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调频激励器原理及其发展

发表日期:2007年4月11日   出处:广电设备与技术 【编辑录入:飞奔

一 概述
  无线电广播发射机的用途是将待传送的音频信号通过一定的方式调制到载波上,并放大到额定的功率,然后利用天线以电磁波的方式发射出去,覆盖所需的范围。
  信号的调制方式可分为调幅、调频和调相三种,在广播和电视技术中应用得较多的是调幅和调频。相对于调幅广播发射机而言,调频广播发射机具有线性失真小,无串扰现象,信噪比好,高保真度,效率高,可实现立体声广播和多路广播等突出优点,且其体积小,价格便宜,适用面广,因此调频广播发展很快。随着技术的进步,各种新型的调频发射机不断推出,如全固态调频发射机和采用数字调频激励器的调频发射机。
  而调频激励器是调频发射机系统的核心,它对输入音频及附加信道信号进行处理并合成基带信号,基带信号调制到VHF波段的载波上,并经激励器功放放大输出。在输出功率要求较小的情况下,调频激励器也可直接作为发射机。
  一方面,调频激励器是调频发射机的信息处理核心,它直接决定发射机性能的优劣,另一方面,它又部分承担发射机故障处理及报警的责任,即调频激励器应对自身及发射机整机进行监控,在发射机运行出现故障时需进行自身调整,来保证发射机运行的正常和安全。
  根据内部信号处理方式的不同,调频激励器可分为数字式和模拟式两种。
数字调频激励器是主要采用数字信号处理(DSP)和直接数字频率合成(DDS)等技术对数字音频进行处理的激励器,其失真小、信噪比高,适合于构成单频同步广播系统,在数字音频广播(DAB)系统中的应用正在逐步加大。
  模拟调频激励器是采用模拟信号处理及频率调制技术的激励器。模拟FM技术经过60多年的发展和完善,所能达到的各项指标不断提高,时至今日,在某些重要指标上,模拟激励器已能突破模拟和数字的传统界限。同时,部分激励器厂商为支持数字格式的音频输入,在不改变模拟载波调频技术的前提下,添加了数字音频接口,采用DSP技术对音频信号进行编码,编码后的复合信号经DA转换后再调频调制,以适应日益发展的需求。
  虽然数字调频激励器的性能普遍优于模拟激励器,但因价格的巨大差异,就目前世界经济水平而言,模拟激励器在全球的应用范围仍远比数字激励器广。本文只对较为新型的模拟激励器的原理进行介绍。

二 系统组成
  具备完善功能的调频激励器可分为系统硬件和系统软件两部分,系统硬件完成对音频信号的编码,合成基带信号的调频调制,射频信号的放大等功能,而系统软件则对系统硬件进行实时监测和控制,并根据用户要求完成各种智能化处理。
  调频激励器的典型组成框图如图1所示。


  系统软件由监控系统的控制核心(通常是MCU)执行。
  为对调频激励器原理有较深入的介绍,下面分别从系统硬件和系统软件两部分进行说明。

三 硬件原理
  按照模块化思想,可将系统硬件分为音频处理模块、调频调制器、激励器功放、监控模块、电源模块等部分。
  1 音频处理模块
  音频处理模块的一个重要功能是完成立体声编码。根据一些国家对不同立体声制式的研究和试验,1966年CCIR(国际无线电咨询委员会,现名ITU-R)同时推荐了“导频制”(抑制副载波调幅)和“极化调制制”(双边带调幅)两种制式作为立体声调频广播的优选制式,这两种制式都具有与普通单声道调频广播兼容的优点。在世界范围内使用最为广泛的是导频制。
  在常见的具备国际领先技术的调频激励器中,其音频处理模块均提供MONO/STEREO/ MPX信号及附加信道信号(SCA/RDS)的输入接口。某些国外激励器厂商还提供可选的数字音频接口,以支持AES/EBU,S/PDIF数字式输入。
  图2给出导频制调频激励器音频处理模块的典型原理框图。


  图2中各部分的功能如下:
  音频预处理:对输入的音频信号(L、R)进行幅度调整,包括输入阻抗选择(平衡或不平衡方式),以及可控音频衰减器的衰减量设置。可控音频衰减器使得一定电平范围内音频信号,均可设置为标称值(参考电平)。标称电平输入时,输出基带信号对载波的调制频偏为75kHz。
  预加重:通过模拟开关控制预加重常数的选择,常见调频激励器均提供 0、50μs、75μs等常数。
  15kHz低通:滤除音频以外的信号,保证音频信号(30Hz~15kHz)通过,同时对导频及以上频点(≥19kHz)具有良好的抑制。目前具备领先技术的激励器可做到30~15kHz的频率响应<±0.1dB,而对19kHz以上频点的抑制度>50dB。
  立体声编码器:通常采用软开关方式对L,R信号进行处理,并与19kHz导频混合。编码后的信号包括左右路信号和M、抑制副载波(38kHz)调幅后的左右路信号差S、以及导频音。与矩阵式和硬开关等编码方式相比,软开关编码具有立体声分离度高、失真小的优点。目前,某些模拟调频激励器的立体声分离度已可达到65dB,失真度<0.1%。
  限幅器:当音频输入信号远超过标称电平时,限幅器对输出复合基带信号的幅度进行控制,可使总调制频偏不至过大。
  2 调频调制器
  调频调制器采用锁相环技术产生精确频率的载波(87.5--108MHz),并将合成基带信号调制到该载波上。集成锁相环频率合成调制技术,使调频调制器具有良好的调制跟踪特性,频率设置和控制都比较容易,频率稳定度可达±1ppm。目前,国际上较为领先的激励器产品其调频调制器的信噪比(RMS)均超过80dB。
  图3给出调频调制器的典型原理框图。


  图3中各部分的说明如下:
  电平调理:调整音频处理模块送入的合成基带信号的幅度,可使得标称音频输入时,基带信号的总调制度为100%(75kHz频偏)。
  VCO:变容二极管直接调频,产生所需的振荡信号。
  锁相频率合成器:包括分频器、鉴相器等功能。VCO振荡频率经分频后与基准频率(调制器内部晶振频率或外部频率基准经分频后所得信号)鉴相比较,其输出差拍电压送入环路滤波器,锁定后鉴相器输出直流信号,并给出锁定指示。
  环路滤波器:滤除鉴相器输出差拍信号中的和频成分及高频干扰,送入VCO中以使振荡频率向待锁定值逼近。
  捕捉带控制:锁定过程中,扩大捕捉带,以加快锁定速度。锁定后,减小捕捉带,以提高抗干扰能力,保持稳定的锁定状态。
  电调衰减器(可选):某些激励器采用本环节对输出功率进行设置,并实现ALC(自动输出功率电平控制)功能。
  输出放大级:对VCO输出的功率进行适当放大,以推动激励器功放,并提高信号传输过程中的抗干扰能力。该放大级的供电受锁定信号及外部控制,仅在正常锁定且有输出要求时才放大输出。

  3 激励器功放
  激励器功放对已调制载波进行功率放大,并经低通滤波器(或带通滤波器)及定向耦合器后输出。其典型原理框图如图4所示。


  推动级和末级完成对载波功率的放大,末级功放管通常工作在丙类状态。
  工作点控制(可选):本环节为激励器提供功率设置及ALC控制功能。意大利RVR公司的PTX-LCD系列激励器便通过调节末级功放管的集电级电压来设置输出功率。意大利ELETTRONIKA公司的MIRA系列调频激励器也采用本环节设置功率,但控制的是推动级MOS管的栅极及漏极电压。
  低通滤波器(或带通滤波器)滤除载波的高次谐波。
  定向耦合器:常见的是微带定向耦合器,也有采用传输线定向耦合器或直接电容耦合方式的。
  功率检波环节:在常见的激励器功放中,广泛使用二极管峰值检波;一个较新的应用是使用对数线性功率检波器,其输出电压与RF功率(dBm表示)呈精确线性。
  4 监控模块
  监控模块负责维持和监控激励器的正常工作,保障系统工作于最佳状态;它还为用户提供LCD或LED显示,并接受用户输入(输入方式包括键盘、脉冲编码器、串行接口等),以实现用户对工作参数的设置和对工作状态的查询。同时,监控模块还应具备远端连接功能,可与共同构成发射机的后级功放或主控单元等构成外环,实现整机ALC。
  5 电源模块
  电源模块为激励器各模块供电,目前各激励器厂商有采用线性变压电源的,也有采用开关电源供电的,其关键是对电源纹波及EMI的控制。为适应不同国家和地区的电网,激励器电源电压及工作频率的容限范围应足够宽。

四 软件功能
  一个较为完善的激励器控制系统软件必然具备以下功能:人机对话、实时监控、故障报警及处理、数据存储、工作状态切换和遥测遥控等。
  1 人机对话
  监控系统软件应提供友好的人机对话界面,并可简易输入,便于用户参与。RVR PTX-LCD调频激励器配有大视域液晶显示屏,可显示从开机到运行停止全过程的各种信息,并采用脉冲编码器取代传统键盘;EKA MIRA激励器则采用大尺寸触摸屏,都对“友好的用户接口”作出了自己的解释。
  2 实时监控
  监控系统软件需对激励器当前运行状态进行即时监测和分析,实时更新状态显示,并能维持激励器(内环)或发射机整机(外环)的输出功率基本不变,即实现ALC功能。
  3 故障报警及处理
  监控系统软件应在激励器或发射机出现故障时立即响应并做适当的处理,还应为用户提供报警信息及故障记录,方便用户查询。
  4 数据存储
  数据存储功能包括对用户设定的工作参数及运行过程中的状态数据的存储。例如,RVR激励器提供预设参数的存储及读取功能,而一些激励器则提供最近数日内的运行状态数据存储及读取功能。历史数据的存取有助于用户对激励器和发射机的长期运行进行分析和预测。
  5 工作状态切换
  激励器应能在主工作状态和备份工作状态之间快速切换,以保证发射机的长期连续工作,这在具有一个或多个备份激励器的发射机系统中非常重要。
  6 遥测遥控
  激励器应具备良好的联网工作能力,可与发射机的控制单元或PC机通讯,以实现遥测遥控。目前常见的是通过串行接口(RS232或RS485)、USB接口或网络接口,实现对激励器工作状态的远程查询及对工作参数的在线修改。
  除上述功能外,一个理想的激励器系统软件还应具备以下特性:
  可靠性好,具有良好的稳定性;自适应性强,能自动判别内外环工作,完成相应的监控操作;智能化控制,能判断激励器及外部功放的工作状态是否正常,并做出相应的处理。对于天气等缓慢变化因素引起的故障(如下雪导致的过驻波),具备长时间监测及缓慢恢复功能;具备自纠错能力,在监控系统自身出现故障时,能够自动察觉并重起系统。良好的纠错能力是激励器和发射机实现无人职守的重要保证;扩展性强。为增加新的监测和控制功能留有足够的控制口及存储空间,可轻松完成软件版本升级。

五 展望
  在电子和计算机技术日新月异的今天,调频广播这一大众传媒正经历着来自电视及互联网等诸多领域的冲击,但在一些移动工具(例如汽车内)及开阔环境,调频广播仍具有不可替代的地位;同时,可传送立体声也赋予它特别的魅力,使其成为家庭休闲及餐饮娱乐场所“背景音乐”的重要提供者;且就目前世界的经济水平而言,调频广播在发展中国家的推广和普及仍有很大的前景。
  在声音广播领域,如果将模拟调幅、模拟调频看成是第一代和第二代的广播技术,则数字声音广播可看成是第三代广播技术。数字声音广播具有模拟声音广播不可比拟的优势,且必然会最终取代模拟声音广播,但就激励器的普遍原理而言,数字激励器和模拟激励器是基本相同的,各功能模块和指标都是共通的,只是更多地融入了数字技术而已,这使得本文谈到的原理对于日后仍可有一定的参考价值。
  作者:北京吉兆电子有限公司工程师

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    发表人:[游客 IP:219.151.194.55 发表人邮件:guest@fmdiy.com 发表时间:2008/1/15 14:52:14]

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    这个还比较具体点

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