FM数字激励器的原理分析与故障处理

黄海涛

摘要：FM数字激励器是调频发射机的核心，本文对其工作原理进行了详细的阐述，并结合电台实际运用情况对使用时处理的故障情况进行了总结与分析。

关键词：音频处理；调制器；功放；故障处理

FM数字激励器采用DDS技术产生调制载波，采用DSP技术对音频信号进行处理，实现数字滤波、预加重、立体声编码、载波调制等。与普通模拟激励器相比，FM数字激励器因采用了数字化的处理技术，它的各项指标远高于模拟激励器，对输出信号的频率稳定度、相位及幅度可以准确的控制，确保了激励器之间的指标一致性和稳定性。

一、电路工作原理

数字激励器采用模块化的设计结构，由音频处理器模块、调制器模块、监控保护模块和激励器功放及电源模块组成。数字调制激励器将音频输入信号和附加业务信号转换成数字基带信号后，由调制器调制到调频载波上，功放放大后输出。

1、音频处理器模块。数字调制激励器的音频处理器模块实现立体声编码，它提供了单生、立体声和MPX音频信号输入接口和其他附加业务信道信号接口，现在多数音频处理器模块还提供AES/EBU等数字音频接口。音频处理器模块由音频预处理电路、预加重电路和立体声编码器与限幅器构成。音频预处理电路通过设置音频衰减器的衰减量，改变音频输入阻抗等措施来实现调整音频信号输入幅度的功能，正常情况下使用标称音频电平输入时，输出信号相对于载波的频率偏移是75kHz。音频处理器模块提供3种预加重信号处理方式，75μS预加重，50μS预加重及0μS预加重（即无预加重方式），可以通过设置模拟开关来选择预加重常数。立体声编码的实现方式是采用软开关方式处理L/R路信号，之后和导频19kHz信号混合。采用软开关的编码方式比硬开关或矩阵式编码方式的优点是信号的分离度和失真指标好，信号编码后成分有L/R信号、抑制副载波后的L/R的信号差和导频。限幅器的作用是在输入的音频信号超过标称电平时，通过调整复合信号的幅度来确保调制频偏不致过大。

2、调制器模块。调制器模块包括电平调整与VCO压控电路、锁相频率合成器、环路滤波器和VCO放大组成。电平调整的功能是处理音频处理器模块送来的合成基带信号的电平幅度，使在标称输入时，满足基带信号调制度100%（75kHz频偏）。VCO压控电路产生调频载波的过程是直接调频变容二极管，产生的射频信号由锁相频率合成器的分频器分频处理后与基准频率进行比较，输出的差拍电压进入环路滤波器，环路滤波器滤除和频成分后信号返回VCO压控，输出的频率进一步接近锁定频率，直到锁定鉴相器并提供锁定指示。压控振荡器VCO输出的调频信号由输出放大级进行放大以提高输出信号的抗干扰能力，输出放大级只有在射频输出信号被锁定的后才会工作，執行放大功能。

3、监控保护模块。控制监测保护模块实现监测音频输入信号和切换信号、AGC功率增益自动控制保护、音量的自动调整削波、提供远程控制接口及实现同步等。对输入的音频信号实施实时监控以检测音频信号的有无，检测数字音频信号接口是否存在故障，如果发射机有备份的音频信号源，则在检测到故障后根据备份的优先级别切换到备份音频信号源。功率控制保护电路实时监测发射机的入/反射功率，通过检测输出的入/反射功率的检波电压与设定的跟踪电压来实时校正激励器的输出功率，维持发射机的稳定输出。音频自动调整电路在调制频偏大于110KHz时对音频信号进行削波；当出现多次削波时，将自动减小音量；相反，当音频幅度长时间达不到100%调制度时，将自动提高音量。监控保护模块提供远程控制接口（RS485/RS232串口），上位机可以直接通过远程控制接口读取激励器的运行状态，设置参数。同步电路依靠接入外部的1PPS信号和10MHz实现调整导频相位和音频延时，保证了相干范围内的导频与音频输入同步。

4、激励器功放和电源模块。激励器功放电路负责放大已调波信号，由功放模块电路、低通滤波器电路和定向耦合器电路组成。一般30W激励器功放都采用两级放大方式，放大后的信号经低通滤波器滤除2次以上谐波，通过N型射频插座输出。定向耦合器位于滤波器之后，由耦合线和衰减电阻、检波电路构成，检测到的信号作为入射功率和反射功率的采样信号。电源模块为开关电源，可以有效地滤除文波和电磁干扰，保证了激励器有一个可靠的指标。

二、故障处理

结合调频数字激励器的实际运用情况，FM数字激励器常见的故障包括无音频或音频幅度低、报“过载”故障和“失锁”。

1、无音频或音频幅度太低。检查信号源，信号源与激励器音频输入端之间的信号线，确保输入激励器的音频信号正常。如果输入的音频信号无问题，检查监控保护模块的音频自动调整电路。

2、激励器报“过载”故障。报“过载”故障时，反射功率会大于阈值，激励器输出功率将小于正常输出值。此故障不是激励器本身故障，而是激励器的输出端和后端设备连接出现问题，一般是失配造成。检查激励器与后端设备连接线的连接情况，检测设备的驻波比。

3、激励器“失锁”。“失锁”是调制器模块的锁相环电路出现故障。调制器的锁相环路是一个动态环路控制电路，判断“失锁”故障的依据是动态环路的工作状态。处理锁相环路故障的过程如下：

（1）给激励器上电，检查电源电压、压控VCO电压工作是否正常。

（2）如果电源和VCO电压正常，检查调制器模块鉴相电路的频率拨码预置电路，必要时从新设置。（3）通过检查鉴相电路输入端的比较信号可缩小故障范围，检查锁相频率合成器的分频器和参考频率电路，看是否参考频率发生改变，实际处理故障中常见的原因是晶体外接的起振电容的容值改变导致故障产生。

（4）如果鉴相器输出的参考频率正常，需要检查载波信号的采样。检查分频器、VCO压控振荡器，可采用逐级替换集成电路的办法来迅速确定故障点。

（5）检查调制器环路滤波器电路，看是否存在电容漏电或虚焊现象。按以上步骤检查后还不能决解决问题，就直接更换鉴相器集成电路。

结束语：

FM数字激励器技术先进，指标好，工作性能稳定。本文对其工作原理和常见故障的分析是建立在实际应用维护中总结出来的，具有一定的借鉴意义。