TSW2500型500kW短波发射机PSM调制中PWM补偿原理分析

冯喜阳

摘 要 介绍了脉冲阶梯调制（PSM）技术的发展、基本结构和工作原理，简要介绍了近些年来脉冲阶梯调制（PSM）技术在大功率短波发射机中的应用。重点介绍了TSW2500型500 kW大功率短波发射机在PSM调制中，如何利用脉冲宽度调制（PWM）来进行细调谐补偿，从而来控制每一级阶梯误差，以便更逼近原始音频信号变化规律的方法。

关键词 大功率短波发射机；PSM调制；PWM补偿；原理

中图分类号：TN838 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）04-0038-02

目前世界各大功率广播发射机的都朝着高效率的方向发展，对于100 kW以上功率等级的短波广播发射机已实现整机效率达到70%，而取得这一成绩的主要原因之一是因为采用了新型的调制器。20世纪70年代发展起来的脉冲宽度调制器（Pulse Width Modulation-PWM），使500 kW短波功率等级短波广播发射机的整机效率提高到65%，80年代由瑞士ABB公司研制成功并发展起来的脉冲阶梯调制器（Pulse Step Modulation-PSM），将发射机的整机效率提高到75%，大大节约了能源，提高了发射机的稳定度，简化了发射机结构。

脉冲阶梯调制（PSM）技术特点是把传统屏调机的主整和调幅器合二为一，并把主整电压化整为零。PSM控制系统将输入的音频调制信号经模数转换后，再通过逻辑控制系统去控制相应的开关接通和断开。每接通一个PSM开关就向射频级被调电子管屏极增加一个Us的电压，接通开关数量的多少是正比于载波电平和音频调制信号的大小。若被调级的直流屏极电压为14 kV，每个模块的输出电压Us为700 V，那么在载波的情况下，将有20个PSM模块接通；在有调制情况下，对应100%调制正锋时，有40个模块接通；对应100%调制负峰是，所有PSM模块均被断开。因此PSM调制器输出波形是一个阶梯状波型。

1 PSM调制原理

TSW2500型500 kW发射机的PSM系统是由26个双功率模块串联组成，为发射机的高末级提供调制电压，如图1所示。每块模块都包含了一个直流电源Us，一个固态开关S和一个空转二极管D，每个模块也是一个初一级PSM开关。PSM系统总的输出电压是每个模块输出电压的总和。开关S也就是IGBT，受音频信号和直流信号经过模数转换和相应处理后的控制信号的控制，当开关S闭合时，输出电压为Us；当开关S断开时，输出电压为零，此时各级的串联电压通过空转二极管得以联通。因此，通过控制开关S闭合与断开来控制实际闭合的模块数量，就可以产生0和最大值Umax=N·Us（N为总的模块数）之间的任何电压值。由图1可知，在初始时刻T0时，所有PSM模块均断开，调制器的输出电压为0 V；而在下一时刻t1时，又一级PSM模块被合上，调制器的输出电压为Us，如此类推。

我们不难发现直接控制模块的开合方法来给高末屏极提供电压波形含有较大的阶梯纹波分量，当发射机处于小信号的低调幅或底音频调制时，其阶梯纹波的频率也很低，且都处在低通滤波器的带通内难以滤除，从而导致明显的量化失真。为了改善这种失真，将在每个阶梯电压上加上PWM补偿脉冲。该脉冲具有以下几个特点。

图1 PSM结构

1）补偿脉冲的振幅为一个PSM模块输出电压Us。

2）补偿脉冲的宽度正比于两个阶梯之间与音频信号的瞬时误差电压。

3）补偿脉冲的频率一般在70 kHz～100 kHz范围内选择。

如图2所示。

图2 PWM调制

并且为了使各级PSM模块获得均匀的工作负荷，同时降低PSM开关的工作频率，通过采用“先合者先断”和“先断者先合”的顺序进行。在载波情况下，每个PSM模块的开关工作频率将降低为原来的1/n，从而使所有的模块工作时间基本相同。

2 PWM补偿方法

PWM发生器的运行频率为12.8 MHz，而PWM的开关频率为100 kHz，因此产生一个7位的动态范围（27=128），而总的动态范围由功率模块的数量决定。7比特的动态范围相当于把一个模块电压台阶（大台阶）US细分成128个细台阶，细台阶值为1/128US。所以PWM的补偿值为1/128US-127/128US。

本机有52个单功率模块。单音周100%调幅时有52级大台阶，所以总的台阶数为52×128=6656。

2.1 PWM的实现过程

PWM数值用来结合EPROM中的编码表产生一个ON和一个OFF的时间，ON和OFF的时间计算依靠r和一个相应8位EPROM，如图3所示。

编码表产生两个数字（对应a与b），两个数字送入两个已经清零的计数器，一个计数器（对应b值）在其计数到0时发出PWM-ON（b

图3 PWM框图

2.2 PSM模块循环过程

PSM模块接受控制系统“ON”和“OFF”命令进行合断，并将损坏的功率模块排除在使用范围之外，如图4所示。

图4 功率模块循环控制框图

当或门1的输入信号任一路有操作脉冲，都会输出一个合闸脉冲。该合闸脉冲（送入ON CONTROL）从OFF FIFO存储器A19的低端，读出一个被断开时间最长PSM开关地址（Off Address），并把这个地址变为ON Address分两路送出，一路由底端写入ON FIFO（A18）中，另一路送去光纤接口板；同时ON CONTROL发出一个ON信号去光线接口板，去合上该断开时间最长PSM开关。

当或门2的输入信号任一路有操作脉冲，都会输出一个拉闸脉冲。该拉闸脉冲（送入OFF CONTROL）从ON FIFO存储器A18的顶端，读出一个被合上时间最长PSM开关地址（ON Address），并把这个地址变为OFF Address分两路送出，一路由顶端写入OFF FIFO（A19）中，另一路送去光纤接口板；同时OFF CONTROL发出一个OFF信号去光纤接口板，去断开这个合上时间最长PSM开关。

3 小结

TSW2500型500 kW发射机PSM调制系统中采取先进的PWM辅助补偿技术，提高了发射机的调制量化精度，大大减小了失真，有力地提升了该发射机的电声指标。通过对PWM补偿技术的研究，不仅使我们加深了对该类型大功率短波发射机调制技术的了解，而且为我们日常维护工作和发射机故障处理提供了理论支持，希望能为同行提供有价值的参考。

参考文献

[1]THALES公司.TSW2500型500KW短波发射机说明书[M].

[2]刘长年，无名森，王福全，舒学峰.广播发送技术[M].北京：电总局无线电台管理局，1999.

[3]张学田，李英华，刘洪才.广播电视技术手册：第6分册[M].国防工业出版社，2000.

[4]林红.数字电路与逻辑设计[M].清华大学出版社，2009.