Flexiva FM 紧凑型发射机技术原理分析与维护方法

2022-04-27刘天宇

电声技术 2022年2期

刘天宇

（中央广播电视塔，北京 100142）

0 引言

中央广播电视塔（以下简称中央塔）播出机房在发射机更新改造后，使用一款哈里斯Flexiva FM紧凑型发射机，是当前比较新型的FM/CDR 广播发射机[1]。这部发射机结构紧凑，占地空间小，易于安装到标准的19 英寸机柜，仅占用3 个RU 空间。由于这一系列的发射机在技术原理和维护方面具备较高的一致性，本文仅以实际使用的FAX 1 kW型号为实例，对其技术原理与维护使用进行分析，望对其他兄弟台站的使用维护工作提供帮助。

1 Flexiva 紧凑型发射机技术原理分析

1.1 发射机工作原理

Flexiva 紧凑型发射机有3 种功率等级配置：50～150 W、300～1 000 W 和2 000～3 500 W。发射机可在以下3 种工作模式中任意一种模式下工作：一是模拟调频模式，PA 模块工作在C 类放大模式，此时效率最大化；二是模拟调频和数字（HD/CDR）混播模式，混播射频信号在同一个功率放大器中放大[2]，中央塔目前使用此模式，在这种模式下，PA 模块工作在AB 类放大模式，因为数字信号需要线性放大器；三是纯数字模式，在这种模式下，PA 模块也工作在AB 类放大模式。Flexiva紧凑型发射机既可用作独立机柜式安装发射机，也可用作大功率发射机中的激励器。

1.2 发射机内部组成

FAX 系列发射机包含一个通用的内置激励器（调制器）和一个通用的前面板液晶显示器与前面板控制，控制系统具有远程GUI 界面。1 kW 型号有两个PA 模块，因此需要一个分配器和一个合成器。两者共享一个底盘通用的内置电源。发射机框图如图1 所示。

图1 Flexiva 紧凑型1 kW 发射机框图

电源可以通过设置菜单从44 V 调整到52 V 直流。电压的设置取决于运行模式下的最佳效率和频谱性能。拆卸发射机的前面板后可以看到电源模块。虽然更换电源模块时可以不切断发射机的交流电源，但由于发射机只有一个电源，电源模块被切断或者故障将使发射机关机。电源标称修正功率因数＞0.98，交流输入和直流输出通过电源接口板连接。直流输出被分配到每个PA 模块、前置放大器/分配器板以及调制器板。系统中所有其他电压均由48 V 直流电调节。

调制器板的调制射频直接送到前置放大器/双路分配器。前置放大器的功率最高可达50 W，并配有一个偏置电路，可用于设置功放为C 类或AB类工作。调制器板的输入通过两个射频衰减器，衰减器的输出阻抗与推挽结构的FET 器件的输入阻抗相匹配。RF 器件的输出经过滤并直接送到发射机上的分配器。此分配器可以通过添加部件以使其成为6 路分配器。电路板的传感温度会被送回调制器进行监控。分配器为两个功放模块提供驱动，然后将它们合成在一起。这些功放模块最高可输出600 W 功率。

Flexiva 紧凑型发射机所有型号的前面板和调制器外观一致。调制器板是一个直接到频道的调频调制器与内置立体声编码器，还可搭载Exgine 卡用于数字模式。机房使用的FAX1K 型号使用一个IPA 分配器和两个高效PA 托盘，它们在内部合成在一起，产生高达1 kW 的射频输出功率。

FAX 紧凑型发射机还支持远程控制，采用并口DB-25 母头，通过发射机前端和后端的RJ-45 连接器提供网络接口，允许通过以太网IP 地址在Web浏览器完全控制和监视所有参数。

此外，Flexiva 系列发射机的冷却系统采用多个内部风扇强制空气冷却，消除信号产生和放大过程中产生的热量[3]。

1.3 调制板功能

调制器板在紧凑型发射机中起到高质量数字调频激励器的作用，还包括发射机监控电路和后面板输入连接器总组件。调制器板框图如图2 所示：

图2 调制器板框图

调制器板的核心是完全可编程的多任务现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA），它有两个主要功能：接收音频输入并产生调制的立体声/单声道调频信号，以及监控发射机的关键功能操作。前面板LCD 显示组件直接与FPGA 连接，方便操作人员与发射机交互。

除射频输出、交流输入和以太网外，所有发射机的输入/输出（I/O）都是通过调制器板的。调制器通过RS-485 接口与控制显示板通信。调制器从系统的主电源获得直流电压，然后将48 V 直流电调节到所需的其他电源上。有一个12 V 直流7 A电源，被分配到系统中需要的其他电路板上。远程遥控和高功率放大器的发射接口由调制器控制。

所有进入调制器的模拟音频信号包括L&R、SCA 及MPX 都经过过滤，通过一个平衡放大器，然后发送到A/D 转换器。A/D 转换器的输出再送到FPGA。在送入FPGA 之前进行AES 音频采样率转换。调制器电路板的主要参考时钟是一个 40 MHzOCXO，其在-20～+70 ℃的稳定度为±200 ppm。40 MHz 时钟可以锁定GPS 时钟的外部10 MHz 或外部1 PPS 信号。40 MHz 的频率被缓冲并送到FPGA，由FPGA 和D/A 转换器控制。40 MHz 时钟也是720 MHz 锁相环（Phase Locked Loop，PLL）时钟的参考，用于从FPGA 输出的I 和Q 信号生成FM 信号的D/A 转换。FPGA 生成FM信号，并与传入的音频、SCA 和RDS 进行调制，此信号以I/Q 的形式离开FPGA。然后将I 和Q 信号转换为88～108 MHz 范围内指定频率的模拟信号。转换后的D/A 经过滤波，通过一个选择内部调制器或外部射频源的射频继电器。所选射频信号传递到一个可变衰减器，该衰减器控制最后到放大器部分的电平。最后放大器在调频模式可以产生高达 4 W 的输出。设备有一个定向耦合器，提供前向和反射功率采样的计量，起到保护作用和内部自动增益控制（Automatic Gain Control，AGC）。

1.4 控制显示板功能

控制和显示板是此系列紧凑型发射机的通用模块，前后面板的以太网端口，发射机的开关方式和与调制器的RS-485 通信模式都具备一致性。控制和显示板与调制器通信，使操作人员可以通过前面板或远程图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）输入设置信息。调制器返回的状态和读数信息可通过显示板液晶屏显示。通过RS-485 协议和3 个其他的线路连接与调制器通信。控制和显示板的5 V 直流电源来自调制器，发射机的所有其他电压都在该控制板调节。

1.5 发射机关键特性

发射机集成了直接数字调频调制器，包括立体声编码器、AES-EBU 音频和复合输入、两路SCA基带输入、Ext.10 MHz 和1 PPS 输入，还有一路基于AES192 复合/MPX 输入。发射机内置谐波滤波器，内置自动切换器，可切换到外部射频源，具备暂态电压抑制输入交流电源功能。

发射机采用射频坡式放大，以尽量减少开机瞬态冲击。同时支持成比例的驻波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）功率回退，在降低功率到末端负载时保障安全工作。

发射机通过前面板控制和数据测量，内置远程控制、状态和测量的并行接口，具备RFI 抗干扰和瞬态保护功能，还具备用于使用PC 远程诊断的WebGUI 和用于基本网络控制和监测的SNMP系统。

2 发射机维护方法

2.1 日常维护

发射机整体从上方看大体由前区、中区、后区3 个区域组成。移除前面板可进入前区，移除上盖可进入中区，中区包含分配器和PA 模块；后区包含调制器、电源接口以及合成器组件。从侧面看，发射机可以分为上下两层：调制器、分配器、PA 模块及合成器占据上层，电源和电源接口板位于下层。此外还有一个支持热插拔的PS 模块，但对于1 kW型号发射机，如果在播出时拔出该模块，发射机就会关闭，更换PS 模块后，发射器将自动回到关机待机状态。

为了最大限度地提高设备的寿命和可靠性，制定和坚持良好的维护程序至关重要。维护程序包括定期清洁，定期监测功率、驻波比、电压和电流读数等，以检测可能导致问题的任何偏差[4]。

2.2 空气滤网更换

发射机前面板的空气过滤网需要定期更换，更换频率取决于机房内的空气质量。当过滤网挂满灰尘或污物，将减少空气流量，从而导致模块过热乃至关闭。为此，机房采购了备用过滤网，以便在清洗和晾干原来的过滤网时，可以用新的过滤网交替使用。

2.3 定期清理及检查

维护人员应定期打开发射机面板和上盖，检查灰尘情况并进行清洁，同时，还应该检查是否存在电缆开裂或烧灼等逐渐损坏的迹象，如果有，应及时对相应模块进行更换。

2.4 更换电源模块

在本系列发射机中，配置为2～3.5 kW 的发射机上，PS 模块是可热插拔的，在发射机工作时可随时更换，且任何PS 模块都可以与位于其他位置的PS 模块进行交换。但对于其他功率较低配置的发射机，由于只有一个电源模块，如果其故障，需要将发射机关闭后进行更换操作。

3 发射机校准

3.1 单频率正向功率校准

RF 前向功率在出厂前校准过，只有更换输出定向耦合器才需要校准。在校准过程中，有两个功率点必须进行校准，即发射机TPO 设置的10%和TPO 设置的100%。在这两个点上校准，可以确保读数在整个功率范围内的精度，而不必重新校准。如果发射机在调频87.5～108 MHz 内使用多个频率，则需要进行射频倾斜校准。

3.2 正向功率宽带校准

当发射机用于N+1 系统的备用发射机或发射机需要在FM 频带内作为多个频率的备份发射机使用时，才需要使用宽带校准程序。在校准过程中，有两个功率点必须进行校准，即发射机TPO 设置的10%和TPO 设置的100%。在两个点上校准可以确保仪表在整个功率范围内的精度，而不必重新校准。执行校准时，发射机连接的假负载或天线必须能够在调频波段88～108 MHz 进行宽带操作，且能满足发射机的功率要求。

3.3 电源电压设置

发射机允许设置电源的直流电压输出，以获得最佳的C 类（FM）模式的整体效率，或获得最佳的AB 类（HD）模式的频谱性能。发射机电源允许设置在直流44～52 V。在C 类模式，电压越低，效率越高。在AB 类模式需注意，不可将电压降低到射频输出频谱超过模板的程度。如果在数字模式下更改此设置，需关闭RTAC，并验证电压更改时频谱性能没有显著下降。电源电压可设置为每种模式（FM、FM+HD、HD）独立存储，如果要使用多个模式，则须为每个模式设置电压。