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第五节脉冲阶梯调制发射机中国传媒大学信息工程学院一、概述脉冲阶梯调制（PSM）是80年代初期开发的新的调制技术，PSM发射机在全世界范围得到广泛应用。PSM发射机的效率、可靠性较高。这种发射机的调制系统采用PSM技术，而高频系统与乙类板调或PDM发射机是一样的。脉冲阶梯调制发射机的特点是，把板调发射机的高压直流供电电源化整为零，通过许多直流电压源的串联叠加得到电子管要求的瞬时板压。例如某500KWPSM发射机有32组875V的低压整流器。在载波状态，有16组低压整流器相串联给出14KV,在100%调幅峰点瞬间，32组低压整流器相串联给出28KV的电压,在100%调幅谷点瞬间，所有的低压整流器均不参与串联，给出0V的电压。在载波状态，串联叠加的电压源数量对某一部发射机来说是确定的，它受一固定直流电压经A/D转换后的数字信号控制。因此，人为调整该固定直流电压，就能改变载波状态串联叠加的电压源数量。在调制状态，音频调制信号与上述的固定直流信号相叠加，经A/D转换后变为控制信号，与音频对应，在不同的时刻，有相应不同数量的直流电压源相叠加，给出相应不同的直流电压。因此，串联叠加后的电压是具有直流电压分量、变化分量的包络与调制信号变化规律相同的阶梯波。阶梯波经低通滤波器滤波后，为高频被调级提供所需的直流板压和相应的调制电压，最后进行如常的板极调幅。阶梯电压波形PSM发射机将高压主整电源与调幅器合二为一，提供阶梯电压的装置称为PSM调制器，阶梯电压的直流分量转化为高频载波功率，音频分量转化为高频边带功率。因此，载波功率和边带功率全部来源于PSM调制器。二、基本原理PSM发射机构成原理图PSM开关放大器由N个独立的电压源组成（例如N=32），为高频末级（被调级）提供载波电压与调制电压。在载波状态，有半数的电压源N/2=16以串联形式接通，输出Ea=EaT=14KV；在有调制信号时，PSM开关放大器输出电压的变化范围为0-28KVPSM开关放大器原理图PSM开关放大器原理图经整流和滤波后得到的32个独立电压源的接通或断开，受32个电子开关控制，而电子开关的通断受固定直流和音频信号经A/D转换及逻辑电路产生的控制信号控制。每个电压源的电位是悬浮的，串联叠加后多数PSM开关放大器处于高电位。为了使PSM开的高电位与低电位的控制电信号相互隔离，低电位的控制信号要通过电-光-电的转换。每个电压源的电压为US，（又称级电压或阶电压），在t=T0时刻，全部开关断开，因此空转二极管FD链的输出端A对地的电压等于0（相当于100%调幅的谷点）；当t=T1时，只有一级PSM开关接通（它可以是N个PSM开关中的任一个），由该级产生的电流通过其他未接通的PSM开关级的二极管FD流向负载；当t=T2时，再接通一级PSM开关（它可以是除已接通的PSM开关外的N-1个PSM开关个中的任一个），此时输出端电压为2US，每接通一级PSM开关，输出端的电压就提高一个级电压。当所有的N个PSM开关都接通时，输出端的电压为NUS，相当于100%调幅的峰点（等于载波状态电压的2倍）。调制度与PSM开关放大器输出电压的关系调制度（%）调制峰点输出电压调制谷点输出电压0（1/2）NUS（1/2）NUS100NUS0任意m（1/2）NUS(1+m)（1/2）NUS(1-m)为了使每个PSM开关级负担均匀，提高元器件的寿命，PSM开关接通与断开的原则是：如果要求接通一级，选择未接通的且断开时间最长的一级；在需要断开一级时，选择已接通的且接通时间最长的一级。这个原则可通过逻辑电路予以保证。不论在载波状态还是调制状态N级PSM开关级都是以开关频率fc循环通断的。例如N=32，在载波状态，开通16个PSM开关级，如先接通按1-16号，，那么，每隔1/fc的时间后2-17号，3-18号，、、、，16-31号，17-32号，18-1号，、、、，31-14号，32-15号，1-16号的规律开通。任一级PSM开关从本次开通到断开，到下次再接通，都要经历32个fc相应的周期，即32/fc=32TC，每个开关级的实际工作频率为fc/32。在调制情况下，以调制频率为FΩ的正弦信号、m=100%调幅一周期为例，在调制信号的正半周，在1-16号PSM开关接通的基础上（此时刻相当于载波点），先后再接通17、18、、、31、直到32号PSM开关（此时刻相当于100%调幅峰点），然后先后关断1、2、3、、、16号PSM开关（此时刻相当于载波点），在调制信号的负半周，先后关断17、18、、、31、32号PSM开关（此时刻相当于100%调幅谷点），然后，再先后开通1、2、3、、、、、、、16号PSM开关（此时刻相当于载波点）。在任意调幅度m的情况下，开关管的主要工作频率为mFΩ。考虑到粗细调幅是同时存在的，因此，开关管的主要工作频率应为f=fc/32+mFΩ，是随调幅信号的频率和幅度而变化的。三、阶梯电压的补偿PSM开关级输出的阶梯电压一般称为粗调电压，与理想的调制电压是有区别的，它含有较大的非线性失真。虽然通过低通滤波器可以将主要阶梯波纹予以滤除，但对于低音高调幅、中音低调幅以及高音极低调幅来说，阶梯波纹的主要频率成分都处于低通滤波器的通带之内而无法滤除，会产生调制信号失真。为了使经低通滤波器后得到的调制电压接近于理想，减小失真，阶梯电压还要按照PDM原理进行细调。用PDM原理对阶梯电压进行细调PDM补偿脉冲的幅度等于级电压US，而补偿脉冲的宽度是按照调制信号的变化规律被调制的，即PDM脉冲宽度正比例于理想调制电压与粗调阶梯电压之间的电压差值。需要指出的是，这些补偿脉冲仍然是由前述的32个开关级产生的。通常，PDM补偿脉冲的重复频率(或称开关频率)fc为30-40KHz，fc及其谐波可以被PSM开关级输出端的低通滤波器滤除。四、PSM开关级电路一个PSM开关级电路原理图当电源开关刚合上后，变压器次级回路内的由延时继电器控制的两个开关S10处于断开状态，限流电阻R2串联接入变压器次级其中两相的回路中，以防止启动电流过大。经过一定的延时后，S10接通，将电阻R2短路，处于正常的供电状态。三相全波整流器的输出电压经LC组成的电源滤波器滤波。当发射机关机时，电容C的储能通过电阻R和另一个在关机时才接通的开关S10，与接地端构成回路而放电。某一级PSM开关级整流电压是否参与总输出电压的叠加，是通过控制该级的GTO（可关断的可控硅或可关断晶闸管）实现。而控制GTO通断的信号要先经过场效应管（FET）放大。FET放大级原理图当FET输入高电平的“1”的控制信号时，FET输出+15V电压至GTO的门极促使GTO导通，因而开关级输出级电压US；当FET输入低电平的“0”的控制信号时，FET输出-15V电压至GTO的门极，促使GTO断开，开关级不输出级电压（或输出电压为0V）。当某一级PSM开关的GTO处于接通的情况下，该级的FD处于反偏而截止。如果发射机的PSM开关放大器共有N级（载波状态接通N/2级），如损坏n个，其后果只影响正峰可能达到的不失真调制度，在这种情况下，允许的不失真调制度m，可按下式计算：m，=[(N-n)-N/2]/N/2GTO的保护:GTO的保护:C1、R1和D1构成GTO的保护电路。当关断GTO时，负载电流通过D1对C1充电，由于电容两端的电压不能突变，duc/dt处于安全范围，使GTO得到保护；当GTO开通时C1的储能通过R1和GTO放电，使储能在R1上消耗掉。五、PSM调制器提供的功率如果发射机的载波功率为PC，高频被调级的板极效率为ηa，板极回路效率为ηk，调幅度为m,那么PSM调制器提供的功率PM为：PM=PC（1+m2/2）/ηaηk六、PSM发射机的主要杂音为了使N级PSM开关的负担均匀及降低开关管的实际工作频率，无论在载波状态还是调制状态，N级PSM开关都按照PDM补偿脉冲频率循环通断。当N级PSM开关的输出电压完全平衡时，载波状态包含的残波频率成分只有开关频率及其谐波。然而实际上N级PSM开关的输出电压不可能做到完全平衡（主要原因是变压器众多次级绕组的漏感不相等引起），这样，载波状态下输出电压中便含有开关频率的分频成分，它可能处于低通滤波器的通带之内而不能滤除，它限制了PSM发射机信噪比的提高。为了减少N级PSM开关输出电压的不平衡度，应设法减小电源变压器众多次级绕组的漏感差，并恰当调整各PSM开关参与循环导电的顺序。此外，PSM发射机的两个主整电源变压器的初级三相电源分别对外电移相±150，这样，可使两个主整电源变压器的次级各N/2组三相全波整流器，合成等效的各N/2套12相整流器，以降低波纹因数。