關(guān)于DAM10kW中波發(fā)射機(jī)循環(huán)調(diào)制編碼器的思考

劉乃冰

（大連三〇五轉(zhuǎn)播臺(tái)，遼寧 大連116400）

0 引 言

DAM10kW中波發(fā)射機(jī)的循環(huán)調(diào)制編碼器控制著48塊功率放大器（PA模塊），其中6塊為“小臺(tái)階”PA模塊，42塊為“大臺(tái)階”PA模塊[1]。從模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)的12位數(shù)字音頻信號(hào)送入循環(huán)調(diào)制編碼器，被編碼為控制8個(gè)功放模塊進(jìn)行開(kāi)啟和關(guān)閉的信號(hào)，同時(shí)控制“大臺(tái)階”和“二進(jìn)制位小臺(tái)階”。調(diào)制編碼板上還包括電纜互鎖電路和故障退出電路。調(diào)制編碼器的其他輸入包括來(lái)自輸出監(jiān)測(cè)板的功放（PA）關(guān)閉信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到VSWR過(guò)高時(shí)，“PA關(guān)閉”信號(hào)立即關(guān)閉功放控制信號(hào)，完成對(duì)RF放大模塊的保護(hù)。只要VSWR存在，關(guān)閉信號(hào)就存在。一旦VSWR消失，發(fā)射機(jī)將返回到正常工作狀態(tài)。調(diào)制編碼板的供電電源來(lái)自直流穩(wěn)壓器。工作原理如圖1所示。

圖1 循環(huán)調(diào)制編碼器電路工作原理

1 循環(huán)調(diào)制編碼器的作用

1.1 調(diào)制信號(hào)

10 kW發(fā)射機(jī)的42個(gè)“大臺(tái)階”功放模塊和6個(gè)“小臺(tái)階”功放模塊由循環(huán)調(diào)制編碼器控制。大臺(tái)階功放模塊輸出電壓到功率合成器的輸出電壓相等；小臺(tái)階為功率合成器提供的電壓依次為大臺(tái)階電壓輸出的1/2、1/4、1/8、1/16、1/32和1/64。12比特?cái)?shù)字信號(hào)的高6位控制42個(gè)大臺(tái)階模塊。把高6位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制數(shù)即開(kāi)通大臺(tái)階的數(shù)量。小臺(tái)階控制信號(hào)由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出的低6位通過(guò)存貯器直接控制。

1.2 B-電源

模塊的負(fù)載（即開(kāi)通的數(shù)量）決定了功放模塊的開(kāi)/關(guān)時(shí)間。每個(gè)模塊的開(kāi)通延遲導(dǎo)致輸出包絡(luò)將產(chǎn)生“豁口”和“毛刺”，從而導(dǎo)致失真，而利用B-電源可以補(bǔ)償這種缺陷。發(fā)射機(jī)工作的模塊數(shù)量決定了開(kāi)/關(guān)時(shí)間。負(fù)峰調(diào)制或低功率電平下，只有少數(shù)大臺(tái)階工作時(shí)，單個(gè)模塊的負(fù)載較輕；當(dāng)有很多模塊工作時(shí)，模塊輸出的電流增大，模塊開(kāi)通的時(shí)間加快。因此，發(fā)射機(jī)處于高功率狀態(tài)時(shí)，模塊的開(kāi)通與截止對(duì)負(fù)載電流的變化影響不大，此時(shí)需要減緩開(kāi)/關(guān)時(shí)間。因此，針對(duì)“音頻+直流”信號(hào)，B-電壓要進(jìn)行非線性調(diào)整[2]。DAM10kW發(fā)射機(jī)的B-電壓動(dòng)態(tài)范圍是-2～6 V。當(dāng)負(fù)峰電壓為-2 V時(shí)，正峰電壓為6 V。

1.3 削頂

當(dāng)全部42塊大臺(tái)階模塊開(kāi)通時(shí)，繼續(xù)增加音頻調(diào)制度，將導(dǎo)致開(kāi)啟第43塊（不存在）大臺(tái)階開(kāi)啟。此時(shí)，6個(gè)小臺(tái)階模塊全部開(kāi)通。若調(diào)制度繼續(xù)加深，射頻輸出功率將達(dá)到極限值被箝位，不會(huì)繼續(xù)增加功率?？梢?jiàn)，使發(fā)射機(jī)的大小臺(tái)階全部開(kāi)啟，避免了6個(gè)小臺(tái)階與最后大臺(tái)階交替開(kāi)通輸出的63/64的鋸齒交錯(cuò)失真波形。

1.4 補(bǔ)碼

循環(huán)調(diào)制編碼器使發(fā)生故障的功放模塊退出工作狀態(tài)，將控制信號(hào)加給空余備份模塊，從而維持發(fā)射機(jī)輸出功率電平，也不影響發(fā)射機(jī)的工作技術(shù)指標(biāo)。循環(huán)模式下，可使發(fā)射機(jī)的每塊模塊參與工作，有效降低模塊溫度。

2 循環(huán)編碼原理

循環(huán)編碼調(diào)制器由數(shù)據(jù)鎖存器、小臺(tái)階編碼、大臺(tái)階編碼、大臺(tái)階鎖存器、倒相緩沖驅(qū)動(dòng)器和故障檢測(cè)器構(gòu)成。

2.1 數(shù)字音頻信號(hào)

12位二進(jìn)制數(shù)字流構(gòu)成數(shù)字音頻信號(hào)即從B1至B12，其中B1為MSB，B12為L(zhǎng)SB。以12位數(shù)字音頻信號(hào)“011010001101”為例。“011010”前6位碼控制大臺(tái)階的開(kāi)啟和關(guān)閉，代表十進(jìn)制數(shù)26，即有26個(gè)大臺(tái)階模塊開(kāi)啟；“001101”后6位碼代表小臺(tái)階模塊的開(kāi)啟，即1/2、1/4和1/32小臺(tái)階模塊關(guān)閉，1/8、1/16和1/64小臺(tái)階模塊開(kāi)啟。開(kāi)啟大臺(tái)階的數(shù)量需要單步位移，約每30 s循環(huán)一遍。

2.2 編碼原理

循環(huán)調(diào)制編碼器的主程序芯片為FPGA。它的內(nèi)部含有6個(gè)256×8位只讀存儲(chǔ)器，而存儲(chǔ)器出廠時(shí)已經(jīng)配置好了內(nèi)部8位字節(jié)。最高有效位的8個(gè)MSB作為編碼音頻地址，256個(gè)存儲(chǔ)器包含控制大臺(tái)階模塊的數(shù)據(jù)，代表了8位音頻編碼信號(hào)。確定這些信號(hào)的存貯地址后，存貯器中的8位數(shù)字量從集成電路中輸出，信號(hào)的每一位代表1個(gè)“大臺(tái)階”模塊的開(kāi)啟或關(guān)閉。FPGA內(nèi)部42位移位寄存器中所有的控制信號(hào)每隔30 s左右循環(huán)一次。42個(gè)大臺(tái)階模塊首尾相連，依次循環(huán)。

3 工作原理

3.1 供電電源

循環(huán)調(diào)制編碼器的電源取自直流穩(wěn)壓電源，B+和B-電源。DAM10kW中波發(fā)射機(jī)B+電源的電壓約+5.75 V，調(diào)制B-電源隨“音頻+直流”變化。循環(huán)調(diào)制編碼器有大容量電解電容和電感，對(duì)B+電源濾波后，經(jīng)穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓為+5 V，作為循環(huán)調(diào)制編碼器電路的各芯片電源。調(diào)制B-電源經(jīng)過(guò)下拉電阻，作為驅(qū)動(dòng)器LM5111或DS0026的驅(qū)動(dòng)輸出。功放模塊的負(fù)載決定了模塊的開(kāi)關(guān)時(shí)間，主動(dòng)控制B-的偏移電壓補(bǔ)償開(kāi)/關(guān)時(shí)間的變化。

3.2 數(shù)據(jù)電路

通過(guò)上拉和下拉電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，將12位數(shù)據(jù)音頻信號(hào)送入循環(huán)調(diào)制編碼器的FPGA。模數(shù)轉(zhuǎn)換板送來(lái)的“數(shù)據(jù)選通-L”信號(hào)，使FPGA的存儲(chǔ)輸出狀態(tài)保持，只有下一個(gè)“數(shù)據(jù)選通-L”信號(hào)到來(lái)，鎖存輸出下一個(gè)12位音頻信號(hào)。當(dāng)送來(lái)清零信號(hào)時(shí)，所有的鎖存器輸出邏輯低電平，全部功放模塊被關(guān)閉。小臺(tái)階的B7～B12六位數(shù)字信號(hào)輸入到FPGA后，通過(guò)一個(gè)8位撥碼開(kāi)關(guān)選通結(jié)構(gòu)輸入至反相驅(qū)動(dòng)輸入電路，作為小臺(tái)階模塊的控制信號(hào)。大臺(tái)階B1～B6六位數(shù)字音頻信號(hào)確定地址后，42位數(shù)據(jù)碼被存儲(chǔ)器ROM編出，通過(guò)移位寄存器存儲(chǔ)至鎖存器，F(xiàn)PGA輸出送至反相驅(qū)動(dòng)器，作為大臺(tái)階功放模塊的控制信號(hào)。

3.3 互鎖電路

電纜互鎖電路集成在FPGA中，功能是提示電纜“聯(lián)鎖故障”，使數(shù)據(jù)鎖存器內(nèi)部的全部數(shù)據(jù)清零。若功率合成器與循環(huán)調(diào)制編碼器之間任一條控制數(shù)據(jù)線沒(méi)有連接到位，或任意大臺(tái)階模塊或小臺(tái)階模塊沒(méi)有安裝到位，或直流穩(wěn)壓電源與循環(huán)調(diào)制編碼器之間的數(shù)據(jù)通訊線沒(méi)有連接到位，都會(huì)導(dǎo)致聯(lián)鎖故障，使發(fā)射機(jī)不能開(kāi)機(jī)。

3.4 功放關(guān)閉電路

控制系統(tǒng)送來(lái)功放關(guān)閉命令時(shí)，F(xiàn)PGA將輸出PA OFF-L指令，使全部的數(shù)據(jù)鎖存器輸出為0。此時(shí)，發(fā)射機(jī)只有功放電壓，沒(méi)有功放電流。當(dāng)發(fā)生電纜互鎖故障時(shí)，電源重啟故障，輸出監(jiān)測(cè)電路送來(lái)PA OFF-L信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器送來(lái)PA OFF-L信號(hào)，都將導(dǎo)致功放關(guān)閉。

3.5 鉗制電路

當(dāng)音頻輸入電平超過(guò)發(fā)射機(jī)的正峰調(diào)制能力時(shí)，鉗制電路將打開(kāi)全部的小臺(tái)階模塊，增加射頻輸出。此時(shí)，若調(diào)制音頻信號(hào)繼續(xù)加深，下一個(gè)大臺(tái)階將被開(kāi)啟，小臺(tái)階全部關(guān)閉，直到所有的42個(gè)大臺(tái)階全部開(kāi)啟，小臺(tái)階也全部開(kāi)啟。此時(shí)，繼續(xù)加深調(diào)制音頻，將導(dǎo)致開(kāi)啟一個(gè)不存在的大臺(tái)階信號(hào)，而關(guān)閉所有小臺(tái)階信號(hào)，將使發(fā)射機(jī)輸出低于一個(gè)63/64個(gè)大臺(tái)階的功率，產(chǎn)生“鋸齒狀”狀峰值。為避免這種狀況出現(xiàn)，鉗制電路使音頻信號(hào)在全部小臺(tái)階打開(kāi)后，將調(diào)制音頻限制不能繼續(xù)加深。

3.6 功放單元故障檢測(cè)電路

循環(huán)調(diào)制編碼器檢測(cè)到功放模塊返回的信號(hào)為低電平（功放單元正常時(shí)為高電平）時(shí)，F(xiàn)PGA判斷故障模塊位置，輸出故障指示信號(hào)，點(diǎn)亮故障模塊報(bào)警燈，輸出控制信號(hào)為零，使故障模塊退出工作，并開(kāi)啟空余模塊補(bǔ)碼[3]?！白詣?dòng)補(bǔ)碼技術(shù)”工作狀態(tài)只用來(lái)替換“大臺(tái)階”RF放大器，若“二進(jìn)制”臺(tái)階失效，必須關(guān)閉發(fā)射機(jī)替換失效模塊?！岸M(jìn)制”臺(tái)階放大器的失效只產(chǎn)生少許功率降低和增加很小的失真，可在正常停機(jī)后排除故障。

4 故障排除

功放關(guān)閉，同時(shí)循環(huán)調(diào)制編碼器的功放關(guān)閉指示燈點(diǎn)紅，首先檢查控制系統(tǒng)，查看是否處于“PA OFF”模式[4]。通常，導(dǎo)致循環(huán)編碼器功放關(guān)閉故障一般來(lái)自其他部分電路輸入的功放關(guān)閉信號(hào)，尤其是模數(shù)轉(zhuǎn)換板和輸出監(jiān)測(cè)電路。因此，需檢查相關(guān)的邏輯電路、驅(qū)動(dòng)器等引起功放關(guān)閉的器件。

發(fā)射機(jī)不能開(kāi)機(jī)，提示電纜互鎖故障。首先，打開(kāi)功放箱檢查功放模塊是否存在被取出或沒(méi)有安裝到位（插進(jìn)插座內(nèi)）的情況，以及檢查功率放大級(jí)模塊是否存在個(gè)別模塊有短路環(huán)存在開(kāi)路的現(xiàn)象。其次，檢查功率合成母板到編碼板的13條控制信號(hào)扁平線是否存在問(wèn)題，或檢查直流穩(wěn)壓電源與循環(huán)調(diào)制編碼器之間的電纜解除是否良好，或檢查全部控制信號(hào)電纜插頭與插座之間的連接是否牢固等，確保全部電纜安裝到位。由于循環(huán)調(diào)制編碼器的印刷電路板面積較大，可能會(huì)存在線路板長(zhǎng)期使用后導(dǎo)致電路板變形而使電路板上的線條出現(xiàn)斷裂的可能，因此檢查比較困難。因?yàn)檠h(huán)調(diào)制編碼器中很多電路是相同的，所以可以用比較電壓的方法來(lái)判斷故障所在。

5 結(jié) 論

循環(huán)調(diào)制編碼器是DAM中波發(fā)射機(jī)的核心器件之一，電路結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，故障率也較高。本文分析其原理，希望可以為電臺(tái)同行帶來(lái)借鑒，提高設(shè)備的維護(hù)水平，為安全播出做出貢獻(xiàn)。

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