TSW2500型500kW短波發射機PSM調制中PWM補償原理分析

馮喜陽

摘 要 介紹了脈沖階梯調制（PSM）技術的發展、基本結構和工作原理，簡要介紹了近些年來脈沖階梯調制（PSM）技術在大功率短波發射機中的應用。重點介紹了TSW2500型500 kW大功率短波發射機在PSM調制中，如何利用脈沖寬度調制（PWM）來進行細調諧補償，從而來控制每一級階梯誤差，以便更逼近原始音頻信號變化規律的方法。

關鍵詞 大功率短波發射機；PSM調制；PWM補償；原理

中圖分類號：TN838 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）04-0038-02

目前世界各大功率廣播發射機的都朝著高效率的方向發展，對于100 kW以上功率等級的短波廣播發射機已實現整機效率達到70%，而取得這一成績的主要原因之一是因為采用了新型的調制器。20世紀70年代發展起來的脈沖寬度調制器（Pulse Width Modulation-PWM），使500 kW短波功率等級短波廣播發射機的整機效率提高到65%，80年代由瑞士ABB公司研制成功并發展起來的脈沖階梯調制器（Pulse Step Modulation-PSM），將發射機的整機效率提高到75%，大大節約了能源，提高了發射機的穩定度，簡化了發射機結構。

脈沖階梯調制（PSM）技術特點是把傳統屏調機的主整和調幅器合二為一，并把主整電壓化整為零。PSM控制系統將輸入的音頻調制信號經模數轉換后，再通過邏輯控制系統去控制相應的開關接通和斷開。每接通一個PSM開關就向射頻級被調電子管屏極增加一個Us的電壓，接通開關數量的多少是正比于載波電平和音頻調制信號的大小。若被調級的直流屏極電壓為14 kV，每個模塊的輸出電壓Us為700 V，那么在載波的情況下，將有20個PSM模塊接通；在有調制情況下，對應100%調制正鋒時，有40個模塊接通；對應100%調制負峰是，所有PSM模塊均被斷開。因此PSM調制器輸出波形是一個階梯狀波型。

1 PSM調制原理

TSW2500型500 kW發射機的PSM系統是由26個雙功率模塊串聯組成，為發射機的高末級提供調制電壓，如圖1所示。每塊模塊都包含了一個直流電源Us，一個固態開關S和一個空轉二極管D，每個模塊也是一個初一級PSM開關。PSM系統總的輸出電壓是每個模塊輸出電壓的總和。開關S也就是IGBT，受音頻信號和直流信號經過模數轉換和相應處理后的控制信號的控制，當開關S閉合時，輸出電壓為Us；當開關S斷開時，輸出電壓為零，此時各級的串聯電壓通過空轉二極管得以聯通。因此，通過控制開關S閉合與斷開來控制實際閉合的模塊數量，就可以產生0和最大值Umax=N·Us（N為總的模塊數）之間的任何電壓值。由圖1可知，在初始時刻T0時，所有PSM模塊均斷開，調制器的輸出電壓為0 V；而在下一時刻t1時，又一級PSM模塊被合上，調制器的輸出電壓為Us，如此類推。

我們不難發現直接控制模塊的開合方法來給高末屏極提供電壓波形含有較大的階梯紋波分量，當發射機處于小信號的低調幅或底音頻調制時，其階梯紋波的頻率也很低，且都處在低通濾波器的帶通內難以濾除，從而導致明顯的量化失真。為了改善這種失真，將在每個階梯電壓上加上PWM補償脈沖。該脈沖具有以下幾個特點。

圖1 PSM結構

1）補償脈沖的振幅為一個PSM模塊輸出電壓Us。

2）補償脈沖的寬度正比于兩個階梯之間與音頻信號的瞬時誤差電壓。

3）補償脈沖的頻率一般在70 kHz～100 kHz范圍內選擇。

如圖2所示。

圖2 PWM調制

并且為了使各級PSM模塊獲得均勻的工作負荷，同時降低PSM開關的工作頻率，通過采用“先合者先斷”和“先斷者先合”的順序進行。在載波情況下，每個PSM模塊的開關工作頻率將降低為原來的1/n，從而使所有的模塊工作時間基本相同。

2 PWM補償方法

PWM發生器的運行頻率為12.8 MHz，而PWM的開關頻率為100 kHz，因此產生一個7位的動態范圍（27=128），而總的動態范圍由功率模塊的數量決定。7比特的動態范圍相當于把一個模塊電壓臺階（大臺階）US細分成128個細臺階，細臺階值為1/128US。所以PWM的補償值為1/128US-127/128US。

本機有52個單功率模塊。單音周100%調幅時有52級大臺階，所以總的臺階數為52×128=6656。

2.1 PWM的實現過程

PWM數值用來結合EPROM中的編碼表產生一個ON和一個OFF的時間，ON和OFF的時間計算依靠r和一個相應8位EPROM，如圖3所示。

編碼表產生兩個數字（對應a與b），兩個數字送入兩個已經清零的計數器，一個計數器（對應b值）在其計數到0時發出PWM-ON（b

圖3 PWM框圖

2.2 PSM模塊循環過程

PSM模塊接受控制系統“ON”和“OFF”命令進行合斷，并將損壞的功率模塊排除在使用范圍之外，如圖4所示。

圖4 功率模塊循環控制框圖

當或門1的輸入信號任一路有操作脈沖，都會輸出一個合閘脈沖。該合閘脈沖（送入ON CONTROL）從OFF FIFO存儲器A19的低端，讀出一個被斷開時間最長PSM開關地址（Off Address），并把這個地址變為ON Address分兩路送出，一路由底端寫入ON FIFO（A18）中，另一路送去光纖接口板；同時ON CONTROL發出一個ON信號去光線接口板，去合上該斷開時間最長PSM開關。

當或門2的輸入信號任一路有操作脈沖，都會輸出一個拉閘脈沖。該拉閘脈沖（送入OFF CONTROL）從ON FIFO存儲器A18的頂端，讀出一個被合上時間最長PSM開關地址（ON Address），并把這個地址變為OFF Address分兩路送出，一路由頂端寫入OFF FIFO（A19）中，另一路送去光纖接口板；同時OFF CONTROL發出一個OFF信號去光纖接口板，去斷開這個合上時間最長PSM開關。

3 小結

TSW2500型500 kW發射機PSM調制系統中采取先進的PWM輔助補償技術，提高了發射機的調制量化精度，大大減小了失真，有力地提升了該發射機的電聲指標。通過對PWM補償技術的研究，不僅使我們加深了對該類型大功率短波發射機調制技術的了解，而且為我們日常維護工作和發射機故障處理提供了理論支持，希望能為同行提供有價值的參考。

參考文獻

[1]THALES公司.TSW2500型500KW短波發射機說明書[M].

[2]劉長年，無名森，王福全，舒學峰.廣播發送技術[M].北京：電總局無線電臺管理局，1999.

[3]張學田，李英華，劉洪才.廣播電視技術手冊：第6分冊[M].國防工業出版社，2000.

[4]林紅.數字電路與邏輯設計[M].清華大學出版社，2009.