浅析PSM短波发射机数字调制器综合算法板

蔚长征

摘要：本文简单介绍应用DMR2000数字调制器对TBH-522型PSM150KW短波发射机调制控制器的升级改造，主要介绍DMR2000数字调制器中的综合算法板。对综合算法板中的音频采样率、基带调制、功率控制功能和工频噪声补偿等功能进行简单介绍，重点分析分段式数字预失真处理技术和△—PWM技术。简单说明操作和维护方法。

关键词：调制器 综合算法 发射机

中图分类号：TN838 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）12-0135-02

1 调制控制器的升级改造的意义

TBH-522型150KW短波发射机低周采用的是脉冲阶梯调制（PSM），是上世纪80年代開发的调制技术，在世界范围内的到广泛应用，使发射机的效率和可靠性的到了提高。PSM调制器主要由“阶梯放大器”和“调制控制器”两部分组成。是把阶梯电压的直流分量转化为高频载波功率，音频分量转化为高频边带功率，将主整和调幅器合二为一，提供阶梯电压的装置。数字调制器的使用使PSM调制器实现了数字化，改善了发射机电声指标，提高了我台发射机广播覆盖及实验任务的发射效果，满足了优质播出的要求。

2 系统结构组成

DMR2000数字调制控制器主要由：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。数字调制控制器主从（MAST-SLAVE）式异步并线结构，MAST端由综合算法板上的DSP控制，其他板卡处于总线的SLAVE端。

综合算法板作为数字调制器的核心处理单元，可用于调节发射机电声指标和帘栅的起步电压及帘栅电压的放大倍数，设置浮动载波以及音频加功率输入幅度和帘栅模块正常工作指示。

3 综合算法板的面板功能（见图1）

UART与电脑端连接，用于调节信噪比、失真、频响指示的补偿参数，读取模块状态等。

C1、C2、C3为机械编码器，C1是调节帘栅的起步电压，C2帘栅电压，C3是设置浮动载波（C1、C2必须在发射机未加高压的情况下调节）。

A1指示灯FPGA程序加载完毕。

A2-A8指示灯为音频加功率输入幅度指示，随着音频幅度以及功率增加指示灯由A8开始向上逐一亮起。（A10、A11，B10、B11，B1-B8暂未使用）。

A12、A13为两个帘栅模块工作正常指示（两个绿灯亮为工作正常），B12、B13为两个帘栅模块故障指示（红灯亮为帘栅模块故障）。

AUDIO为PSM音频信号输入、STEP为PSM阶梯信号输出。

4 综合算法板的功能（见图2）

综合算法板主要包括音频采样率转换、音频信号的基带调制、△—PWM、功率控制、自动增益控制、帘栅控制、指标补偿等功能。

4.1 音频采样率转换

系统利用ADSP—21369系统内部集成的两个异步采样率转换器，将PSM调制器量化噪声能量调制到PSM解调器通频带外，取得较高的音频信号采样率。对外部解码设备的PCM音频信号进行采样率转换，将采样率统一到同一频率送DSP处理。DSP根据固定的码率进行基带调制计算。

4.2 数字预失真的处理

发射机低周系统的信号失真随着频率的升高，失真严重，正负峰不对称。调制器改造前，抑制输出失真的采用了两个办法：

（1）对帘栅电源两个功率模块采用了PDM脉冲的控制方式，改善失真。（2）在音频通路板中加入70KHZ的三角波信号，使得输入音频信号频率的升高，形成PDM的补偿脉冲也相应增加，音频信号无论频率高低，失真保持不变。

数字调制器采用分段式数字预失真补偿的方法来改善发射机输出失真，数字预失真处理系统可以有效改善发射机系统的非线性失真，并且优于模拟系统。但是局限性是只是针对低周系统所做的预失真补偿，不能校正高末级处于一定程度的失谐时，所产生的谐波失真。

4.3 音频信号的基带调制

基带调制主要完成AM预调制和浮动载波控制。

（1）AM预调制：进行固定载波的AM预调制，在音频信号上叠加直流分量。得到信号表达式：

X[i]=A（1+mx（i））

其中A是调制信号的幅度，X（i）是音频信号，m是调幅度。当AM预调制信号X[i]经阶梯放大后送往调制级后，被高末级电子管整体调制载频上去，直流分量即成为载波分量，音频分量即成为包络信号，这里叫AM预调制。

（2）浮动载波控制仍沿用PSM调制器的控制方法，输出载波电平根据调幅度的大小作上下波动，地调幅输出电压较小，高调幅输出电压大。浮动载波的功能是在不影响收听效果的前提下节约电能。

4.4 △—PWM调制

“△—PWM调制”技术是△-∑（Sigma Delta）调制技术与PWM（Pulse Width Modulation）调制技术的结合。

△-PWM调制算法，设计思路来源于多比特△-∑调制器的结构，根据输入信号与输出信号（输出信号指的是算法对阶梯放大器实际输出信号的模拟）之间的误差进行单比特的PWM调制。

利用了△-∑调制反馈思想和PWM调制的简单性和稳定性。既解决了多比特△-∑调制器系统不稳定问题，又对阶梯放大器的非思想特性进行“阶梯修正技术”，在很大程度上抑制了PSM发射机固有的循环噪声。

利用“过抽样”和“噪声整形”技术将阶梯放大器的量化噪声调制到音频带外高频端，以利用解调滤波器加以滤除。

利用数字积分器的环路反馈的修正效果，来改善阶梯放大器的非理想特性。

4.5 功率控制

包括功率模式选择，功率升降控制、削波处理、及功率封锁。发射机功率模块已全部采用数字模块，可对发射机输出功率大小进行控制，在发射机出现故障时自动转换到低功率工作状态，直至封锁全部输出功率。 当功率模块不工作达到一定数量时，可以自动降低输出功率寄存器的功率值来保证输出波形出现切顶失真。

4.6 自动增益控制

调制器电压和帘栅电压的输出都根据功率实测的输出电压进行增益控制。 解决机房供电输出电压随着发射机的运行数量的变化，产生较大波动的问题。保护了电子管、真空电容等大型真空器件，保证了发射机输出功率稳定。

4.7 帘栅控制

高末帘栅级电压随着功率的变化而变化，音频信号的低频分量参与了帘栅统调，以降低发射机的低频失真。

4.8 指标补偿

（1）循环噪声：由输入与输出之间的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。使用信号差分器计算输入信号与 PSM 调制器输出信号之间的误差； PSM合成器根据目前功率模块的使用情况来估计PSM 调制器的输出。模块电压查找表存储归一化的功率模块输出电压；模块地址管理器：模块的循环使用，动态的实现功率模地址的插入和删除以及功率模块电压的刷新；PDM调制器根据误差信号生成功率模块开关控制信号。

（2）电源工频噪声的补偿：进行预补偿可抵消功率模块输出含300HZ及谐波成分；交流灯丝产生的100HZ 及谐波分量；低调制控制器采用模拟信号源时，桥式整流残存的100KHZ噪声及谐波分量。

4.9 系统操作及总线维护

通过板上的机械编码器和拨码开关对系统进行设置。

通过串行通信接口进行补偿参数的调整，查看系统设置及功率模块的正常电压和过压、过流保护等状态。

ADSP—21369占用总线的主控端，可以访问和控制总线上挂载的所有设备。但是发射机的保护系统是独立于总线管理之外的，有最高操作权限。

综合算法板完成了数字调制器信号的主要功能，其他板块只是提供外围功能接口，简化了电路设计，节约了板卡的使用数量，降低了维护人员的维护量。综合算法板使用处理芯片的资源还不到20%，系统还具有很高的研发空间。