新型PSM短波发射机数字调制器原理分析

王靖 张同舟 江苏省广播电视总台

1.引言

上世纪八十年代脉冲阶梯调制（PSM）式调幅广播发射机诞生，因其与早期的板调机相比更加高效、稳定，电声指标也更好，PSM短波发射机在我国得到广泛应用。但是随着时代的进步，对广播发射机的技术指标提出了更高的要求，原来采用模拟PSM调制技术的短波发射机逐渐失去了技术优势。近年来，随着数字技术、计算机技术，以及新材料、新元器件的发展，使得基于数字技术的脉冲阶梯调制设备的实现成为现实。

我台迁建后新安装了两部SW-100F型100KW短波广播发射机，其调制器部分即采用了DMR2000新型数字脉冲阶梯调制器。数字调制器的应用使得短波发射机在信噪比、失真、频响等关键音频技术指标上较原先采用模拟调制器有了突破性提高。

2.模拟PSM调制器的局限性

PSM短波发射机把主整和调幅器合二为一，并把主整电压化整为零，由48套低压整流器串联组成。每套整流器输出电压分别受电子开关控制，而这些电子开关又受控于直流控制信号和音频调制信号。因为，主整输出电压的量化以单个子模块的输出电压为阶梯，一共只有48个阶梯，非线性失真较大。为解决这个问题，在模拟PSM调制器中，采用PWM脉宽来补偿音频信号经过PSM调制所产生的误差。PSM调制根据每个采样点幅值来确定需要合上的开关模块的级数(大台阶数)。PWM脉冲的形成则是依靠在音频信号和直流信号上叠加的三角波来实现，这些控制和补偿信号均由PSM调制器来处理。

虽然传统的模拟PSM调制器技术比较先进，固态化的程度较高，在音频和功率控制系统方面也做了较多改进，但是由于其结构复杂，元器件众多，增加了控制和补偿信号产生所经历的环节。另外，其数据处理分路电压较低，模拟元器件的不稳定性，易造成信号异常而产生杂音，直接影响短波发射机的性能指标。

我台在实际维护中，也尝试采取多种措施提高发射机指标。比如，更换功率模块的IGBT晶体管、排除模块故障、调整模块导通顺序等。但是信噪比指标也只能略优于58dB的甲级标准。为了进一步提高发射机电声指标，改善播出效果，必须采用技术更加先进的数字PSM调制器。

3. 数字PSM调制器的组成和指标补偿原理

3.1 数字PSM调制器系统组成

数字PSM调制系统主要组成部件包括：电源板、控制接口板、音频转换板、综合算法板、调制接口板、光发光收板。数字PSM调制器总体架构框图如图1所示。

图1 数字PSM调制器总体架构框图

（1）电源板：采用宽电压输入范围的开关电源，输入电压范围80V～260VAC。其中+5V为数字电路提供电源，±15V为模拟电路提供电源。外电电网的频率和相位信号采集，也在电源板通过交流电源耦合获得。

（2）控制接口板：主要完成和发射机控制组合的对接，从而完成发射机功率控制、逻辑保护以及显示指示等功能。其输入和输出信号均采用光电隔离器件，并且可以通过跳线选择输入输出的电平标准，从而兼容不同厂家的发射机。

（3）音频转换板：主要完成对输入的音频信号进行预处理。可选择模拟和数字音频输入，经过采样处理，两种音频格式均转换成IIS（Inter-IC Sound）格式编码的24位二进制信号，再把此二进制码流送到综合算法板。

（4）综合算法板：主要完成音频信号的采样率转换和基带调制、PWM补偿、帘栅模块的控制、功率控制和指标补偿等功能。

（5）调制接口板和光发光收板：主要完成功率模块状态信息的采集和功率模块的开关控制。功率模块状态信息主要包含模块的输出电压、过流和失步保护状态。

3.2 数字PSM调制器指标补偿原理

综合算法板完成了数字PSM调制器的主要功能，是调制器系统中最核心的处理部件。综合算法板的原理框图如图2所示。

综合算法板的主要功能包括：音频采样率转换、音频信号的基带调制、Δ—PWM调制、功率控制、自动增益控制、帘栅控制、指标补偿。其中最关键的特性要属音频三大指标的补偿功能。

3.2.1 信噪比的补偿

（1）循环噪声的抑制

图2 综合算法板的原理框图

采用信号差分器计算PSM调制器输入信号与输出信号之间的误差，根据误差信号来驱动调制器功率模块的开关, 最终使调制器的输出与输入信号达到最小的误差。

采用模块地址管理器，实现功率模块地址的动态插入和删除以及功率模块电压的刷新以及控制模块的循环使用。系统集成了四种模块导通顺序，可以通过改变拨码开关的位置选择最优的导通顺序，这样较模拟调制器的改变光缆顺序的方法具有很大的便利。

（2）工频噪声的抵消

图3 循环噪声较大的情况与经过抑制的循环噪声

发射机的主要工频噪声是由于电子管（除灯丝）各级电源经过整流滤波后所带来的纹波噪声，交流灯丝带来的工频噪声是很严重的。本系统将反馈取得的电源工频样值，经过幅度增益和相位的调整后，与音频输入信号进行反向的叠加，用于抵消发射机系统产生的电源工频噪声，可以大大提高信噪比。

3.2.2 谐波失真的补偿

（1）谐波预失真补偿

系统预先加入输入信号的二次谐波和三次谐波分量，通过调整好的谐波幅度和相位，补偿发射机放大系统的谐波失真。

（2）正负峰不对称补偿

音频信号输入后通过多组滤波器，将输入信号分为六段，再通过各段参数进行峰值补偿，最后合成输出。

3.2.3 频响的补偿

图4 工频噪声抵消原理框图

图5 谐波预失真补偿原理

图6 补偿前后正峰幅频特性对比

首先，将送进来的音频信号经过六个频段的滤波器划分成6个频段，再将得到的6个频段的音频信号乘以一个系数再相加得到复原的音频信号。通过软件控制改变某个频段的系数就可以改变相应频段的频响指标。

3.2.4 指标调试功能

综合算法板提供简便易行的指标调试功能。将面板的RS232接口与发射机工控机的USB端口相连，进入指标调试界面，即可调节信噪比、频响、失真指标的补偿参数，还可以读取模块工作状态信息。

采用数字调制器后，音频三大指标典型测试值为：信杂比优于60dB，频响优于±0.5dB，非线性失真优于3%，载波跌落和调幅不对称度优于1%，完全达到总局甲级标准要求。

3.3 数字PSM调制器的主要优点

数字PSM调制器克服了模拟调制器的不足，具有以下优点：

（1）该系统完全基于DSP+FPGA的数字信号处理系统，主要功能模块基于软件算法实现，计算能力强大、处理带宽更高、抗干扰性能更好。

（2）系统使用“信号过采样”技术，将量化噪声信号分布到更宽的频谱范围内，并通过“噪声整形”技术，将量化噪声调制到带外高频端，从而降低带内噪声功率谱密度，提高信噪比。

（3）利用数字信号处理技术，通过对发射机低周系统进行合理的输出补偿措施，有效改善发射机整机电声指标。

（4）系统重新设计了高精度数字化功率模块和模块控制板，控制精度更高，能自动跳过故障模块，降低了循环噪声。

（5）音频信号采用全数字化处理，克服了模拟调制器温度漂移、器件老化等因素所造成的参数变化影响的缺陷，系统稳定性大大提高。

4.结束语

短波发射机模拟PSM调制器多由分立器件组成，模拟电路较多，电源功耗大，很多器件易受到温漂的影响，造成系统故障率较高，不易维护，最关键的是技术指标不理想。现在采用了数字PSM调制器，模拟电路大大减少，主要功能基于软件算法来实现，这样大大提高了数据处理的精度和带宽，提高了系统稳定性，使我台PSM-100F型发射机的电声指标较原来有了较大提高。其极高的系统稳定性，简便的指标调试功能，有效减少了维护工作量，节省了维护的时间，保证了安全优质播出。