1kW PDM中波发射机三大指标的检测与调试方法

2023-05-21张俊松

卫星电视与宽带多媒体 2023年8期

关键词：调幅音频

【摘要】本文介绍了DF100A100kW短波发射机PSM脉冲阶梯调制技术原理及实现过程，分析了功率开关模块的组成和工作过程，以及模块风机的作用和注意的事项，为读者提供参考。

【关键词】音频；电声指标；谐波失真；调幅

中图分类号：TN929 文献标识码：A DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.08.004

随着信息化时代的到来，信息传播方式日新月异，但中波广播依然有着覆盖范围广、传播距离远、受地形影响小的优势。缺点是音质容易受到干扰，在实际工作中，经常遇到三大指标达不到甲级要求的情况。本文就影响发射机音频指标的各电路进行了分析研究。

1. 音频指标基本概念

1.1 信噪比

信噪比是发射机调幅度为100%时线性检波器输出的交流电压有效值与没有外加调制信号时线性检波器输出交流电压有效值之比，单位为dB，见公式：

式中：N为信噪比；为发射机调幅度为100%时，线性检波器输出的交流电压有效值；为发射机无调幅时，线性检波器输出的噪音电压有效值。

1.2 频率响应

頻率响应反映的是发射机的调幅度随输入发射机振幅恒定的正弦音频信号的频率变化而变化的特性，单位为dB，见公式：

式中：γ为频率响应；——各调幅频率线性检波器输出端的电压有效值；——输入1000Hz单音频时，线性检波器输出端的电压有效值。

1.3 谐波失真

发射机用单一频率的正弦音频信号调幅时，由于高频放大器的非线性和调制器的非线性，会产生各次谐波分量，各次谐波分量的均方根值之和与基波有效值之比，即为谐波失真，见公式：

式中：D为谐波失真；为j次谐波电压的有效值；为基波电压的有效值；j为2，3，……，n-1，n。

2. PDM发射机线路对音频指标的影响

首先我们以AM102S2-ⅢPDM整机做音频指标分析，此发射机具有整机效率高，指标好，机器工作稳定、维护方便等优点。下面具体分析影响音频指标的具体线路。

2.1 脉宽调制器

脉宽调制器是发射机最关键的模块，PDM调制方式就是在脉宽调制器完成，诸多保护也在脉宽调制器内完成。我们将脉宽调制器分为五部分分析。

（1）音频信号平衡不平衡转换

平衡的音频信号经跟随器N1A、N1B送到运放N1C的同相端和反向端，在输出端转换成单端输出音频信号。RP11用作调整共模噪声抑制，调整平衡，用以降低整机噪声和谐波失真。L1、C7、C8用作低通滤波器，滤除高频噪音。RP3可进行音频的手动增益调整。N8、N14组成自动增益控制。N8为模拟乘法器，其电压增益其中VX为音频信号，输入端为N8--9、12。VY为直流控制端，输入端为N8--4、8。若改变任何一个因子，都可以控制增益。N14A、N14B组成窗口比较器，其门限电压用RP7、RP8调整。当N5B的输出电压高于或低于门限电压时，窗口比较器都输出低。C19和C20通过V15、V16、V17、V18放电，N7B输出低电平，稳压管VD23不导通。N14输出高电平，VD26红灯亮。当N5B正常后，窗口比较器输出高电平，C19和C20、C52充电，N7B电位变高，VD23导通，N8-8变高，自动恢复增益。

N5B的反向端是音频输入，同向端叠加直流成分，该直流成分决定了占空比，同时也可调整输出功率。

（2）三角波发生器

三角波由振荡器N9和积分器N54A组成，输出端得到的是叠加在直流电压上的72kHz三角波。

（3）脉宽调制电路

PDM调制由N11A组成，其5脚输入音频加直流。

（4）模拟电位器

模拟电位器由V5的和R115组成，它们是N5B的负载，改变V5的，就相当于改变了分压关系，优点是调整功率时不会改变直流+音频的比例关系。

（5）音频限幅电路

阶梯比较器N3，N4同相端的阶梯基准电压有R5—R13以及RP6构成。反向端的输入信号取自于高频电流取样，该信号有直流电压（正比于载波功率），叠加音频信号（正比于调幅度）组成。而且与输入音频信号同相。

当输入信号为负时，N2B输出高电平，VD5导通迅速C2充电，同时梯形比较器反向端也输入高频包络负半周，N3，N4输出为（H），N2A输出（L）V1截止，音频通路正常工作。

当V2B输入为正半周时，输出（0），VD5截止，此时N3，N4输入也为正半周，若该正半周的电平高于几个比较器的同相电压，这几个比较器输出为（0），C2通过这几个比较器迅速放电，直至C2上的电压为负，N2A输出（H）V1导通音频输入短路，告警灯VD25显示（红）色，保护功放管安全。输入信号转入负半周是恢复正常。调节RP6可以调整保护点。

2.2 脉宽调制器的调试

输入为平衡可拟制共模噪音，优化信噪比指标。调试时，在不加音频的条件下开载波，调整平衡电阻RP11使得输出噪声最小。但是，调整RP11时，也要注意音频信号正负峰的平衡，不然，会造成正负峰不对称而加大谐波失真。低通滤波器L1，C7，C8滤除高频干扰，如有高频噪音，可检查该滤波器。若该滤波器出现故障，同时也会影响频率响应。

由于N1C是平衡转不平衡，正反相输入端放大倍数K不同，RP11的调整同时也影响谐波失真。

在该电路中对谐波失真影响最大的电路是三角波的线性。线性良好的三角波可以不谐波失真地将音频信号转换成携带音频信息的调宽脉冲。正确调整RP6，过大不起保护作用，过小频繁的保护影响播音质量。调整方法为开载波，加调幅到过流点，调整RP6开始保护。

2.3 功率放大器的调试

该放大器由八只IRFP350场效应管组成全桥D类开关放大器。该放大器具有效率高，功率冗余大，输出大于等于600W，因此工作可靠稳定。该放大器对音频指标的影响主要表现在驱动波的幅度，幅度应在之间。放大器负载R应为纯阻抗，当负载为纯阻R时，负载线为线性，不会出现任何谐波失真。当呈容性时，输出波形会谐波失真，当呈感性时，放大器工作在超功耗区，放大器工作不稳定，容易超功耗击穿。输出波形占空比尽量接近K=0.5，不然会出现偶次谐波。

2.4 调制驱动的调试

调制驱动放大器和椭圆函数滤波器结合在一起，放大携带音频信息的已调制的PDM脉冲，然后解调出音频信号，向功率放大器提供音频调制功率。也称为二次调制，高频功放输出的是幅度随音频信号变化的调制信号，到此完成了PDM调制。由于调制级工作状态调试不正确，或者该级输出电容增大，使得调制级输出脉冲变成梯形。这主要是因为在高调幅时，梯形脉冲底部提前合在一起，形成能量损耗，造成波形顶部调制不足所造成的谐波失真。椭圆函数滤波器在工厂已经调好，如发现整机频率响应高端下跌，可查椭圆函数滤波器的滤波电容是否虚焊脱落，或者失效。

2.5 主整电源的调试

主整电源输出-230和-115直流电压，-230采用12相整流，具有波纹系数小，输出稳定。因此对整机噪音的提高非常有利。-115电源采用6相整流，如果一旦缺相或者一臂整流桥坏，-115将产生100Hz脉动波纹，造成信噪比下降，可用示波器检查。-230电源波纹为600Hz脉动波纹，而且很小，不好测量。

2.6 输出网络的调试

输出网络将天线阻抗通过T型阻抗微调网络转换成纯阻50Ω，为入射功率取样和反射功率取样提供载波情况下的标准取样信号。提供駐波过大保护和入射功率指示。（因为天馈线阻抗基本也是50Ω，但是有时候会有偏差，T型阻抗微调网络就是纠正这个偏差）。输出网络还有滤除谐波的作用，串联网络和并联网络组成带通滤波器，T网络串臂滤除三次谐波，因此它们结合起来滤除所有的谐波。通过并联网络进行阻抗变换，将50Ω转换成放大器适合的阻抗。并为技术人员提供测量信号。输出网络见图1。

对网络调试时一定要注意，在阻抗转换时向放大器提供的负载一定为纯阻R，（但不包括放大器和合成器分布参数）。在开载波功率时仔细调整槽路，以抵消这些分布参数，是放大器工作在最佳工作状态。此时，用手指靠近放大器散热器附近（大约5mm处）感觉不热最好。

发射机在工厂调机时，输出连接的是纯负载R，但是发射台的天馈线可能不是纯阻R，所以在发射台装机后，一定要再一次测量T型网络的输出是否是纯阻R，若有误差，一定要重新调整。以保证发射机安全工作。发射机地线一定要连接牢靠，不然会影响整机信噪比。

3. PDM发射机三大指标调试总结

能影响发射机电声指标的因素非常多，所以需要我们系统地去判断问题出现的原因，结合实际，逐步排查，才能彻底查找到故障所在，改善发射机的音频指标。

3.1 信噪比调试

（1）输出网络失谐，最先考虑此影响因素，在排除此故障后再查找其他因素。

（2）集成电路管脚、接插件、元器件虚焊、功放模块插件等接触不良时，也容易产生噪声。

（3）脉宽调制器三角波频率设置不当，可调整脉宽调制器C22电容，改变三角波频率，使频率响应达到最优。

（4）高频信号窜入音频系统，要检查滤波器性能是否良好。

（5）高频回馈的影响。其他高频信号通过发射天线或网络传送到所测试发射机，造成信噪比变差。

（6）供电电源的整流滤波稳压电路出现异常也会造成噪声，让噪声电平指标下降。检查各电源的纹波系数是否合格。

（7）整机电路中的集成电路、场效应管、电阻、电容质量不良，也是噪声的来源之一。

3.2 谐波失真调试

（1）脉宽调制器音频通道产生的谐波失真，可通过示波器观察N1-14、N5-6波形是否有谐波失真，可对比信号源输出信号观察。

（2）输出网络的T网络调整不当造成发射机没有与负载形成良好匹配。可调整L3、L4两臂达到所要求的阻抗。带通滤波器设置不当也会造成滤波器带宽不够或不能与功放合成良好匹配，可通过调整L1使得谐波失真达到最佳。

（3）天调网络带宽有限，通过重新设计合理的天调网络来解决。

（4）调制驱动低通滤波器调整不当造成谐波失真和频率响应一起变差。

3.3 频率响应调试

（1）脉宽调制器音频通道导致频率响应较大，可通过示波器测量不同音频频率下波形幅度的变化，确定频率响应变差是否与音频通路有关。

（2）天调网络带宽过窄。

（3）发射机输出网络失谐。

（4）低通滤波器调整不当或者因功放、输出网络等发生变化，使得整个系统的频率分量失去了原有的比例关系，导致频率响应变差。可通过增加或减少调制驱动版低通滤波器C4作以调整，改变整机频率响应变化趋势。主要在更换电容时，两个调制驱动需要同时作相同调整。一般情况下，增加电容提高高端频率响应，减小电容降低高端频率响应。

4. MD2000系列音频综合测试仪使用方法

4.1 自检

在每次测试前，需在测试仪预热15min后自检一遍，以校正测试仪本身的误差。在自检时，请不要将测试仪的音频输出接入发射机，以免信号输出过大，引起发射机过载。自检的结果一般在以下范围内认为是正常，如误差较大，则仪器可能出现故障。选择“自动测试”即可将所有项目全部自检完成。

4.2 调幅发射机测试

从调幅发射机耦合的射频测试信号接入测试仪前确定发射机耦合的射频测试信号峰峰值不大于；将射频信号接入可变衰减器的输入端；将可变衰减器的衰减置于最大衰减状态；将可变衰减器的输出端和测试仪的调幅射频输入连接。

确认所有的连接都无误后，选择“调幅发射机指标测试”。进入此界面时，软件会实时检测输入测试仪的射频测试信号的载波强度，以便满足测试的需要。这时可以调节外接的可变衰减器，使屏幕上显示载波强度的大小在300～1000mV之间，按ENTER键确认，即可进行正常测试。

“单一频点模式”测试仪可以输出单一频率、电平的信号进行长时间的测试，可以满足维护发射机的需要。

“部分频点模式”测试仪会连续输出6个频点的信号进行谐波失真的测试（60Hz、100Hz、400Hz、1kHz、3kHz、4.5kHz）。

5. 结束语

改善发射机音频指标，依靠技术上的保障，实现优质信号的传输，使听众满意度得到上升，促进了广播台的经济发展。随着广播技术的拓展，相关研究的不断深入，音频质量将有更加完美的表现。

参考文献：

[1]余洁.影响中波发射机电声指标的因素分析与应对措施[J].探索科学，2019（3）2：220-221.