全固态模拟电视发射机功放单元数字化改造

刘学理

(河南省无线发射传输管理中心，河南 郑州 450000)

全固态模拟电视发射机功放单元数字化改造

刘学理

(河南省无线发射传输管理中心，河南 郑州 450000)

针对我国目前存在大量模拟发射机的现状，通过对河南省7个骨干台模拟发射机数字化改造实验，总结了在数字化过程中功放单元改造需要注意的问题，详细分析了地面数字电视发射中几个关键技术指标，并描述了相关技术指标调整和优化的具体过程。

功率放大器；调制误差率；非线性失真

按照广电总局关于《地面数字电视广播覆盖网发展规划》(广发﹝2012﹞113号)文件精神，稳步推进地面电视数字化转换，逐步增加地面数字电视覆盖范围和节目数量，到2018年底，完成数字化转换过渡，2020年全国停止模拟电视播出。目前，我国2 000多个无线发射台站配置了模拟电视发射机，为迎接数字无线发射时刻的到来，不允许也不可能全面淘汰现有模拟电视发射机。购进新设备需投入大量资金，先一步探索适合发射台地面数字电视渐进式发展的模式，保证当地能够全面、快速地进入数字化覆盖时代，加快推进地面数字电视发展，对于巩固和拓展党的宣传文化阵地，提高广播电视公共服务的质量和水平，满足人民群众日益增长的精神文化需求，对现有模拟电视发射机适应数字地面电视(DTMB)发射的技术研究，在现阶段显得尤为重要。

1 全固态模拟电视发射机

1.1 全固态模拟电视发射机的组成

全固态模拟电视发射机主要由以下几部分组成：激励器、功放模块、带通滤波器、合成器、分配器、电源模块、制冷和监控。

1)激励器是发射机的主要核心部件，其主要功能是将由节目源传输过来的AV信号经过处理后上变频到发射频率，并放大一定功率后去推动功放模块。

2)功率放大器是电视发射机价格的决定因素，约占发射机机价格的75%。该部分的作用主要是提升发射机的输出功率等级，把从激励器送过来的射频信号放大到设计功率。

3)无源器件在发射机中，无源器件主要包括分配器和合成器等，为使发射机输出更高的发射功率，需多个末级功放分配器，主要功能是把激励器的输出功率平均分配到各个功放模块，由各功放模块分别进行功率放大后，再输出到合成器。整体架构实现了同向一次分配合成，最大限度减少多次合成造成的功率损耗。如图1所示。

图1 发射机组成

4)供电系统：开关电源采用并联均流供电方式，其中电源监测模块监控电源的工作状态，根据监控的情况自动调整整机工作状态，并有过流、过压、欠压、短路、过温、防雷击等保护措施。

5)制冷系统：固态电视发射机一直以来最常用的冷却方式是风冷，即通过冷却空气的流动来散热。随着科技的发展，水冷/液冷冷却方式也逐渐为固态发射机所用，它以冷却液的流动来进行热交换。

模拟电视发射机一般都是功率在10 kW以上的大功率发射机，功率放大器模块比较多，一般使用外部强制风冷冷却方式。外部强制风冷冷却方式主要是通过外部风机带动风力循环来实现，一般都需要用到送风机和排风机。送风机的原理是通过风机转动，把冷空气吸入风道送到机器内部，排风机的原理是通过风机转动把热空气抽出，排放到外部大气当中。

6)监控系统：发射机监控系统采用自动控制技术、检测技术和计算机网络通信技术，对广播、电视发射机的本地及远程实时控制，对其运行参数及运行状态进行实时监测，具有自动开关机、故障点定位、故障记录、故障报警、指标检测、报表统计、数据管理、数据查询、网络数据共享、Internet远程访问等功能系统。

1.2 末级功放原理和特点

末级功放组成部分主要包括：输入、输出模块，功率放大模块，监控模块，供电部分和制冷系统等。功率放大器的主要部件“功放模块”，由多个LDMOS或VDMOS场效应管并联组成[1]。以LDMOS管为例，其工作原理是：由激励器输出射频信号，通过约26 dB的推动级功放，把激励器的输出功率放大到约70 W，放大后的信号经过功率分配器分成3路，经过约13 dB低增益的末级功放进行再次放大，最后合成至1 kW输出。

末级功放电路：由激励器来的输入信号通过二分配进行功率分配，信号被平分为2路，这两路信号经过各自的BLF861组成的放大电路进行放大，放大后的功率信号再经过合成器进行功率合成，两个相同的放大电路组成一个功放模块。两个相同的功放模块组成一个末级功放单元[2]。每个功放单元内还有监控装置，能够提供各种工作状态的监控数据，例如输出及反射功率、电源电压参数、BLF861管电流参数和报警功能等。

全固态发射机由于采用新型放大器件，功放模块具有较高增益和良好的线性等特点，工作在宽带，性能指标好，稳定可靠，效率高。

2 数字电视发射机末级功放的主要技术指标

2.1 带肩比

带肩比具体定义为信号中心频点的功率值与偏离中心频点载波外某点功率的比值，带肩比为中心频点±4.2 MHz的信号电平与中心频点电平的比值，而我国的一个电视频道标准带宽也为8 MHz。带肩比直接反映了数字电视发射机功放的线性水平，只有线性化程度越高，带肩比越好，才能保证被传输信号具有尽可能低的调制误码率和高的信噪比。

2.2 调制误差率

调制误差率(MER)是数字电视信号的理想符号功率与噪声功率之比取对数。众所周知，对于数字信号，在调制编码环节，会把数字信号分解为I组和Q组，I，Q的相位差为90°，量化后I，Q在一个坐标图上都有对应的位置，如果符号在理想位置，应该为一个小点，但是噪声总是存在的，所以实际位置总会存在偏差。而调制误差率就是使用数学模型来表示数字电视信号的噪声状态，其公式为

(1)

而星座图是用图形来表示数字电视信号的噪声状态，如图2为具有广义噪声干扰的星座图。

图2 具有广义噪声干扰的星座图

MER包含了信号所有类型的损伤，如各种噪声、载波泄漏、I/Q幅度不平衡、I/Q相位误差和相位噪声等。它反映了数字电视信号经传输后损伤的程度，是衡量数字电视系统的重要指标。MER的经验门限值对于不同调制模式有不一样的要求，当低于门限值时，接收端将无法正常接收。在发射系统的不同测量位置MER所要求的指标也不同，我国发射机的标准中要求发射机最终输出的射频信号的MER不小于32dB。在星座图中的体现就是每一个代表信号的小点都在判断门限中，也就是要求小点在星座图中的小圆圈以内，两个要求是一致的，只是描述方式不同而已[3]。

2.3 非线性失真

非线性失真是由于引进非线性元件或进入非线性区域而引起的，对于一个理想的信号放大设备，输出信号应该如实反映输入信号，即使在幅度和时间上可能有所不同，但波形应当是相同的。但是实际器件，输出信号中除了有放大了的输入信号以外，还增加了一定比例的输入信号的高次谐波，使得输出信号产生了变形或失真，这种失真叫做非线性失真。非线性失真是指数型失真，在输出信号中产生了新的频率分量。

图3 功放单元电路图

3 模拟电视发射机功放数字化几个关键参数的调整

一般模拟电视发射机的末级功放单元多为三级串联，即前级、中间级和末级。以CSD10KW模拟电视发射机为例。该功放单元共三级串联(如图3)，输入1mW、输出1kW，功率增益GP约60dB。

3.1 前级推动的调整

发射机的前级推动是发射机必不可少的一部分，其特点一是输出功率较小，一般为30dBm左右；二是增益较大，约为30dB左右。该级推动直接实现mW级到W级的转变。这级推动的指标对整个发射机的指标影响较大，尤其在数字传输模式时，需线性放大，带肩指标不能裂变太大，严格控制在5dB以内。对前级推动指标影响较大参数有两个，一是输入输出阻抗；二是功放管线性放大区的静态工作点。

该功放前级推动的第一级功放由一只BGD714管组成。BGD714功放管的工作电压为24V，静态工作电流0.4A相对比较固定，在该工作点线性较好，该静态工作点通用于模拟和数字，但为了提高带肩比，对小功率高增益的功放管可引入衰减器。衰减器一是优化输入输出匹配网络；二是实现整机功率回退。结合发射机高频放大电路结构特点易采用Π型衰减网络(如图4)。

图4 Π型衰减器

(2)

(3)

A=10lgN

(4)式中：Rc为输入阻抗，为50 Ω；N为电压UO/UI比值，考虑到发射机整机功率回退3～5 dB及每级放大管输入带肩指标和降低底部噪声的要求，输入级采用1 dB功率衰减，输出级采用3 dB功率衰减。如图4所示输入输出阻抗均为50 Ω，A为1 dB，经计算可得出：R1和R2分别为11.6 Ω和436 Ω，为了便于购置市场常用高频无感电阻可采用R1为12 Ω和R2为430 Ω。输出级3 dB衰减，A等于3 dB，按照式(2)～(4)可得出R1约为37 Ω和R2为150 Ω。

前级推动的第二级功放，这级功放由1只BLF861A管组成，模拟模式下，静态电流为0.7 A，工作在AB类，增益为12 dB。对BLF861A而言，静态工作电流适当增加，也将增加带肩比指标，如图5、6是静态工作电流0.6 A与1.0 A的比较，静态工作点在1.0 A使带肩比提高了15.43 dB，增益提高了2 dB；对整机而言，前级静态工作点在0.6 A时，带肩比为-21.5 dB(见图7)；在1.0 A时带肩比为-27.6 dB(见图8)。通过比较可以得出静态工作电流在1.0 A时，带肩裂变相对较小。

图5 静态工作点0.6 A(截图)

图6 静态工作点1.0 A(截图)

图7 前级调整前带肩比(截图)

图8 前级调整后带肩比(截图)

3.2 中间级推动的调整

UHF发射机中间级功率推动功放是由1只 BLF861A管组成，静态电流为2～3 A，工作在A类，增益为13～16 dB，该级推动仅进行简单的调整，来平衡发射机各功放单元(包含前级、中间级、末级功放)的输出功率，使得各功放单元的输出功率相当。以CSD10KW发射机为例：功放单元的增益调整到60 dB。

3.3 末级放大管的调整

LDMOS(lateral diffused metal oxide semiconductor)即横向扩散金属氧化物半导体广泛应用于电视发射机中。20世纪后期，BLF861 UHF power LDMOS 晶体管广泛应用于全固态模拟电视发射机中，该功放管输出功率大、增益高，BLF861管技术参数如表1所示。

表1 BLF861 管技术参数

工作模式频率/MHzVDS/VPL/WGP/dB效率/%PALAB类86032170同步顶>1440

全固态模拟电视发射机末级功放管BLF861静态工作点0.7～0.8 A，在模拟发射机适应数字化发射时，对末级要进行必要的调整。这一级功放的调整与否直接影响数字播出时的输出功率、带肩比、调制误码率(MER)及覆盖效果。从河南的7个骨干台改造中均采用了静态工作电流为1.0～1.2 A。BLF861在该静态工作点的带肩比指标相对较好。又考虑到改造后的发射机能适应模拟播出，末级的静态工作点不宜太高，静态工作点最终选择1.0 A(见图9)。

图9 末级功放管调整后整机带肩图(截图)

末级功放调整后，整个带肩比指标提升较为明显，通过图7与图9比较可知，带肩比指标至少改善了15 dB。

3.4 末级功放单元的整体调整

末级功放单元的整体调整直接影响着整个发射机的稳定性，发射机多组功放输出平衡情况，直接影响着发射机的效率、功放管的使用寿命、整机的发射效率。

(5)

式中：Pout为合成功率，P1和P2为功放的输出功率，由此可见，发射机每组功放平衡输出必须平衡，即每组末级功放增益须相当。

功放管的输出功率不仅影响着整机的输出功率，而且影响着数字播出时的带肩指标(功放管的线性)。在模拟发射机中BLF861功放管的输出功率125～150W。从BLF861特性图可知(图10)，这一功率区域并不适合数字播出，为保证发射机的线性指标，采用了25～75W这一功率区域。这一段线性较好，也就是功率回退。通过功率回退保障带肩比指标。

图10 BLF861特性图

4 结束语

河南7个骨干发射台经数字化技术改造之后，运行了一段时间，各项技术指标运行稳定，播出节目的图像质量和声音质量明显改善，丰富了节目数量，更好地满足了人民群众观看数字电视的需要。在实际应用中，设备的稳定性、低耗能、易于维护等优势非常突出，而且投入不是很大。是一项极成功的技术改造，也顺应了电视数字化发展的必然趋势。数字电视广播发射系统取代模拟发射系统已经成为一个必然趋势。特别是随着中央广播电视节目无线数字化覆盖工程项目的推进，必将促进各地无线数字电视的快速发展。所以研究模拟电视发射机和数字电视发射机的特点，掌握模拟发射机向数字发射机转变的技术具有很大的现实意义。特别是在目前模拟发射机占绝大多数情况下，对于部分资金紧张的无线发射台，利用模拟发射机数字化改造技术进行无线地面数字电视的发射，不失为一种可行的方式，值得在广电系统推广。

[1] 王红熳. 全固态电视发射机功率放大器的维修[J]. 科学与财富，2013(9)：42.

[2] 杨振. 1kW全固态发射机的末级功放[J]. 卫星电视与宽带多媒体，2006(22):45-46.

[3] 邹宝平，杨勇，闫路标. 地面数字电视发射机技术指标的检测[J].辽宁广播电视技术, 2014,14(1):71-73.

Digital reconstruction of power amplifier unit in all solid state analog TV transmitter

LIU Xueli

(HenanRadioEmissionandTransmissionManagementCenter,Zhengzhou450000,China)

In view of the present situation of a large number of analog transmitters, through the digital transformation experiment of seven transmitting stations, the problem of the improvement of the power amplifier unit in the digital transformation is summarized. Several key technical indicators in the ground digital TV transmission are analyzed in detail. And the specific process of adjustment and optimization of the related technology parameters are described.

HPA; MER; nonlinear distortion

刘学理.全固态模拟电视发射机功放单元数字化改造[J]. 电视技术，2017,41(1)：68-72. LIU X L.Digital reconstruction of power amplifier unit in all solid state analog TV transmitter[J]. Video engineering，2017,41(1)：68-72.

TN941.3

B

10.16280/j.videoe.2017.01.014

2016-06-06

刘学理(1976— )，硕士，高级工程师，主要研究方向为广播电视技术及覆盖工程。

责任编辑：薛 京