第2章第4节脉宽调制发射机

第四节脉宽调制发射机中国传媒大学信息工程学院一、概述乙类板极调幅发射机的主要缺点是设备庞大，需要功率大、体积大、重量大的调幅变压器和调幅阻流圈，失真来源多，整机效率不高（主要是调制系统不高）。脉宽调制（PurseDutationModulation—PDM）发射机是为克服乙类板调板调机的缺点而开发的新的调制方式，从20世纪70年代起在世界范围内得到广泛应用。随着技术的不断发展，有不少脉宽调制发射机已被改造为脉冲阶梯调制（PSM）发射机，现在还在使用的脉宽调制发射机的数量越来越少。脉宽调制发射机信号处理的基本过程是：将低电平的音频调制信号通过脉宽调制器，变为重复频率为超音频的调宽脉冲序列，经过工作于开关状态的开关放大器（有高的效率）放大到所需的电平，再利用一个低通滤波器（又称解调器）把调宽脉冲序列还原为高电平的音频电压，用该幅度足够大的音频电压，最后对高频末级进行如常的板极调幅。严格来说，脉宽调制发射机仍然属于板极调幅，它的高频系统与传统的板调发射机是相同的，不同的仅是产生高电平的音频信号的方法不是逐级电压放大与功率放大，而是逐级对调宽脉冲进行开关放大，因而有较高的效率。脉宽调制发射机的一些特点，为一些新技术（例如浮动载波调幅、高效率单边带及梯调等）的应用创造了条件。二、调宽脉冲的产生脉宽调制发射机原理方块图脉宽调制（脉持头）器原理方块图载波状态下，脉宽调制器输出超音频等幅等宽的脉冲序列；在调制状态下，它输出超音频等幅调宽的脉冲序列。1、载波状态超音频正弦波发生器产生的信号，经处理变为三角波送入比较器，在载波状态三角波与送入比较器的一个大小适当的固定直流电压进行比较，比较器输出的是等幅等宽的脉冲序列，脉冲持续期与脉冲重复周期之比称为占空比或占空因数k，此时的k=KT=0.5。该脉冲系列经过开关放大器放大，再经低通滤波器滤波（即脉冲解调器解调），得到高电平的直流电压，与该电压相对应，高频末级功率放大器电子管的板极相当于有一个板极电压EaT。与此相应，末级高频功率放大器输出等幅的高频振荡。等宽脉冲序列2、调制状态在调制状态下，超音频三角波与送入比较器的（固定直流电压+音频调制信号）进行比较，比较器输出的是等幅调宽的脉冲序列，占空因数k随着调制信号的变化规律而变化。以正弦调制信号、m=100%为例，在调制信号的正半周，所有脉冲的占空因数k都大于KT，对应正弦调制信号的峰点，k=Kmax=1；在调制信号的负半周，所有脉冲的占空因数K都小于KT，对应正弦调制信号的谷点，k=Kmin=0；在调制信号一个周期中，平均占空因数k平=KT。调宽脉冲序列在调制状态，被放大的调宽脉冲，经低通滤波器解调后，得到含有直流成分的音频电压，使高末级得到直流电压EaT和音频电压uΩ(t)=UΩcosΩt的板压，进行如常的板极调幅。如调制信号为余弦信号，脉宽调制器输出的调宽脉冲的瞬时占空因数k可用下式表示：k=KT(1+m·cosΩt)（4-1）m是调幅度，m=UΩ/EaT为了达到要求的载波电平和相应的边带功率，无论是载波状态还是调制状态，脉宽调制器输出的等宽或调宽脉冲序列，都必须放大到指定的电平，即等于等宽脉冲序列中的直流成分恰好使高频末级板极输出要求的载波电压，等于调宽脉冲序列之中的音频分量，恰好能使被调级获得100%调幅。三、脉宽调制发射机的分类在全世界范围内得到应用的PDM发射机，按照调制级与被调级联接方式的不同，可分为两大类。第一类：串馈PDM发射机特点:调制级与被调级直接耦合，串联工作；要求高压整流器输出的直流电压，等于调制级与被调级要求的直流高压之和，即等于普通板调时直流高压的2倍或比2倍稍多一些。串馈PDM发射机在全世界范围内得到广泛应用。串馈PDM发射机根据调制级接地还是被调级接地，分为：（1）盖茨（gates）电路,调制级接地,多用于中波发射机中；（2）潘太尔（PANTEL—PDMAnodeModulationSystemTelefunken）电路,被调级接地,多用于短波发射机中。第二类：并馈PDM发射机特点:调制级与被调级并联工作，要求高压整流器输出的直流电压，与普通板调时相同。四、调宽脉冲波频谱分析与解调器设计要求1、调宽脉冲波频谱分析令载波状态的占空因数为KT，脉冲为矩形波，重复周期为T，重复频率为1/T=fc，则载波状态的脉冲宽度为KTT。为简单起见，令调制信号为uΩ(t)=cosΩt，则双沿调制时的矩形调宽脉冲波可写为下面的形式：u(t)=KTT（1+cosΩt）+·sin(mπKT)cosmωct+·sin(mπKT+nπ/2)cos(mωct+nΩt)(4-2)10)(2mTmmKj11)(2mTnnmmKj式中为脉宽调制系数，m和n是整数，j0和jn分别为第一类0阶和n阶贝塞尔函数。由式（4-2）可以看出：(1)频谱中含有直流分量KTT；(2)不失真的调制信号分量KTTcosΩt；(3)脉冲序列的基波和全部谐波分量mωc及边带分量nΩ。频谱成分中的音频分量中，仅有Ω成分，而无其谐波，这意味着消除了传统音频放大器的非线性失真问题。1、解调器设计要求PDM发射机中的脉冲解调器实际上是低通滤波器，它的任务就是选择出等于调宽脉冲序列中的音频调制信号成分。解调器应满足下列要求：（1）对脉冲序列的基波频率成分，至少应衰减70dB以上,对边带成分mωct+nΩ（n0）一般也应衰减60dB以上,以免最后对射频载波调制产生边带杂波。（2）解调器对脉冲序列的基波频率以及边频mωct+nΩ应有很高的输入阻抗，以防止过大的开关电流。因此，滤波器一般采用串联电感输入形式，滤波器输入端并联杂散电容越小越好。（3）应有良好的幅频特性，对带内所有频率成分应有最小的衰减。（4）应防止式（4-2）中的n取负值时，某些边频mωct+nΩ进入滤波器的通带，与真正的音频调制信号相混而产生失真。PDM发射机中的脉冲解调器通常选用椭圆函数型低通滤波器。五、开关频率的选择超音频脉冲序列的重复频率通常选择在54KHz—72KHz。选择偏低时:缺点:解调器滤除开关频率及其残波比较困难，甚至会使最低频率的残波落入音频带内造成失真；优点:有利于改善矩形波前后沿引起的失真。超音频脉冲序列的重复频率选择偏高时，性能正好与上述情况相反。要折中选择超音频脉冲序列的重复频率。选择的主要依据有：（1）应使超音频脉冲序列的重复频率fc大于7倍调制信号的最高频率，即fc7fg,这样可保证fc-7fg频率成分超出音频带。（2）超音频脉冲序列的重复频率及其谐波形成的残波发射同所有电台的高频载波频率，应都是零差拍关系，在中波广播中发射机的载波频率都为9KHz的整数倍，因此超音频频率也应为9KHz的整数倍。通常选择fc为54、63或72KHz。六、串馈阴极调制式脉宽调制级工作原理1、电路原理图串馈阴极调制式脉宽调制级电路原理图图中Ga和GM分别是被调管和调制管，GD为阻尼管；L1和C1构成简化的解调器；L2是高频阻流圈；C2是超音频与高频旁路电容；C3是隔直流电容；E0是主整电源电压，Ea和EaM分别是被调管板压与调制管板压；Ia0、IM0、ID0和I0分别是被调管、调制管、阻尼管直流板流和主整电源输出直流电流。由L1和C1构成的低通滤波器及由L2C2组成的高频滤波器，使被调级的高频电流和调制级的超音频电流相互隔离，所以，调制级和被调级之间只有音频与直流电压电流的联系，而不存在高频和超音频电压电流的联系。电流之间有以下关系：I0=IM0Ia0=I0+ID0=IM0+ID0而直流电压有以下关系：E0=Ea+EaM2、失真指标的改善为了进一步改善PDM发射机的失真指标，通常采用负反馈的办法。具体做法是，从解调器中取出适量音频电压，通过RC网络反相加到脉宽调制器（脉持头）中的音频输入端，如下图所示。需要指出的是，由于解调器处于高电位，需要考虑分压电阻的阻值与可承受的功率问题，并要采用无感电阻。PDM发射机（盖茨电路）的负反馈电路