广播电视发送技术脉冲阶梯调制发射机.ppt

第五节第五节 脉冲阶梯调制发射机脉冲阶梯调制发射机中国传媒大学信息工程学院中国传媒大学信息工程学院 一、概述一、概述 脉冲阶梯调制（脉冲阶梯调制（PSM）是）是80年代初期年代初期开发的新的调制技术，开发的新的调制技术，PSM发射机在全世发射机在全世界范围得到广泛应用。界范围得到广泛应用。PSM发射机的效率、发射机的效率、可靠性较高。这种发射机的调制系统采用可靠性较高。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技术，而高频系统与乙类板调或PDM发射机是一样的。发射机是一样的。脉冲阶梯调制发射机的特点是，把板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，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。例如某管要求的瞬时板压。例如某500KW PSM发发射机有射机有32组组875V的低压整流器。的低压整流器。在载波状态，有在载波状态，有16组低压整流器相串组低压整流器相串联给出联给出14KV,在在100%调幅峰点瞬间，调幅峰点瞬间，32组低组低压整流器相串联给出压整流器相串联给出28KV的电压的电压,在在100%调幅谷点瞬间，所有的低压整流器均不参调幅谷点瞬间，所有的低压整流器均不参与串联，给出与串联，给出0V的电压。的电压。在载波状态，串联叠加的电压源数量在载波状态，串联叠加的电压源数量对某一部发射机来说是确定的，它受一固对某一部发射机来说是确定的，它受一固定直流电压经定直流电压经A/D转换后的数字信号控制。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。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，经固定直流信号相叠加，经A/D转换后变为转换后变为控制信号，与音频对应，在不同的时刻，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。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。电压，最后进行如常的板极调幅。阶梯电压波形阶梯电压波形阶梯电压波形阶梯电压波形 PSM发射机将高压主整电源与调幅器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合二为一，提供阶梯电压的装置称为PSM调制器，调制器，阶梯电压的直流分量转化为高频载波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此，载波功率和边带功率全部来源于PSM调制器。调制器。二、二、基本原理基本原理 PSMPSMPSMPSM发射机构成原理图发射机构成原理图发射机构成原理图发射机构成原理图 PSM开关放大器由开关放大器由N个独立的电压源组成个独立的电压源组成（例如（例如N=32），为高频末级（被调级）提），为高频末级（被调级）提供载波电压与调制电压。在载波状态，有供载波电压与调制电压。在载波状态，有半数的电压源半数的电压源N/2=16以串联形式接通，输以串联形式接通，输出出Ea=EaT=14KV；在有调制信号时，；在有调制信号时，PSM开关放大器输出电压的变化范围为开关放大器输出电压的变化范围为0-28 KV PSMPSMPSMPSM开关放大器原理图开关放大器原理图开关放大器原理图开关放大器原理图 PSMPSMPSMPSM开关放大器原理图开关放大器原理图开关放大器原理图开关放大器原理图 经整流和滤波后得到的经整流和滤波后得到的32个独立电压个独立电压源的接通或断开，受源的接通或断开，受32个电子开关控制，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而电子开关的通断受固定直流和音频信号经经A/D转换及逻辑电路产生的控制信号控转换及逻辑电路产生的控制信号控制。制。每个电压源的电位是悬浮的，串联叠每个电压源的电位是悬浮的，串联叠加后多数加后多数PSM开关放大器处于高电位。为开关放大器处于高电位。为了使了使PSM开开的高电位与低电位的控制电信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号相互隔离，低电位的控制信号要通过电-光光-电的转换。电的转换。每个电压源的电压为每个电压源的电压为U US S，（又称级电，（又称级电压或阶电压），在压或阶电压），在t=Tt=T0 0时刻，全部开关断时刻，全部开关断开，因此空转二极管开，因此空转二极管F FD D链的输出端链的输出端A A对地的对地的电压等于电压等于0 0（相当于（相当于100%100%调幅的谷点）；调幅的谷点）；当当t=Tt=T1 1时，只有一级时，只有一级PSMPSM开关接通（它可以开关接通（它可以是是N N个个PSMPSM开关中的任一个），由该级产生开关中的任一个），由该级产生的电流通过其他未接通的的电流通过其他未接通的PSMPSM开关级的二极开关级的二极管管F FD D流向负载；流向负载；当当t=Tt=T2 2时，再接通一级时，再接通一级PSMPSM开关（它可开关（它可以是除已接通的以是除已接通的PSMPSM开关外的开关外的N-1N-1个个PSMPSM开关开关个中的任一个），个中的任一个），此时输出端电压为此时输出端电压为2U2US S，每接通一级，每接通一级PSMPSM开关，输出端的电压就提开关，输出端的电压就提高一个级电压。当所有的高一个级电压。当所有的N N个个PSMPSM开关都接开关都接通时，输出端的电压为通时，输出端的电压为NUNUS S，相当于，相当于100%100%调调幅的峰点（等于载波状态电压的幅的峰点（等于载波状态电压的2 2倍）。倍）。调制度与调制度与调制度与调制度与PSMPSM开关放大器输出电压的关系开关放大器输出电压的关系开关放大器输出电压的关系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)为了使每个为了使每个PSMPSM开关级负担均匀，提高开关级负担均匀，提高元器件的寿命，元器件的寿命，PSMPSM开关接通与断开的原则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，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。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不论在载波状态还是调制状态N级级PSM开关级都是以开关频率开关级都是以开关频率fc循环通断的。循环通断的。例如例如N=32，在载波状态，开通，在载波状态，开通16个个PSM开开关级，如先接通按关级，如先接通按1-16号，那么，每隔号，那么，每隔1/fc的时间后的时间后2-17号，号，3-18号，、，号，、，16-31号，号，17-32号，号，18-1号，、，号，、，31-14号，号，32-15号，号，1-16号的规律开通。号的规律开通。任一级任一级PSM开关从本次开通到断开，开关从本次开通到断开，到下次再接通，都要经历到下次再接通，都要经历32个个fc相应的周期，相应的周期，即即32/fc=32TC，每个开关级的实际工作频，每个开关级的实际工作频率为率为fc/32。在调制情况下，以调制频率为在调制情况下，以调制频率为F的正弦信号、的正弦信号、m=100%调幅一周期为例，调幅一周期为例，在调制信号的正半周，在在调制信号的正半周，在1-16号号PSM开关接开关接通的基础上（此时刻相当于载波点），先通的基础上（此时刻相当于载波点），先后再接通后再接通17、18、31、直到、直到32号号PSM开开关（此时刻相当于关（此时刻相当于100%调幅峰点），调幅峰点），然后先后关断然后先后关断1、2、3、16号号PSM开关（此时刻相当于载波点），在调制信开关（此时刻相当于载波点），在调制信号的负半周，先后关断号的负半周，先后关断17、18、31、32号号PSM开关（此时刻相当于开关（此时刻相当于100%调幅谷点）调幅谷点），然后，再先后开通，然后，再先后开通1、2、3、16号号PSM开关（此时刻相当于载波点）。开关（此时刻相当于载波点）。在任意调幅度在任意调幅度m的情况下，开关管的的情况下，开关管的主要工作频率为主要工作频率为mF。考虑到粗细调幅是。考虑到粗细调幅是同时存在的，因此，开关管的主要工作频同时存在的，因此，开关管的主要工作频率应为率应为f=fc/32+mF，是随调幅信号的频，是随调幅信号的频率和幅度而变化的。率和幅度而变化的。三、三、阶梯电压的补偿阶梯电压的补偿 PSM PSM开关级输出的阶梯电压一般称为粗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，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，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。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，阶梯电压还要压接近于理想，减小失真，阶梯电压还要按照按照PDMPDM原理进行细调。原理进行细调。用用PDMPDM原理对阶梯电压进行细调原理对阶梯电压进行细调 PDM PDM补偿脉冲的幅度等于级电压补偿脉冲的幅度等于级电压U US S，而补偿脉冲的宽度是按照调制信号的变化而补偿脉冲的宽度是按照调制信号的变化规律被调制的，即规律被调制的，即PDMPDM脉冲宽度正比例于理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想调制电压与粗调阶梯电压之间的电压差值。值。需要指出的是，这些补偿脉冲仍然是需要指出的是，这些补偿脉冲仍然是由前述的由前述的3232个开关级产生的。通常，个开关级产生的。通常，PDMPDM补补偿脉冲的重复频率偿脉冲的重复频率(或称开关频率或称开关频率)f)fc c为为30-30-40KHz40KHz，f fc c及其谐波可以被及其谐波可以被PSMPSM开关级输出开关级输出端的低通滤波器滤除。端的低通滤波器滤除。四、四、PSMPSM开关级电路开关级电路一个一个PSMPSM开关级电路原理图开关级电路原理图 当电源开关刚合上后，变压器次级回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路内的由延时继电器控制的两个开关S S1010处处于断开状态，限流电阻于断开状态，限流电阻R R2 2串联接入变压器串联接入变压器次级其中两相的回路中，以防止启动电流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，过大。经过一定的延时后，S S1010接通，将电接通，将电阻阻R R2 2短路，处于正常的供电状态。短路，处于正常的供电状态。三相全波整流器的输出电压经三相全波整流器的输出电压经LCLC组成组成的电源滤波器滤波。当发射机关机时，电的电源滤波器滤波。当发射机关机时，电容容C C的储能通过电阻的储能通过电阻R R和另一个在关机时才和另一个在关机时才接通的开关接通的开关S S1010，与接地端构成回路而放电。，与接地端构成回路而放电。某一级某一级PSMPSM开关级整流电压是否参与总开关级整流电压是否参与总输出电压的叠加，是通过控制该级的输出电压的叠加，是通过控制该级的GTOGTO（可关断的可控硅或可关断晶闸管）实现。（可关断的可控硅或可关断晶闸管）实现。而控制而控制GTOGTO通断的信号要先经过场效应管通断的信号要先经过场效应管（FETFET）放大。）放大。FET FET放大级原理图放大级原理图放大级原理图放大级原理图 当当FETFET输入高电平的输入高电平的“1 1”的控制信号时，的控制信号时，FETFET输出输出+15V+15V电压至电压至GTOGTO的门极促使的门极促使GTOGTO导通，导通，因而开关级输出级电压因而开关级输出级电压U US S；当；当FETFET输入低电输入低电平的平的“0 0”的控制信号时，的控制信号时，FETFET输出输出-15V-15V电电压至压至GTOGTO的门极，促使的门极，促使GTOGTO断开，开关级不断开，开关级不输出级电压（或输出电压为输出级电压（或输出电压为0V0V）。）。当某一级当某一级PSMPSM开关的开关的GTOGTO处于接通的情处于接通的情况下，该级的况下，该级的F FD D处于反偏而截止。处于反偏而截止。如果发射机的如果发射机的PSMPSM开关放大器共有开关放大器共有N N级级（载波状态接通（载波状态接通N/2N/2级），如损坏级），如损坏n n个，其个，其后果只影响正峰可能达到的不失真调制度，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在这种情况下，允许的不失真调制度m m，可可按下式计算：按下式计算：m m，=(N-n)-N/2 /N/2=(N-n)-N/2 /N/2 GTO GTO的保护的保护:GTO GTO的保护的保护:C C1 1、R R1 1和和D D1 1构成构成GTOGTO的保护电路。当关断的保护电路。当关断GTOGTO时，负载电流通过时，负载电流通过D D1 1对对C C1 1充电，由于电容两充电，由于电容两端的电压不能突变，端的电压不能突变，duduc c/dt/dt处于安全范围，处于安全范围，使使GTOGTO得到保护；当得到保护；当GTOGTO开通时开通时C C1 1的储能通的储能通过过R R1 1和和GTOGTO放电，使储能在放电，使储能在R R1 1上消耗掉。上消耗掉。五、五、PSMPSM调制器提供的功率调制器提供的功率 如果发射机的载波功率为如果发射机的载波功率为PC，高频被，高频被调级的板极效率为调级的板极效率为a，板极回路效率为，板极回路效率为k，调幅度为，调幅度为m,那么那么PSM调制器提供的功率调制器提供的功率PM为：为：PM=PC（1+m2/2）/ak 六、六、PSM发射机的主要杂音发射机的主要杂音 为了使为了使N级级PSM开关的负担均匀及降开关的负担均匀及降低开关管的实际工作频率，无论在载波状低开关管的实际工作频率，无论在载波状态还是调制状态，态还是调制状态，N级级PSM开关都按照开关都按照PDM补偿脉冲频率循环通断。补偿脉冲频率循环通断。当当N级级PSM开关的输出电压完全平衡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。然而实际上关频率及其谐波。然而实际上N级级PSM开开关的输出电压不可能做到完全平衡（主要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，它限制通滤波器的通带之内而不能滤除，它限制了了PSM发射机信噪比的提高。发射机信噪比的提高。为了减少为了减少N级级PSM开关输出电压的不平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，并恰当调整各组的漏感差，并恰当调整各PSM开关参与开关参与循环导电的顺序。此外，循环导电的顺序。此外，PSM发射机的两发射机的两个主整电源变压器的初级三相电源分别对个主整电源变压器的初级三相电源分别对外电移相外电移相150，这样，可使两个主整电源，这样，可使两个主整电源变压器的次级各变压器的次级各N/2组三相全波整流器，组三相全波整流器，合成等效的各合成等效的各N/2套套12相整流器，以降低相整流器，以降低波纹因数。波纹因数。