MF200多频中波广播发射机助力广播行业发展

文/徐帮辉

1.中波发射机的现状与问题

国内外大功率中波发射机一般固定频率播出，若需要换频，则要对许多部位重新调整。以美国HARRIS DX200中波广播发射机为例，调整的部位有预驱动、驱动级、效率线圈、输出匹配网络以及部分板卡等，这一系列调整要耗费大量的时间和人力，对于不同频率中波发射机之间短时间内代换几乎不可能，这将严重影响到无线局安全传输发射工作。

五六一台甲机房安装有三部DX200中波发射机，单机播出，无备份机和代播台站，出现故障时就必须依靠技术人员现场处理。如果故障较大或者处理不及时就有可能引起长时间的停播，急需安装备用中波发射机。为解决这一难题，在国家广播电视总局和无线局领导支持下，国家广播电视总局五六一台于2010年专门成立了“MF200多频中波广播发射机”研制项目小组。依托无线电台管理局、北京广世无线责任有限责任公司、国家广播电视总局五六一台等单位的科研力量，历经6年钻研，自主研发出MF200多频中波广播发射机，打破国外对中波发射机技术的垄断，实现了单PB中波发射机一机备多频的目的。

2. MF200多频中波发射机系统设计框架

图1 MF200多频中波广播发射机

MF200多频中波发射机包含了射频、音频、控制、保护和电源等系统，并采用自主研制的直接数字驱动功放模块。与DX200中波发射机相比减少了缓冲级、预驱动级、驱动级等复杂的射频前级放大和调谐部件，功放模块数量也从239块减少到224块。模块控制信号采用高速串行同步传输技术，大量减少了线路连接。该系统采用宽频率设计，能够在60秒内完成不同预设频率间的倒频切换，实物图如图1所示。

3.系统原理

MF200多频中波广播发射机是一种全新设计的全固态200kW多频中波广播发射机，该发射系统包括射频、音频、控制、保护和电源等系统。另外，还配套设计的天线交换开关及其控制系统和400kW假负载。

3.1 射频系统

发射机射频系统包含直接数字驱动功放模块、射频音频分配板、模块控制板、音频处理板射频模块、输出匹配网络和天线交换开关等。

3.1.1 直接数字驱动功放模块

模块采用差分PECL平衡输入，减少了高频干扰对输入的影响，采用可编程逻辑器件PAL22V10以及大量的贴片芯片，提高了模块的集成度。主要电路包括:射频输入转换电路、模块控制与监测、开关电源、射频隔离与驱动以及8个MOS场效应管IRFP460LC组成的H桥输出电路。直接数字驱动功放模块基本原理如图2所示。

3.1.2 射频音频分配板射频模块

射频音频分配板射频模块主要是根据接收来自音频处理板的载波信号和位频（16倍载波频率），设计载波时钟分配模块，将位频重新进行分频得到载波同步参考频率Fc。

3.1.3 模块控制板

图2 直接数字驱动功放模块基本原理框图

模块控制板接收来自射频音频分配板I2S结构串行12bit数字音频数据，采用EPM7128SLC84芯片组成CPLD在线可编程电路对串行数据进行解码，解码后的信号通过合成器母板送到所控制的8块直接数字驱动功放模块，从而控制功放模块的开通与关断。

3.1.4 音频处理板射频模块

音频处理板是数字调制器核心的功能处理部件之一，接收来自外部的射频和音频信号并对其进行处理。射频处理单元根据外部输入的10MHz标准频率或者10倍载波频率，利用FPGA内部的锁相环PLL模块生成位频，通过设计分频模块得到载波频率，利用I2S串行数据的传输模式将位频和载频结合音频信号发送给射频音频分配板。

3.1.5 输出匹配网络

输出匹配网络用于对合成输出的波形进行谐振和阻抗匹配，得到想要的光滑调幅波。输出匹配网络主要包含两个部分，一是用阻抗匹配的真空电容和电感，以及分段切换的4个断路器和改变可调真空电容值的4个调谐马达；二是用于调谐控制的输出匹配网络切换控制板。

匹配网络硬件示意图如图3所示，其中L1和L2通过断路器来实现电感切换，C1、C2、C3和C4通过调谐马达实现电容值的变换。

图3 匹配网络示意图

3.1.6 天线交换开关

天线交换开关系统主要包括主备用发射机的数据采集系统、基于CPLD数据逻辑处理与分析系统、用户界面操作与显示系统等。

3.2 音频系统

音频系统主要是基于FPGA+DSP平台完成发射机数字调制器的设计，其核心是完成对音频信号调制处理、载波合成及控制输出，如图4所示。

音频系统主要包括音频信号采样及处理、音频采样率转换、音频+直流、功率控制、指标补偿等。

3.2.1 音频信号采样及处理

音频处理板ADSP-21489通过对外部芯片ADAU1961配置完成对模拟音频48kHz采样率信号的接收。同时，利用内部SPDIF接口完成外部数字信号输入的接收。音频信号处理包括了FIR低通滤波器和CIC内插补偿滤波器等单元。

图4 音频系统处理流程框图

3.2.2 音频采样率转换

输入音频信号采用标准的48kHz采样率，与载波信号一般不成整数关系，因此本系统设计采用了二次自适应采样率转换方法来实现。ADSP-21489内部集成了异步采样率转换器，通过DSP中的异步采样率转换和FPGA同步采样率转换实现将信号的采样率提升至载波频率上。同步采样率转换利用CIC内插滤波器实现。

3.2.3 音频系统射频处理单元

射频处理单元是根据实际载波需要，将音频数据进行载波合成输出。利用FPGA内部的锁相环PLL模块，通过设计分频子模块分频得到1/8载波频率、8倍载波频率、载波频率等所需的各频率分量。

3.2.4 音频 + 直流

经过采样率转换的音频信号Audio，利用加法器叠加一个直流值DC，得到12bits复合音频输出信号。后级调制编码分配板根据接收的12bits信号数据，经过编码分配和载波频率控制实现音频信号调制。

3.2.5 功率控制

功率控制主要包括以下几个功能:

（1）开机功率等级控制（高、中、低）；

（2）功率微调（升功率操作、降功率操作）；

（3）步进升功率及功率反馈控制。

图5 调制器控制系统框图

3.2.6 指标补偿

对发射机的频响和失真指标提升，在DSP中利用算法实现。频响补偿利用多组滤波器将信号频段进行分段处理，射频功放非线性失真使用预失真技术，利用Volterra多项式预失真器实现对基带音频信号的预失真补偿，降低输出信号的谐波和互调失真。电源纹波补偿是为了提高发射机杂音电平指标，通过利用外部AD取样芯片实现对电源电压反馈信号高速取样，并在FPGA中利用乘法器实现对实时反馈电源纹波信号的抵消处理，降低杂音电平。

3.3 控制和保护

MF200多频中波发射机控制系统主要由主控板、数字量板、模拟量板、多频切换模块、上位机显示操作界面构成，如图5所示。其中主控板主要由32位PIC处理器和FPGA组成，共同完成对发射机的相关控制，主控板FPGA主要采用多通道DMA数据采集传输控制器以及通用可扩展的数据总线接口实现对主控板外设输入、数字量板、模拟量板、音频板等板卡的数据采集和传输，最终交由32位PIC单片机对系统进行相应控制处理；数字量板主要实现对发射机各数字信号的实时采集，并通过DMA数据通信总线传输至主控板，接受主控板相应执行命令并输出控制信号；模拟量主板要实现对发射机各模拟量状态进行实时采集，并通过DMA数据通信总线传输至主控板；多频切换模块主要是在发射机换频播出需要对发射机输出匹配网络的调整、载波频率的设置检测、音周以及驻波比检测参数等进行切换；上位机显示操作界面主要实现发射机各状态显示、开关机等具体操作、发射机运行数据保存以及换频调谐操作等功能；音频板完成数字音频抽样率变化，功率控制，预失真矫正处理，然后打包成16倍载波频率串行信号传输给射频音频分配板。

MF200多频中波广播发射机内设计了各种监测与保护电路，主要有温度、风量、弧光以及驻波比等监测与保护电路措施，可以确保发射机设备安全。

3.3.1 温度监测

整流柜可控硅、续流二极管、250V电源滤波电感以及放电板上均安装了温度开关，用于检测相应设备的温度情况。当有设备的温度超过一定值时，温度开关就会动作，产生相应的监测信号送至调制器控制器进行处理。

3.3.2 风量监测

每个机柜均设有风量检测板，用于监测相应机柜内的风量情况。当有任何一个机柜的风量异常时，发射机会降功率直至关机，从而保护设备。

3.3.3 弧光监测

在机器功放机柜和网络机柜内均安装了弧光检测板，用于监测机柜内有无打火情况。当有机柜内出现了打火情况，弧光检测板检测后输出故障信号，发射机会降功率；若打火现象一直存在，发射机将关机保护设备。

3.3.4 驻波比取样保护

驻波比取样保护包括自动切换控制电路、网络电压与电流调谐、幅度调整电路等电路。它能根据调制控制器发送来的3比特频率信号，启动自动切换控制电路产生控制信号，分别对天线电压、天线电流、网络电压、网络电流取样信号进行一系列的处理，获得网络驻波比、天线驻波比取样信号和相位检测信号，供调制控制器进行相应的处理，用以保护发射机。

3.4 400kW假负载

400kW风冷假负载是国家广播电视总局五六一台自主研发的一种大功率假负载。它采用定制的80根12千欧，标称功率为5kW，误差为±5%的大功率无感空心绕线电阻并联组成，输出阻抗为150欧姆左右，最大可承载功率为400kW，大于载波200 kW的1.5倍，热状态时单个最大承受功率为5kW，大于载波时的2.5kW，满足功率设计需求。该电阻采用空心绕线电感，具有良好的通风效果，可通过风机进行强制冷却，特殊工艺制作，温度飘移小，在热状态下工作稳定，利用不锈钢卡箍进行固定，连接可靠，接触电阻小，假负载实物图如图6所示。

图6 假负载实物图

4.电源部分

多频机电源由3Φ197VAC、3Φ380VAC、+250VDC、+125VDC、+48VDC以及+12VDC组成，如图7所示。

图7 电源组成框图

5.技术创新点

主要技术创新点:

5.1 中波发射机多频自动切换技术

功放单元采用自主专利技术的直接数字驱动功放模块，省去了类似DX发射机的射频前级驱动放大部分。射频滤波输出采用两级输出网络，即输出匹配网络柜及Π网络柜，并用真空断路器切换网络电感，步进电机控制真空可调电容的方式，从而将射频网络调整到所需的参数，实现完美调谐。

5.2 直接数字驱动技术

直接数字驱动功放模块采用差分PECL平衡输入，从而减少射频输出对输入的影响。另外，采用了可编程逻辑器件PAL22V10以及大量的贴片芯片，大大提高了模块的集成度。

5.3 输出网络自动快速切换技术

输出匹配网络主要包含两个部分:一是用于阻抗匹配的真空电容和电感，以及分段切换的4个断路器和改变可调真空电容值的4个调谐马达；二是用于调谐控制的输出匹配网络切换控制板。

5.4 非线性数字预失真技术

由于功放模块合成非线性、电源纹波等原因造成直接数字驱动功放模块合成具有非线性。因此必须经过预失真补偿技术才能达到甲级标准。该系统在数字域采用多波段预失真技术解决分线性失真问题。从而满足发射机技术指标非线性失真的要求。

5.5 驻波比检测电路自动切换技术

采用驻波比检测电路自动调整技术，能够根据设置频率自动切换到相应参数，从而保证发射机在高效换频后能够安全可靠地工作。

6.应用情况

MF200多频中波广播发射机于2016年12月13日17:00起，在五六一台甲机房试播江西新闻综合频率（729kHz），至2017年6月13日17:00止，共计试播3023小时12分09秒。试播期结束后，作为甲机房三部DX发射机的公用备份机。截至2019年4月，共计代播7次，代播时长95小时13分，减少停播时间约22446秒（合6小时14分6秒）。

结语

MF200多频中波发射机是自主研发的新一代大功率中波广播发射机，多项技术在国内国际属于首创，发射机系统布局合理，工艺先进，运行稳定可靠，试播半年，作为五六一台甲机房公用备份机已运行二年多，各项指标都达到了国家规定的甲级，整机效率可达90%以上，高于DX200中波发射机的整机效率86%，其科技自主创新程度高，打破了国外对中波广播发射机的技术垄断，该发射机研制成功在我国大功率中波广播发射机领域具有战略意义和社会价值，值得大规模推广运用。