第三章-中短波广播发射技

中短波广播发送技术简介国家广电总局监测中心2004.4.无线电广播技术是关于无线电广播发送设备的技术广播发送设备是完成运载音频信息的一种现代化工具，是广播系统的一个重要组成部分广播发射机是利用电磁波传送信息的广播发射机的首要任务就是把要传送的音频信号通过一定的方式调制在载波上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在一定的覆盖范围内利用接收机就可以收听到声音广播一、无线电广播和广播发射台1-1无线电广播概述广播发射台是产生和发射无线电波发射台地点选择主要考虑无线电波辐射效果和服务区的要求。广播发射台依其规模大小，有骨干发射台和转播台之分。骨干发射台直接与播控中心联系，一般属中央或者省（市）级发射台。转播发射台多分布在骨干发射台周围，功率等级较小，主要用来改善覆盖效果和扩大服务区。二、广播发射台的组成发射台由发射机、天线、电源设备和辅助设备组成信号源的节目信号，经线路放大器送至主用发射机发射机将节目信号放大、调制，从天线发射出去，变为电磁波发射台所需的电能由电网电源提供发射台的关键部件都设有备份：节目源、电源备份，大功率发射机有局部备份和备件。自动控制装置既可以控制发射机的开关机和故障检测报警，还可以对主备用设备自动切换，对一些操作进行遥测遥控假天线（即假负载）和监测设备用于自台测量和调整发射机技术指标冷却设备包括：风冷、水冷或蒸发冷却。主要对发射机大电流器件冷却图1-1广播发射台的设备构成图三、发射系统的构成图1-2大功率调幅广播发射机系统图发射台机房有：发射、节传（或微波、收音)机房、调度室发射天线：将高频电流变成电磁波并辐射到空间，发射机可使用多个方向的天线。天线尺寸与频率有关，应保持匹配状态。为了提高天线的发射效率，在天线周围的地下，要埋设圆形辐射状的地网电源：分交流和直流。在发射机和微波机、卫星接收机中大多使用直流电源，作各级放大器的电源。交流电源除经整流器产生直流电源供放大器外，还用作动力设备（如风机）电源、控制系统电源和行政设施的电源。四、发射机工作原理概述发射机是能量转换放大器，将交流电能变换成携带有广播节目信号的电磁波能量大功率发射机是指以振幅调制方式的发送装置频率：526.5kHz～1606.5kHz，3.2MHz～26.1MHz大功率：单机功率在50kW以上，多用于省级以上发射台，地市级多在50kW以下，属中小功率大功率和中小功率，其工作原理和基本结构均相同，只是元器件容量和放大能力不同在半个多世纪里，乙类板调发射机一直占统治地位，其性能稳定和电声质量较好广泛使用的典型调幅短波广播发射机：乙类板调式发射机脉宽调制式（PDM）脉阶调制式（PSM）发射机一般由五部分组成：高频（射频）音频电源控制保护部分和冷却部分五、乙类板调式调幅广播发射机发射机的射频系统由三部分组成激励器是射频信号发生器，产生发射频率（载频）新型发射机，激励器已用频率综合器。其频稳度高、变频方便•激励器输出的射频信号送至高前级（宽放）放大一般高前级使用电子管进行电压放大或功率放大高末级（被调级）高电平板级振幅调制的功率放大级在高末级板极上，有三种频率的电压：射频信号经高末级放大后形成的载波电压音频末级（调制级）经调幅变压器输出的音频调制电压主整流器输出的直流高压三种电压共同作用，成为已调波电压图1-3乙类板调广播发射机方框图发射机的音频部分由音频处理器和音频放大器组成音频处理器对音频信号加工处理，主要功能：①自动压缩节目信号动态范围②提高发射机平均调幅度和接收响度③自动调整节目电平，不失真地限制过调幅④对高低频分量预加重，补偿接收机高低频跌落⑤调整设备均衡网络，补偿发射系统频率特性。限制放大器是功能单一的音频处理器，只压缩节目动态范围、提高平均调幅度和对高电平切削经过加工处理的音频信号送入音频放大器音频放大器一般由四级推挽放大器组成：低一级为串接电压放大器低二级是以阻流圈作板极负载的放大器低三级为阴极输出器，低末调制级为乙类推挽功放，输出高电平音频调制信号六、脉宽调制（PDM）式调幅广播发射机PDM发射机，以脉冲宽度调制器取代乙类板调的推挽调幅器而得名被调级仍采用板极振幅调制所需的音频调制功率由PDM的音频转换电路来产生音频一、二、三级组成脉宽调制器第三级为调制级，通过低通滤波器与被调级相串联主整直流高压对被调级和调制级电子管而言为串联馈电图1-4脉宽调制式调幅广播发射机图4-15脉宽调制机及调制脉冲发生器方框图脉宽调制器1.脉宽调制器的组成•由调制脉冲发生器与调制脉冲放大器组成•调制脉冲发生器简称为脉持头，由矩形波发生器、积分电路、比较器、射极输出器等组成，其末级称为脉宽调制级•图(a)为脉宽调制机方框图•图(b)为调制脉冲发生器方框图•图(c)为受音频信号调宽的矩形脉冲波。脉宽调制发射机要完成两种调制功能：①、音频信号对矩形脉冲串进行脉冲宽度调制（即改变脉冲持续时间）使脉冲宽度的变化正比于音频调制信号的幅度变化脉宽调制器输出的等幅调宽矩形脉冲串，经低通滤波器滤除谐波分量，送入被调级—高电平②、在射频末级实现板极振幅调制。与乙类板调机相同脉宽机的两种调制方式对应着两个工作频率：一个是被调级输出的载波频率一个是矩形脉冲串的开关频率，在超音频频段54kHz～72kHz，我国一般选63kHz（9kHz的倍频）七、振幅调制和调幅器7-1振幅调制的概述(1)、概述音频信号原则上不能直接发射，要进行远距离传输，只有借助于运载工具（即高频电波，常称载波）和适当的发射体（即天线）才能实现把待传送的信息称为调制信号把待要传送的信息寄载到高频电波上的手段，称为调制用调制信号控制、改变高频振荡任一参数都能实现调制调制的方法大体可分为两大类：①用正弦波作为载波信号的模拟调制方法②用一组数字或脉冲串作为载波的脉冲调制方法7-2、调幅、调幅波的包络波形和调幅度用调制信号去控制改变高频载波信号的振幅，使高频载波的振幅随调制信号的变化而变化，称为调幅高频载波电流i=ITcos（ωt+Φ）音频信号iΩ=IΩcosΩt，调幅波电流表示式i（t）=（IT+IΩcosΩt）cos（ωt+Φ）=IT(1+mcosΩt)cos(ωt+Φ)式中IT、ω、Φ分别为高频载波电流的振幅、角频率和初相位IΩ、Ω分别为调制信号的振幅和角频率m---调制系数，又称调幅度图4-1为调幅波波形，调幅波的振幅是随调制信号而变化的图4-1调幅波形图•图4-1中的调幅波形不是载波信号波形与调制信号波形相迭加的结果，而是两种信号经过非线性电路后重新组合的结果•调制是一个频率变换过程，即调制信号和载波信号通过非线性电路产生新的频率分量的过程。调幅度)()()()(minmIIIIIIImIIIIIIIIImTTTTTTTTamxT1111上调幅度m上、下调幅度m下分别为%%minmax100100TTTTIIImIIIm下上调幅度m可以表示为：minmaxminmaxminmaxminmaxminmax)()()()(IIIIIIImmImIImIIIIImIImIIIITTTTTTTTTTT222调幅度反映了高频载波振幅被调制的程度，调幅度最小为零，没有音频信号调制，发射只是载波调幅度最大为100%，载波幅度完全被用来传送调制信号大于100%称为过调幅，过调幅将使调幅波的包络波形和调制信号的波形不完全一致而造成失真应尽量把调幅度开足，以便充分利用载波功率，提高收听效果。八、调幅波的频谱及能量关系调幅波电流由三个分量组成：载波分量、下边频分量、上边频分量，频谱如图4-2（a）所示tmItmItItiBABABAttmIttIItiTTTTT)cos()cos(cos)()cos()cos(coscos:cos)cos(cos)cos()(212121211得利用公式图4-2调幅波的频谱若调制信号是语言或音乐节目，边频成为两个边带，即上边带和下边带若用Ωmax和Ωmin表示调制信号的最高角频率和最低角频率，频谱如图4-2（b）所示当调幅波电流流过负载时，有功率输出，例如通过天线电阻RA，则载波功率为两个边频功率TATPmRmIPPPP~)()()()()(,24122121为ATTRIP221~TTPmPmP~~)(2212412TTPmPPP~)(~~)(2211平•调制信号一个周期内的平均输出功率:mP00.51P（ω±Ω）00.125P~T0.5P~TP~平P~T1.125P~T1.5P~T两个边频的总功率辐射的有用边频功率与调幅度m2成正比，调幅度小，边频功率小，降低机器使用效益为提高效益，应提高平均调幅度，可使用音频加工器用单音信号调制时，在调制信号的一个周期内已调波的最大功率04112111211121212222222min~~max~~minmin~minmax~~maxmax~)(:)()()(PPPmPmRIPmIImIIRIPPmRmIRIPTTATTATTTATA是载波功率的四倍时，当最小功率）（九、脉冲阶梯调制原理近三十多年来，中短波广播发射机的调制制式继六种脉宽调制（PDM）式调幅广播发射机依次由美、德、中、英、苏所创始、发展后八十年代初瑞士ABB公司创造了脉冲阶梯调制式调幅广播发射机，简称ABB式PSM发射机八十年代中期，美国哈里斯（HARRIS）公司发明了数字化中波调幅广播发射机八十年代后期，美国大陆公司研制了新型的PSM发射机，在功率开关和音频控制系统方面做了较多的改进PSM发射机几乎集中了六种PDM机的优点，且有新的优点和创造脉阶调制器的基本原理脉阶调制器把主整和调幅器合二为一并把主整电压化整为零，即其主整由许多套（32、48）低压整流器串联组成每套整流器为三相全波整流电路，其输出电压分别受电子开关所控制电子开关又受控于直流控制信号和音频调制信号，使被调级获得载波点的直流屏压和高电平的音频调制电压PSM调制级既晶体管化又属丁类放大，效率高于乙类调幅级和脉宽调制级，为96%以上图4-16PSM调制器示意图当外电合上时，US就加到滤波电容器C上。•在t0，所有开关级被拉开，输出电路以DF为通路，A点压为零•在t1，有一级PSM开关（任选48级中的一级）被合上，电流经47组DF到负载，A点电压为1×US=700V•在t2，第二个开关级（除已合开关的任一级）被合上，这时A点的输出电压为2×US=1400V•同m(+)=1、m=0和m(-)=1相对应的闭合开关数依次为40、20和0为了使部分电子开关关断时能保持整体串联电路处于连通状态，每套整流器的直流输出端还并联了空转二极管DF为了使PSM调制器输出的脉冲阶梯式音频调制信号平滑化，在它的总输出端设置低通滤波器一套低压整流器的直流输出电压、电子开关和相应的DF，称为一级PSM开关。48级的屏压PSM开关，500kW机载波时用20级PSM开关，每级输出700V，合成电压14000V；100%调幅的正峰电压为2×14000V，应由40级PSM开关供电；所剩8级PSM开关当备份并兼作非对称梯调的•当m=1时，以40个阶梯形成的调制级输出电压称为粗调幅电压，它包含较大的非线性失真，通过低通滤波器滤除主要的阶梯纹波•但因低音的中等以上调幅、中音和一部分高音的低调幅时的阶梯纹波主频都处于滤波器的通带之内难以滤除，将导致动态载波下浮•用PDM补偿抑制这种失真并避免载波下浮。这种补偿称为细调幅图4-17PSM调制级的输出电压（粗调幅）PDM补偿脉冲的幅度等于单级PSM开关的输出电压USPDM脉冲宽度正比于误差电压PDM脉冲串通过48个开关级产生PDM脉冲开关频率fC=70～120kHz，在高音