动态载波下浮。为了解决这个问题，需要针对阶梯形音频信号相对于无失真音频信号的误差分量，采用PWM脉冲加以补偿。脉冲阶梯调制是数字化调制方式，无论定时取样还是定幅取样，都受有限取样点的制约，所以取样后形成的阶梯信号相对原有信号波形有一定的误差，这导致了系统杂音的出现。3 基于DSP的脉阶调制器采用以TMS320VC33为核心处理器的脉阶调制器的数字控制系统，可以克服模拟器件自身的缺陷，使系统性能更加稳定可靠，且升级也容易实现，并且使得系统处理精度可以得到大幅提升5,6。同时数字系统有着良好的监测能力并能够根据故障情况做出相应的处理,从而可以避免出现大量模块烧毁而引起停播的现象。脉阶调制器有两条支路：主电源电路和控制电路。主电源电路中,工频电压经过特制变压器,从多绕组的次级输出，每路都有单独的整流稳压，输出48组相等的直流电压，这些电压加于开关组件单元上，在开关的控制下决定哪几路将被接入，被接入的单元串联产生不同的阶跃电压，从而得到阶梯状的音频电压。该阶梯电压经过后边的低通滤波器进行平滑滤波,就得到大功率的音频电压输出。由图5的控制电路中，预放大的音频模拟信号,首先经A/D变换变为数字信号。此信号经微处理器（DSP）控制系统存贮和处理输出开关控制信号控制开关的通断，这样就形成阶梯式的控制信号，经低通滤波器解调后恢复原始的音频信号。 图3 基于数字控制的PSM发射机PSM调制器循环通断控制算法,包含调制器大的阶梯电压的产生控制信号生成算法与编程、阶梯纹波的控制与补偿算法、某一路或几路PSM因故障不能接通或电压下降时应能及时发现和进行补偿。最大发射功率对应的PSM模块数预先在PC机界面上设定好（例如发射功率100KW时，对应40个PSM模块）。在前置放大器中还必须设置音频信号限幅电路，使得音频信号的峰值不至过大。A/D采样时，每一帧数据都有一个最大值，可以求各帧数据最大值的均值（循环求解）。按照音频信号的峰值（与最大值相关）调幅度，以一句话或一个音节的长度为准（取该句话的音频采样数据的最大值为调幅度基准）。3.1 音频信号的预处理算法DSP系统对音频信号采样电路的控制仅限于设置采样频率、一帧数据的长度、读取已经采完的一帧数据（24Bit）。A/D采样的点数和采样频率都是可以编程序的，并且可以在PC机的控制面板上设置这些参数。A/D采样完一帧数据后向DSP系统发出中断申请信号，DSP响应中断，读取存于A/D FIFO-RAM中的采样数据，进行处理。3.2 系统的调幅度如果音频采样数组记为Fn。通过I/O接口输入的系统调幅度参数为m，如果平均最大峰峰值为X，就可以计算出需要叠加的直流信号大小为Y,则有Y=X/m+Y。系统在经过压缩的采样数据上加Y即可。Y可调，它一方面可以防止100%调幅时产生过调。另一方面保证从零功率开始升功率时，屏压先于帘栅产生。3.3 功率的确定 在发射机槽路系统调谐的情况下，发射功率可由屏级电压计算。原九单元升、降功率实际上也是升、降屏压。系统得到发射机发射功率以后，折算成载波状态下打开的功率模块数n，然后根据Y值计算调制器输出每一个阶梯对应的采样音频数值x。则有第n 个采样点F(n)需要打开的摸块数和PDM补偿宽度可以这样确定：F(n)+Y/n=R，R的整数部分确定了阶梯数，小数部分确定脉宽补偿宽度。则调制器平均打开的模块数确定发射机的输出功率。3.4 等效面积补偿算法根据采样理论，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果是基本相同的，冲量即指窄脉冲的面积。把音频信号与PSM形成的大阶梯围成的误差用一个与此面积相等的等高矩形脉冲代替，即为等效面积法实现PSM+PWM调制。图4中音频采样率为70KHz ，采样点为0、A、B、C、O，各采样点以直线连接，逼近音频信号。阶梯及补偿脉宽的设置采取等面积原则，计算两采样点之间的面积，另两采样点之间的宽度W和一个阶梯高度H围成的面积为S0，两采样点之间以直线连接，与横轴围城的内接面积S，让S对S0作归一化处理，得到的整数就是脉阶数，小数就是对W归一化的脉宽宽度。 图4 算法示意图当采样点在同一阶梯内，计算脉宽补偿在两采样点中间，再加一个偏移量。如图5中L是两采样点的中心线，把两采样点之间的梯形分成两部分，很明显左半部分比右半部分面积少S，（阴影部分）所以补偿脉宽不是在中心线两端均匀分布，而是向右偏移x，使x*H=S,这样做不仅补偿误差信号的能量，同时也补偿误差信号的相位。图5 相位补偿原理两采样点不在同一个阶梯内，比如C点在第一台阶，D点在第二台阶，以直线连接两采样点，计算内接面积，对S0归一化，如果整数部分为1，则制作补偿买宽时让其与下一脉阶连在一起，这样做的的好处是可以有效降低开关频率，减小IGBT损耗。缺点是在这两点内相位补偿有些情况下会受到限制。但是影响非常微小，而且听觉对象为不敏感。 本系统采用CS5396对音频信号采样，精度为24位,若A/D变换的采样频率为96 KHz，由此系统可以产生一个6比特的动态范围(26=64), 这样相当于把一级开关的电压分成了64等份，每一级模块电压为U，则最小脉宽代表的电压值为U/64。在等面积算法中，为了确定补偿脉宽的补偿位置，在这里假定了一个比例因子，由于在两采样点之间最多只用一个PWM脉宽补偿误差，同时采样间隔被细分成了64等份。若需要补偿的脉宽宽度为p，则在采样间隔内可以移动的范围即为64-p，再把一级大阶梯的高度分为64-p份，那么偏移量就可以由两采样点之间的幅度差值来确定。 (1) (2)因此脉宽的补偿位置 就可由下式得出： (3)式中为一个台阶的高度, 为两采样点相距的阶梯数,和分别表示在和时刻采样值,为采样间隔。这样，很容易就可以得到开关开启和关闭的时刻。 (4) (5)4 计算机仿真及分析为验证本文方法的可行性，用等效面积法对PSM+PWM调制进行了计算机仿真。图6是频率为1000 Hz的正弦波，经PSM+PWM调制后就形成了图7所示的脉阶图形，这使得信号增加了许多频率分量，图8为调制信号的频谱图，为了使PSM调制器所输出的脉冲阶梯式音频调制信号平滑化，必须在它的输出端设置低通滤波器。图9为经过巴特沃斯低通滤波器后恢复的原始信号，可以看出本文方法可以很好的效果。图6 原始的音频信号 图7 PSM+PWM调制结果 图8 调制信号频谱图 图9 解调信号等效面积法最主要的特点就是能对谐波有较大的抑制，这是由于不在采样的中心位置做补偿脉宽而引起的。由于使用高精度A/D（CS5396）和高速数字信号处理芯片（TMS320VC33）并用等效面积法实现脉阶调制使得处理精度和处理速度大大提高。4 小结本文探讨了基于DSP的脉阶调制器的设计与实现问题，用DSP系统实现脉阶调制的PSM+PWM算法。提出了等效面积法，并进行了计算机仿真。仿真结果证明，改进的等效面积法对谐波的