关于DAM10kW中波发射机循环调制编码器的思考

2018-04-24刘乃冰

通信电源技术 2018年2期

刘乃冰

（大连三〇五转播台，辽宁大连116400）

0 引言

DAM10kW中波发射机的循环调制编码器控制着48块功率放大器（PA模块），其中6块为“小台阶”PA模块，42块为“大台阶”PA模块[1]。从模数转换器来的12位数字音频信号送入循环调制编码器，被编码为控制8个功放模块进行开启和关闭的信号，同时控制“大台阶”和“二进制位小台阶”。调制编码板上还包括电缆互锁电路和故障退出电路。调制编码器的其他输入包括来自输出监测板的功放（PA）关闭信号。当检测到VSWR过高时，“PA关闭”信号立即关闭功放控制信号，完成对RF放大模块的保护。只要VSWR存在，关闭信号就存在。一旦VSWR消失，发射机将返回到正常工作状态。调制编码板的供电电源来自直流稳压器。工作原理如图1所示。

图1 循环调制编码器电路工作原理

1 循环调制编码器的作用

1.1 调制信号

10 kW发射机的42个“大台阶”功放模块和6个“小台阶”功放模块由循环调制编码器控制。大台阶功放模块输出电压到功率合成器的输出电压相等；小台阶为功率合成器提供的电压依次为大台阶电压输出的1/2、1/4、1/8、1/16、1/32和1/64。12比特数字信号的高6位控制42个大台阶模块。把高6位二进制数转化成十进制数即开通大台阶的数量。小台阶控制信号由模数转换电路输出的低6位通过存贮器直接控制。

1.2 B-电源

模块的负载（即开通的数量）决定了功放模块的开/关时间。每个模块的开通延迟导致输出包络将产生“豁口”和“毛刺”，从而导致失真，而利用B-电源可以补偿这种缺陷。发射机工作的模块数量决定了开/关时间。负峰调制或低功率电平下，只有少数大台阶工作时，单个模块的负载较轻；当有很多模块工作时，模块输出的电流增大，模块开通的时间加快。因此，发射机处于高功率状态时，模块的开通与截止对负载电流的变化影响不大，此时需要减缓开/关时间。因此，针对“音频+直流”信号，B-电压要进行非线性调整[2]。DAM10kW发射机的B-电压动态范围是-2～6 V。当负峰电压为-2 V时，正峰电压为6 V。

1.3 削顶

当全部42块大台阶模块开通时，继续增加音频调制度，将导致开启第43块（不存在）大台阶开启。此时，6个小台阶模块全部开通。若调制度继续加深，射频输出功率将达到极限值被箝位，不会继续增加功率。可见，使发射机的大小台阶全部开启，避免了6个小台阶与最后大台阶交替开通输出的63/64的锯齿交错失真波形。

1.4 补码

循环调制编码器使发生故障的功放模块退出工作状态，将控制信号加给空余备份模块，从而维持发射机输出功率电平，也不影响发射机的工作技术指标。循环模式下，可使发射机的每块模块参与工作，有效降低模块温度。

2 循环编码原理

循环编码调制器由数据锁存器、小台阶编码、大台阶编码、大台阶锁存器、倒相缓冲驱动器和故障检测器构成。

2.1 数字音频信号

12位二进制数字流构成数字音频信号即从B1至B12，其中B1为MSB，B12为LSB。以12位数字音频信号“011010001101”为例。“011010”前6位码控制大台阶的开启和关闭，代表十进制数26，即有26个大台阶模块开启；“001101”后6位码代表小台阶模块的开启，即1/2、1/4和1/32小台阶模块关闭，1/8、1/16和1/64小台阶模块开启。开启大台阶的数量需要单步位移，约每30 s循环一遍。

2.2 编码原理

循环调制编码器的主程序芯片为FPGA。它的内部含有6个256×8位只读存储器，而存储器出厂时已经配置好了内部8位字节。最高有效位的8个MSB作为编码音频地址，256个存储器包含控制大台阶模块的数据，代表了8位音频编码信号。确定这些信号的存贮地址后，存贮器中的8位数字量从集成电路中输出，信号的每一位代表1个“大台阶”模块的开启或关闭。FPGA内部42位移位寄存器中所有的控制信号每隔30 s左右循环一次。42个大台阶模块首尾相连，依次循环。

3 工作原理

3.1 供电电源

循环调制编码器的电源取自直流稳压电源，B+和B-电源。DAM10kW中波发射机B+电源的电压约+5.75 V，调制B-电源随“音频+直流”变化。循环调制编码器有大容量电解电容和电感，对B+电源滤波后，经稳压二极管稳压为+5 V，作为循环调制编码器电路的各芯片电源。调制B-电源经过下拉电阻，作为驱动器LM5111或DS0026的驱动输出。功放模块的负载决定了模块的开关时间，主动控制B-的偏移电压补偿开/关时间的变化。

3.2 数据电路

通过上拉和下拉电阻分压网络，将12位数据音频信号送入循环调制编码器的FPGA。模数转换板送来的“数据选通-L”信号，使FPGA的存储输出状态保持，只有下一个“数据选通-L”信号到来，锁存输出下一个12位音频信号。当送来清零信号时，所有的锁存器输出逻辑低电平，全部功放模块被关闭。小台阶的B7～B12六位数字信号输入到FPGA后，通过一个8位拨码开关选通结构输入至反相驱动输入电路，作为小台阶模块的控制信号。大台阶B1～B6六位数字音频信号确定地址后，42位数据码被存储器ROM编出，通过移位寄存器存储至锁存器，FPGA输出送至反相驱动器，作为大台阶功放模块的控制信号。

3.3 互锁电路

电缆互锁电路集成在FPGA中，功能是提示电缆“联锁故障”，使数据锁存器内部的全部数据清零。若功率合成器与循环调制编码器之间任一条控制数据线没有连接到位，或任意大台阶模块或小台阶模块没有安装到位，或直流稳压电源与循环调制编码器之间的数据通讯线没有连接到位，都会导致联锁故障，使发射机不能开机。

3.4 功放关闭电路

控制系统送来功放关闭命令时，FPGA将输出PA OFF-L指令，使全部的数据锁存器输出为0。此时，发射机只有功放电压，没有功放电流。当发生电缆互锁故障时，电源重启故障，输出监测电路送来PA OFF-L信号，模数转换器送来PA OFF-L信号，都将导致功放关闭。

3.5 钳制电路

当音频输入电平超过发射机的正峰调制能力时，钳制电路将打开全部的小台阶模块，增加射频输出。此时，若调制音频信号继续加深，下一个大台阶将被开启，小台阶全部关闭，直到所有的42个大台阶全部开启，小台阶也全部开启。此时，继续加深调制音频，将导致开启一个不存在的大台阶信号，而关闭所有小台阶信号，将使发射机输出低于一个63/64个大台阶的功率，产生“锯齿状”状峰值。为避免这种状况出现，钳制电路使音频信号在全部小台阶打开后，将调制音频限制不能继续加深。

3.6 功放单元故障检测电路

循环调制编码器检测到功放模块返回的信号为低电平（功放单元正常时为高电平）时，FPGA判断故障模块位置，输出故障指示信号，点亮故障模块报警灯，输出控制信号为零，使故障模块退出工作，并开启空余模块补码[3]。“自动补码技术”工作状态只用来替换“大台阶”RF放大器，若“二进制”台阶失效，必须关闭发射机替换失效模块。“二进制”台阶放大器的失效只产生少许功率降低和增加很小的失真，可在正常停机后排除故障。

4 故障排除

功放关闭，同时循环调制编码器的功放关闭指示灯点红，首先检查控制系统，查看是否处于“PA OFF”模式[4]。通常，导致循环编码器功放关闭故障一般来自其他部分电路输入的功放关闭信号，尤其是模数转换板和输出监测电路。因此，需检查相关的逻辑电路、驱动器等引起功放关闭的器件。

发射机不能开机，提示电缆互锁故障。首先，打开功放箱检查功放模块是否存在被取出或没有安装到位（插进插座内）的情况，以及检查功率放大级模块是否存在个别模块有短路环存在开路的现象。其次，检查功率合成母板到编码板的13条控制信号扁平线是否存在问题，或检查直流稳压电源与循环调制编码器之间的电缆解除是否良好，或检查全部控制信号电缆插头与插座之间的连接是否牢固等，确保全部电缆安装到位。由于循环调制编码器的印刷电路板面积较大，可能会存在线路板长期使用后导致电路板变形而使电路板上的线条出现断裂的可能，因此检查比较困难。因为循环调制编码器中很多电路是相同的，所以可以用比较电压的方法来判断故障所在。