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数字发射机相关技术和发展动态【摘要】本文对美国HARRIS公司、日本NEC公司、德国RS公司等几家公司的主流数字发射机的技术特点、机型情况进行了较全面地介绍。重点总结了数字发射机所运用的关键技术，同时与全固态模拟发射机的技术特点进行了比较，并介绍了北广厂对数字发射机的研究动态。 【关键词】DVB-T ATSC 全固态 激励器 功率放大器 LDMOS管 冷却系统 2000年初，欧洲各国正式启动地面数字电视（DVB-T）广播，各主要发射机厂家纷纷推出新一代发射机， 如：美国HARRIS公司的AtlasTM系列数字发射机、日本NEC公司的Versatile DTU-31系列数字发射机、德国RS公司的NH/NV7000系列发射机等。 随着我国的数字地面广播标准出台，在上述主流数字发射机的基础上选用适用于我国标准的编码器，即可产生适用于我国的数字发射机。因此，了解和掌握当今主流数字发射机的发展动态和相关技术就显得十分重要。 新型的数字发射机与目前主流的全固态模拟发射机相比，激励器、功放模块（PA）和功放电源（PS）等继续采用了冗余结构和模块化设计思路。然而数字发射机的整机结构更紧凑和简化，数字发射机呈现以下技术特点： ·功率放大器（PA）采用了先进的LDMOS管放大技术； ·发射机的冷却系统采用液冷方式； ·功放模块（PA）的频率范围为宽带470MHZ860MHZ，覆盖整个UHF /波段； ·频率灵活，变化方便，能构建N+1运行模式，增加系统整体的可靠性； ·结构紧凑，占地小，单机柜在占地0.8m2（不含冷却系统）左右的情况下，输出的最大平均功率可达3.4KW左右； ·遥控接口丰富，有标准的并行I/O口，也有RS-232C或RS-485串行口，还有选用的 WEB TCP/IP网络接口等； 下面就以上技术特点加以介绍。 一、数字发射机采用的关键技术 1、LDMOS管放大技术 LDMOS（Lateral Diffused Metal Oxide Semiconductor）即：横向扩散金属氧化物半导体，该管与目前全固态模拟发射机广泛采用的双极性管和MOS场效应管相比具有增益高、线性好的特点。 由于地面信道的复杂性，多径传输容易产生回声；移动接收容易产生多谱勒频率漂移，所以发射机有好的线性、有足够高的频率精度和频率稳定度、较低的相位噪声，才能保证有较低的误码率和信噪比，才能满足地面数字电视的要求。 目前市场上LDMOS管的主要生产商是爱立信和飞利浦公司，LDMOS管的增益可达14db以上，采用LDMOS管的PA模块的增益可达60db左右。对模拟信号来说，当PA模块的输入信号为2mw时，采用LDMOS管的PA输出同步顶峰值功率在2kw左右，目前采用双极性管和MOS场效应管的全固态模拟发射机的PA输出同步顶峰值功率在1kw左右；对DVB信号来说，当PA的输入信号为0.4mw时，采用LDMOS管的PA输出的平均功率为440w左右。 显然，LDMOS管增益高，可以在保证PA模块同等增益的条件下，可减小PA模块的体积；换句话说，在PA模块体积一定的情况下，可提供更大的增益，使发射机结构更紧凑、体积更小。采用LDMOS管后，发射机体积在H×D×W（mm）：1900×1000×700左右的单机柜中，对模拟方式，同步顶峰值功率可达10KW；对DVB方式，平均功率可达3.4KW左右，对ATSC方式，平均功率可达4.1KW左右。 2、冷却系统采用液冷方式 南京电视台从97年起，三个频道的发射机都采用当今主流的全固态模拟发射机（HARRIS一台、NEC两台），经过几年来的维护和使用，深感冷却系统采用风冷方式，容易受外界环境的影响、风机的高低频噪声较大、过滤材料中容易沉积灰尘，日常对风冷系统的维护量大。 采用液冷冷却方式具有以下好处： a)无须另设风机房，节省机房面积。 b)降低了发射机的运行噪声。 c)净化了发射机房的环境。 d)减少了对冷却系统的维护量。冷却液封闭循环，只需定期清洗系统中的滤网。 e)冷却效率高。冷却液无论是采用glycol(乙二醇)加水还是防冻液，其热传导效率都远大于风，冷却系统的进水温度与出水温度相差几度左右，使发射机产生的热量能被及时吸收释放掉。液冷系统为增加可靠性一般都采用两个水泵并联或串联方式工作，另外有冷却液进出口温度检测、流量检测、热交换机以及主备两个风扇等。 3、数字激励器 激励器的技术水平是发射机的关键部分，决定了整机的性能和质量，其中的校正电路、调制器和滤波器是关键。 现流行全固态模拟发射机，在激励器单元对视频信号和音频信号分别进行中频调制、变频调制后，经过功率放大级对图像和伴音分别放大，再通过V/A合成器将图像和伴音混合成射频信号，激励器环节多，电路复杂。另外，由于受到器件频率响应的制约，要在激励器对后级放大回路造成的失真进行补偿，一般需要基带预校正、中频预校正两级校正。 对于数字发射机，发射机的输入信号是将视频信号和音频信号按MPEG标准进行编码压缩、并与其他数据信息复用打包后的MPEG数据传输流（TS流）。数字激励器的电路简化，基本上包括编码器（DVB-T方式或ATSC方式）、数字预校正、调制器几个主要部分和有关控制电路；对于单频网（SFN）模式，还需SFN模块和GPS接收器。 以R-S公司NH/NV7000型数字发射机的SX700激励器为例，采用数字校正，使得激励器电路简化，无需中频调制器和混频器、PLL电路、声表面波滤波器及频率响应器件。结构简化。 数字发射机的功率放大器通常也采用AB类线性放大，需要经过预校正电路给予补偿，改善放大器的线性。数字预校正的最大优点是参数设置的再生率好，根据设备厂商提供的资料，设置参数的再生率可达100%。 4、N+1运行模式 N+1运行模式在全固态调频发射机系统中被广泛采用，而模拟电视发射机由于在功率放大级受器件频率限制以及采用环行器限制频道等原因，基本上采用主备机切换的运行模式；而数字发射机整机可覆盖整个/波段，为采用N+1运行模式提供了条件。采用N+1运行模式的优点是对于多频道多发射机播出的电视台来说，可减少备机的数量，降低设备投入，同时保证了系统的可靠性。 N+1运行模式的特点： ·频率灵活，频率变化方便，覆盖整个/波段，可根据需要由设置频道； ·在构建的N+1系统中，在多部发射机运行时, 通过N+1控制，每个发射机运行在不同的频道，有一部发射机时刻处于备份状态，当有发射机出现故障后,备份的发射机立即变换频率到适当的频道,保证连续播出； ·可由发射机控制器选择或选用N+1控制器选择，本地或遥控均可实现； 由于数字发射机的激励器调制部分、PA功放模块,功分器/合成器,混合器(MIXER)等部件适应IV/V波段全宽带频率范围,更换频道无需调整；而且激励器中的数字预校正器具有自动重新调整功能，在N+1系统中进行发射机的频道设置，只需设置输出滤波器即可。二、几种主要系列数字发射机的性能简介 （一）HARRIS公司的AtlasTM Series 全固态DVB-T 发射机 1、整机特性 1）发射机整机输出功率（平均功率）：从 450w到6.2kw ； 2）单机柜占地0.728m2，H×D×W（mm）：1980×1040×700； 2、激励器 1）标准配置包括：可编程适于/波段的6、7、8MHz运行、固定的数字线性和非线性校正器、SFN（单频网）同步输入单元； 2）可选配置：两路ANI输入、GPS接收器、离线（OFF-AIR）解调器、英特网模块； 3）激励器由自动切换单元控制； 3、功放模块（PA） 1)采用LDMOS放大管，功放模块的输出平均功率为460W； 2）运行频率覆盖UHF全频段； 3）PA的保护功能：VSWR、过/欠电压、过流、温度过高、RF输入过驱动等； 4）每个功放电源为两个功放模块供电； 5）单机柜最多安装8个功放模块、最大输出平均功率达3.4KW，双机柜最大输出平均功率达6.2KW； 4、冷却系统 采用外接液冷系统，冷却液为GLYCOL（乙二醇）和水； 5、其他 1）采用1/4”VGA彩色触摸屏显示，支持GUI； 2）有一个备份的LIFE-SUPPORT控制系统和一个备份的控制系统电源，增加了可靠性； 6、接口类型 1）通讯接口： 标准并行I/O遥控接口； RS-232串行接口； 可选的WEB GUI TCP/IP 接口； 2）信号输入接口： BNC FEMALE ，75欧； DVB ASI（两路）； GPS天线输入：TNC，50欧； 3）RF 输出接口： 1-5/8' EIA法兰； 7、机型情况 表 （二）R-S公司的NH/NV7000液冷DVB-T/ATSC发射机 1、整机特性 1）DVB-T发射机整机输出功率（平均功率）：从800W5KW； 2）两个激励器加激励器自动切换器占19”机架7U高，每个激励器有独立的电源； 3）单机柜最大输出功率为：DVB-T发射机3.4KW、ATSC发射机4.1KW； DVB-T和ATSC发射机所需的带通滤波器安置在发射机机柜外； 4）接口（VF、AF、TS；遥控接口等）均在机柜顶部； 2、遵循的规范 1）DVB-T模式 编码和调制遵循EN300 744标准 IFFT模式： 2K 和8K 有效符号持续时间：224s（2k）或896s（8k） 调制方式：QPSK，16QAM或64QAM 保护间隔：1/4，1/8，1/16或1/32有效符号持续时间 内码率： 1/2，2/3，3/4，5/6或7/8 分层编码：可选 2）ATSC模式 遵循Doc.A53/1995标准 调制方式： 8VSB 符号率： 10.76MHZ 速率： 19.39MHZ Trellis 编码：2/3 纠错编码（Reed-Solomon）：207/187/10 3、激励器 激励器包括：对DVB-T/ATSC编码器、数字预校正、调制器、合成器、控制器、控制单元、主板、电源；NICAM模块和GPS模块可选；激励器的参考频率可从内置的GPS接收器中获得，也可从外接模块中获得；主板中的应急控制电路可应付发射机在故障下的运行； 1）DVB-T模式 DVB-T编码器集成在一模块中，有4个物理的ASI接口，成对使用；编码器可自动设置编码方式，为分层调制作准备；对非分层编码两条通路可选做主备通路；编码器能用于多频网和单频网；对单频网有一个GPS接收器。 2）ATSC模式 ATSC编码器包含数据随机发生器、纠错编码器 、数据内插、TRELLIS编码器、复用和导频插入；频道编码和调制符合ATSC-A53； 3）均衡器、预校正器 所有版本的编码器采用12BIT将数字同相和正交信号转换到数字预校正器 ，预校正器分为两个部分：（一）、群时延均衡器补偿由功率滤波器或图象伴音双工器产生的群时延；（二）、线性预校正器校正信号幅度和相位的相互干扰； 由于预校正是数字的，设置参数再生精确可达100%。 4、功放模块（PA）VH602 1）采用LDMOS技术，提供440W的DVB功率或2KW的同步顶峰值功率； 2）带宽从470MHZ-650MHZ或650MHZ-860MHZ； 3）PA模块由预驱动级（内有输入信号电平检测）、电平和相位控制器、AB类驱动器和8个AB类末级放大组成；末级放大级采用延缓感光制造技术，由威尔可森滤波器组成功率合成器，总增益达63db； 4）PA内部的保护电路有：防反射、过温等；在正常允许条件下，在环境温度是25度时，PA晶体管的接头温度是120度； 5）功放电源（PS）做在功放模块（PA）内部； 5、冷却系统 采用外接液冷系统，冷却液采用防冻液。每个机柜有一套冷却装置，包括两个串行运行的泵（全备份）、控制单元和混合器；冷却器在机外，有两个风扇主备交替使用；为确保理想的运行温度低于-30，每个泵装有一个3路混合器用于检测实时的入口温度。 6、接口类型 1）信号输入接口：对DVB-T：2×ASI（成对，用于分层调制） 对ATSC： 2×SMPTE-310（BNC，75欧） 2）通讯接口： RS-232C PC机操作发射机运行（GUI方式），在机柜前面； RS-485 遥控接口 ，在机柜顶部； RS-232C 遥控接口 ，在机柜顶部； 可选接口 并行遥控接口； SNMP接口或TCP/IP WEB服务器 有WINDOWS环境的PC控制软件； 7、机型情况 表1 （三）NEC 公司的VERSATILE II 系列DTU-31液冷数字发射机 1、整机特性 1）整机输出平均功率：400W-10KW（对DVB），频率范围:470MHZ-862MHZ； 2）可构建N+1系统。宽带频率灵活设置,可根据需要设置频道：激励器、功放模块,功分器/合成器,混合器(MIXER)等部件适应IV/V波段全宽带频率范围,更换频道无需调整，数字处理校正器可自动重新调整，只需设置频率合成器； 2、激励器 包含：低相位噪声，频率合成本地震荡器，全频段上变频器和数字处理校正器。.激励器机柜为50 mm高。对激励器的线性校正可由机器面板上的单键触发完成； 3、功放模块 1）采用LDMOS管； 2）模块内集成功放电源PS； 3）PA模块提供另外的监测和遥控部分(通过RS-485接口)； 4）保护电路有：过温、反射功率、过压、过流、AC电压低等； 4、冷却系统 采用外接液冷系统，冷却液为glycol.（乙二醇）和水；低容量，jet-water冷却系统具有自动air purge和一个自适应错误预警功能。 5、通讯接口： 并行接口、RS-232C/485串行接口 可选SNMP和WEB服务接口 6、机型情况 S-型: 为单激励器,单风冷系统 P-型: 为双激励器,双风冷系统 表2 三、国内北京广播电视器材厂数字发射机动态 我国数字电视发射机的研制开始于1996年，在国家数字高清晰度电视研究开发协调领导小组的领导下，我国HDTV功能样机系统研究开发工程正式启动，该工程由国家HDTV总体组（TEEG）组织实施。项目分九个子课题，北京广播器材厂在发射机专题中标，是九个课题组中唯一的中标企业单位。经过近两年时间的努力，我国第一台单电子管数字电视发射机研制成功，发射机输出射频平均功率50W。1998年9月中旬，发射机与项目其他专题一起，在北京中央广播电视塔成功进行了我国第一套、世界第四套HDTV功能样机系统的开路演示。 1999年，北京广播器材厂作为HDTV总体组的课题单位，为国家计委批复的数字电视专项一期工程研制了两台1KW、一台2KW单电子管数字电视发射机。重点是在国庆五十周年进行数字高清晰度电视现场转播试验。同年，北京广播器材厂利用北京市的财政支持，启动了厂内的数字化固态广播电视发送设备产品化开发及小批量生产技术改造项目，研制成功1KW全固态数字电视发射机。2000年11月，1KW单电子管和1KW全固态数字电视发射机通过了北京市的技术鉴定。 2000年6月开始，根据数字电视专项任务，国家计委决定在北京、深圳、上海建立数字电视实验区，依托广电总局标准所和信息部电子三所建设数字电视系统测试实验室、用户端产品测试实验室，即“三台二室”，为制订我国的数字电视标准、推进数字电视产业化进程提供开放式的实验基地。北京广播器材厂将为北京市数字电视实验区项目研制2KW全固态和35KW单电子管数字电视发射机。2001年3月，国家计委正式批准了北京数字电视实验区的可行性报告，项目进入实施阶段。北京实验区先期将用北京广播器材厂研制的1KW全固态数字电视发射机在中央广播电视塔发送供试验、测试用的数字电视信号。 国产数字电视发射机的研制的几个重点： 发射机的中频预校正。性能优良的中频非线性预校正电路将极大地改善采用AB类功放的发射机性能，提高发射机的效率。这对全固态发射机尤为重要。目前国外采用较多的是多点折线式校正技术、前馈校正技术、全数字实时预校正技术。北京广播器材厂研制的数字电视发射机目前采用的是沿用模拟电视的折线式校正电路。实际应用结果表明，对单电子管发射机，这种校正电路的校正量基本满足要求；而对全固态发射机，由于固态AB类功放的线性动态范围不如电子管，要求有更大的校正量，因此，校正效果不太理想。下一步的研制重点将是吸收国外先进技术，开发新一代的适合全固态数字电视发射机的中频非线性预校正电路，如全数字实时预校正，使国产数字电视发射机技术迈上新台阶。 研制数字电视发射机的另一个重点是高Q值、低插损的大功率带通滤波器。北京广播器材厂在引进进口样件的基础上，正着手进行国产化开发。 符合我国未来数字电视制式的信道编码与调制器是国产数字电视发射机的核心技术所在，也是数字电视技术产业化的重要内容之一。北京广播器材厂已经开始与国家HDTV总体组合作，通过研制国外标准的信道编码与调制器，掌握相关技术，为将来研制符合我国数字电视标准的数字调制器作技术准备。(来源：广电在线