ETLFM4E04 lOkW全固态数字调频发射机的原理剖析

夏体荣

（贵州省广播电影电视技术管理中心，贵州 贵阳 550002）

0引言

意大利优康公司生产的全固态数字广播调频发射机，适用于开放式广播覆盖网的台站作模拟/数字广播。发射机采用了全数字信号处理数字激励器，电路设计汇集了世界上最新的技术,功率放大器采用了LDMOS FET技术，使用了最新的高增益、高效率、高可靠性大功率横扩散金属氧化物硅场效应管（LDMOS FET），功率设计余量大(冗余量20%，可达12kW)，具有高可靠性和良好的技术指标。

1发射机的原理

发射机主要由中央逻辑控制及自动切换单元、2台多用途调频数字激励器、4台2.8kW末级数字功率放大器、1套功率分配/合成系统、1套电源分配系统、1套冷却系统（含整机隔离变压器）和 1个标准19英寸机柜组成。其原理方框图如图1所示：

图1发射机整机原理方框图

1.1中央控制单元

中央控制单元由工控微机和控制接口板组成，前面板由液晶显示屏、功能按键及整机状态指示灯组成，还配有RS232接口，使用了超级终端软件，即可在现场及时查看发射机运行状态。其原理方框图如图2所示：

图2发射机中央控制单元方框图

中央控制单元与组成发射机的其它功能单元之间的通讯是通过ELINK 串行总线来实现的，每个功能单元中都配置了CPU微处理器控制板，中央控制单元据此可获得所有功能单元的运行参数和状态的信息。中央控制单元还配有RS485接口，与其它如激励器、功率放大器构成RS485接口总线，可满足用户对发射机遥测遥控。

中央控制单元通过ELINK串行总线连续监测发射机的各个功能单元，包括激励器和功率放大器，显示各个功能单元工作参数和工作状态，可显示发射机整机信息，如直射功率、反射功率、负载直射反射功率、每个功放模块的实时工作信息，如每个功放模块输入功率、输出功率、反射功率，工作电压电流、温度，并管理发射机的所有动作。

在中央控制单元中的微处理器uPC出现故障的情况下，发射机可照常工作，此时它将维持故障前的状态参数。中央控制单元为双路供电，在遭遇突然停电而恢复后，控制单元将可使发射机自主恢复其在停电之前的状态下工作，在关闭中央控制单元的情况下，可通过Enable总线直接跳线打开使能，使发射机可照常工作，也可对激励器和功率放大器做相关按键设置，使各功能模块独立于中央控制单元运行。

1.2数字激励器

数字调制激励器（ETL3100）为多用途调频数字激励器，全数字信号处理，捷变频方式将不同制式信号直接调制到输出频率，通过简便软硬件可升级至数字广播发射。其电路原理方框图如图3所示：

数字调制激励器可接收左右声道、复合模拟（MXP）、数字（AES/EBU）、附加信道（SCA）等多种输入信号，具有10MHz基准信号输入、集成gps接收器（选配）、RBDS/RDS信号、10MHz外部同步时钟、接收外部同步时钟、配置RS232、RS485和以太网络接口。

数字调制激励单元内部电路，将模拟输入信号通过A/D转换成数字信号L/R，AES/EBU数字信号被解码流复用生成数字信号L/R，通过内部FPGA BGA和本地控制处理器进行数字立体声编码，同时每路信号皆可进行数字增益、输入电平幅度进行调节，各个通道输入端的低通滤波器置于ADC前抑制掉不需要的信号，其截止频率由转化器的取样率决定，软/硬限幅器限制由于频偏外的、限幅的硬类型和过调制发生前的输入增益降低的软类型，内部数字立体声编码对数字左右信道的数字信号进行立体声编码，具有主/备输入信号手动或自动切换功能, 可以任意选择AES/EBU信号、左右模拟输入和MPX信号作为主用或备用输入信号，另外AES/EBU信号的XLR卡侬输入口和TOSLINK光纤接口也可被设定作为为主/备 AES/EBU信号输入和手动或自动相互为备份，自动切换的时间延迟可设置。

信号通过D/A转换后，然后送至带通滤波器滤掉带外谐波，末级功放将来自DAC的射频信号放大，输出增益配有自动增益控制器，使输出功率保持一预设恒定值，功率检测将测得输出功率信号送入显示控制同时送到自动增益控制电路，FPGA接收单一时钟信号并与之同步，其它需要的时钟由FPGA内部产生，以保证时钟信号的同步性，同时可以接收外部10MHz同步时钟信号及内置FM时间延迟功能，实现调频同步广播，所有内部数据检测和控制都通过I2C总线与控制微处理器进行通讯，本地控制系统管理调制的所有参数，以及保存报警记录。

RF射频单元板包括末级输出功率放大单元，由前驱动级、驱动级、末级组成。输出的信号通过110MHz截止频率的低通滤波器接输出，末级输出还配有定向耦合器来检测输出功率和反射功率，用来做检测、保护和自动增益调节AGC，放大器控制电路当检测到过温、过流、反射大等报警时，自动降低输出直到关闭功放。

激励器控制单元板用来管理激励器的命令、配置以及参数监测，可以通过远程接口完成激励器的固化软件的升级。内置监控系统配有RS232接口为软件升级和以太网的HTTP、TFTP、Telnet和SNMP协议，提供了多种远程监控方式，同时还具有输入信号主备自动切换功能，通过前面板的显示屏和按键可以完成全部功能设置。

控制单元提供发射机的输入/输出功率、反射功率、不平衡功率、音频输入动态显示、频偏、立体声设置、发射频率设置、输出功率设置、电源电压/电流、工作温度、MOS管的控制电压、报警信息及历史记录信息等各种工作参数。

激励器具有强大的同频工作能力，它接收外部同步时钟10MHz参考源，使调频同步网内每个发射机之间频率同频，由于是数字式调制，调制后载波频率不变化，如需要，可以设置频率偏移，由面板上的按键，可以精密设置激励器的调制度和内置FM信号时间延迟，实现调频同步广播。

1.3双激励自动切换功能

中央控制单元同时集成了双激励自动切换功能，当A路激励器工作发生故障时（如载波信号丢失、调制信号丢失、输出功率变化过大等），能自动切换到B路激励器，确保发射系统正常工作。其系统功能原理方框图如图4所示：

图4主备手动/自动切换逻辑系统功能原理方框图

主备自动逻辑切换功能是指两台激励器TXA和TXB，其工作在相同的频率、相同的输出功率上，通过主备自动逻辑切换功能来控制自动切换RF开关的倒向，使通过自动切换RF开关连接在相应的末级功放上。

主备自动逻辑切换模块与激励器A、激励器B和RF开关相连，当其中一个激励器的故障报警信号送到中央控制单元时，中央控制单元来控制打开另一个激励器，同时控制切换RF开关至对应的位置。

主备自动逻辑切换模块可以工作在手动和自动两种模式，当一个激励器被设置为主机后，如其有故障或功率降低大于3dB时，产生报警信号，自动逻辑切换单元为了防止发射机误报警，在预设延时（2～30s可调节，切换时间≤1s）后将其关闭并切换至假负载，同时将备激励器切换至末级功放并且开机。

1.42.8kW功率放大器

放大器适用于模拟和数字信号放大，采用了最新设计和最新高压LDMOS FET管，是最新款、高效、高线性数字放大器，可用于FM、IBOC（带内同频道）技术的HD Radio、DAB或DRM等信号广播领域。其方框图如图5所示：

图52.8kW功率放大器方框图

功率放大单元PA为宽带放大，工作频率可覆盖整个调频段，具有自动保护及状态显示功能。每个功放单元PA内部由4个700W基本放大器组成，每个末级基本放大器包括2个LDMOS管BLF573S，在调频频段负载功率达 350W，功放链路放大增益之和大于63dB，功放输出为2.8kW，并配有四个独立开关电源和一个处理器,在播出时功率放大单元可带电插拔检修，出现故障后，降低功率的幅度较小。

功放单元PA具有高温、过压、过流、过驱动、过载、反射太大，输出功率太小和太大等自保护功能，同时具有直射功率太小、直射功率太大和散热器温度太高等报警信号。

每个功率放大器PA经无源功率分配器直接接收来自激励器的信号，其内部配有前级放大器，无需中间级放大，整机功放链路无瓶颈，各级信号分配合成器插入损耗低于0.18dB。

1.5CPU逻辑控制保护电路

功率放大器内部逻辑控制保护电路和微处理器uPC监控4个开关电源、以及每个LDMOS放大管的工作状态，包括电流、电压、温度、入射功率、反射功率以及功放管温度等。如有参数超过预设值时，认为出现故障，微处理器uPC通过保护电路将自动降低输出电源电压，以便降低功率，如故障严重，直接通过使能ENABLE电路关闭电源输出，使功放模块的输出为零，微处理器uPC内置的EPROM保存故障报警历史记录。其内部逻辑控制保护电路图如图6所示：

图6功率放大器内部逻辑控制保护电路图

中央控制单元通过内置ELINK总线接口实现对功率放大器的监控，同时配有RS485接口, 所有监控数据可通过RS485接口协议获得，并将故障信息通过RS232接口送出, 无须配专用软件，可直接连接PC机的操作系统自带的超级终端软件检测功率放大器所有运行参数。

1.6功放单元供电电源

2.8kW功放单元PA内放大板由4个独立的开关电源供电，功放单元PA的供电电源为效率高达97%的开关电源，输入电压为57VAC，电源输出 48VDC，为各级功放供电，辅助12VDC为模块的CPU逻辑控制保护电路供电。其供电方框图如图7所示：

图7功放单元供电方框图

三相交流电R、S、T经主变压器降压后输出57VAC R/S/T进入功放的三相整流桥为各个开关电源供电，使整个功放单元PA在三相上功率均衡，同时经过三相整流后输出55V未经滤波的直流电压进入开关电源，增加了开关电源可靠性。

每个2.8kWPA功放模块都配有一个内含四个独立开关电源的电源组，每个独立电源为一个700W基本放大器供电，四个电源通过整流桥输出为PA 功放模块中的驱动放大器供电，4个开关电源工作方式如下：

在其中一个开关电源出现故障时，驱动级和末级放大器仍然供电，此时继续工作的开关电源维持的电流会增加几个安培，余下四分之三的末级放大器仍然工作，整机继续工作。

当其中一个末级700W基本放大器的一个LDMOS FET管出现故障短路时，对应的开关电源将过载被关闭，末级放大器的输出功率也将减低约20%的额定功率，整机继续工作。

当其中驱动放大级的一个LDMOS FET管出现（下转第173页）（上接第132页）故障短路时，对应的保险管断开，驱动功率降低一半，末级放大器的输出功率将减低约50%的额定功率，功放单元PA继续工作。

1.7冷却系统

发射机采用强制风冷却方式，设备的冷却系统由内部冷却抽风机和内部排风机两部分组成，外部风道将排出的热风送出室外（也可选择直接排在室内，进行循环）；装在机内放大器后部机柜上的低噪风机将冷空气经由每个功率放大器前面板的可装卸过滤器抽入，经放大器至机柜后部，对放大器进行冷却，机柜顶部的大功率低噪排风机再将后部的热空气经内部风道从顶部排出机外。

1.8电源分配系统

发射机为适应高山台常年雷电较多、供电电源电压不稳及其他工作条件差的台站的工作特点和需求，特别配置了隔离变压器，起到保护、防雷、滤波作用，同时发射机内置高能量的直流回路以便更好地防雷，为设备的安全可靠工作提供了保证。

交流隔离变压器可承受6kV浪涌电压，隔离变压器输出57VAC送到4个2.8kW功率放大器中, 在机柜下部每一个功放单元都配有相应电源开关，同时激励器和控制单元都单独配有电源开关。

发射机支持断电重启，动力电突然掉电并恢复供电后，发射自动重启恢复到掉电前的运行状态。

2小结

BT02-103 10kW全固态调频立体声广播发射机，功率放大器采用了最新的高增益、高效率、高可靠性和高输出失配大功率横扩散金属氧化物硅场效应管（LDMOSFET），电路设计汇集世界上最新的技术,功率设计余量大，具有高可靠性和良好的技术指标，冷却系统为超静音风机设计，它不但降低了噪声、减少了能耗、提高了效率和节能环保，使发射机的稳定性大幅度地提高，从而降低了发射机的故障率。

［责任编辑：汤静］