全固態模擬電視發射機功放單元數字化改造

劉學理

(河南省無線發射傳輸管理中心，河南 鄭州 450000)

全固態模擬電視發射機功放單元數字化改造

劉學理

(河南省無線發射傳輸管理中心，河南 鄭州 450000)

針對我國目前存在大量模擬發射機的現狀，通過對河南省7個骨干臺模擬發射機數字化改造實驗，總結了在數字化過程中功放單元改造需要注意的問題，詳細分析了地面數字電視發射中幾個關鍵技術指標，并描述了相關技術指標調整和優化的具體過程。

功率放大器；調制誤差率；非線性失真

按照廣電總局關于《地面數字電視廣播覆蓋網發展規劃》(廣發﹝2012﹞113號)文件精神，穩步推進地面電視數字化轉換，逐步增加地面數字電視覆蓋范圍和節目數量，到2018年底，完成數字化轉換過渡，2020年全國停止模擬電視播出。目前，我國2 000多個無線發射臺站配置了模擬電視發射機，為迎接數字無線發射時刻的到來，不允許也不可能全面淘汰現有模擬電視發射機。購進新設備需投入大量資金，先一步探索適合發射臺地面數字電視漸進式發展的模式，保證當地能夠全面、快速地進入數字化覆蓋時代，加快推進地面數字電視發展，對于鞏固和拓展黨的宣傳文化陣地，提高廣播電視公共服務的質量和水平，滿足人民群眾日益增長的精神文化需求，對現有模擬電視發射機適應數字地面電視(DTMB)發射的技術研究，在現階段顯得尤為重要。

1 全固態模擬電視發射機

1.1 全固態模擬電視發射機的組成

全固態模擬電視發射機主要由以下幾部分組成：激勵器、功放模塊、帶通濾波器、合成器、分配器、電源模塊、制冷和監控。

1)激勵器是發射機的主要核心部件，其主要功能是將由節目源傳輸過來的AV信號經過處理后上變頻到發射頻率，并放大一定功率后去推動功放模塊。

2)功率放大器是電視發射機價格的決定因素，約占發射機機價格的75%。該部分的作用主要是提升發射機的輸出功率等級，把從激勵器送過來的射頻信號放大到設計功率。

3)無源器件在發射機中，無源器件主要包括分配器和合成器等，為使發射機輸出更高的發射功率，需多個末級功放分配器，主要功能是把激勵器的輸出功率平均分配到各個功放模塊，由各功放模塊分別進行功率放大后，再輸出到合成器。整體架構實現了同向一次分配合成，最大限度減少多次合成造成的功率損耗。如圖1所示。

圖1 發射機組成

4)供電系統：開關電源采用并聯均流供電方式，其中電源監測模塊監控電源的工作狀態，根據監控的情況自動調整整機工作狀態，并有過流、過壓、欠壓、短路、過溫、防雷擊等保護措施。

5)制冷系統：固態電視發射機一直以來最常用的冷卻方式是風冷，即通過冷卻空氣的流動來散熱。隨著科技的發展，水冷/液冷冷卻方式也逐漸為固態發射機所用，它以冷卻液的流動來進行熱交換。

模擬電視發射機一般都是功率在10 kW以上的大功率發射機，功率放大器模塊比較多，一般使用外部強制風冷冷卻方式。外部強制風冷冷卻方式主要是通過外部風機帶動風力循環來實現，一般都需要用到送風機和排風機。送風機的原理是通過風機轉動，把冷空氣吸入風道送到機器內部，排風機的原理是通過風機轉動把熱空氣抽出，排放到外部大氣當中。

6)監控系統：發射機監控系統采用自動控制技術、檢測技術和計算機網絡通信技術，對廣播、電視發射機的本地及遠程實時控制，對其運行參數及運行狀態進行實時監測，具有自動開關機、故障點定位、故障記錄、故障報警、指標檢測、報表統計、數據管理、數據查詢、網絡數據共享、Internet遠程訪問等功能系統。

1.2 末級功放原理和特點

末級功放組成部分主要包括：輸入、輸出模塊，功率放大模塊，監控模塊，供電部分和制冷系統等。功率放大器的主要部件“功放模塊”，由多個LDMOS或VDMOS場效應管并聯組成[1]。以LDMOS管為例，其工作原理是：由激勵器輸出射頻信號，通過約26 dB的推動級功放，把激勵器的輸出功率放大到約70 W，放大后的信號經過功率分配器分成3路，經過約13 dB低增益的末級功放進行再次放大，最后合成至1 kW輸出。

末級功放電路：由激勵器來的輸入信號通過二分配進行功率分配，信號被平分為2路，這兩路信號經過各自的BLF861組成的放大電路進行放大，放大后的功率信號再經過合成器進行功率合成，兩個相同的放大電路組成一個功放模塊。兩個相同的功放模塊組成一個末級功放單元[2]。每個功放單元內還有監控裝置，能夠提供各種工作狀態的監控數據，例如輸出及反射功率、電源電壓參數、BLF861管電流參數和報警功能等。

全固態發射機由于采用新型放大器件，功放模塊具有較高增益和良好的線性等特點，工作在寬帶，性能指標好，穩定可靠，效率高。

2 數字電視發射機末級功放的主要技術指標

2.1 帶肩比

帶肩比具體定義為信號中心頻點的功率值與偏離中心頻點載波外某點功率的比值，帶肩比為中心頻點±4.2 MHz的信號電平與中心頻點電平的比值，而我國的一個電視頻道標準帶寬也為8 MHz。帶肩比直接反映了數字電視發射機功放的線性水平，只有線性化程度越高，帶肩比越好，才能保證被傳輸信號具有盡可能低的調制誤碼率和高的信噪比。

2.2 調制誤差率

調制誤差率(MER)是數字電視信號的理想符號功率與噪聲功率之比取對數。眾所周知，對于數字信號，在調制編碼環節，會把數字信號分解為I組和Q組，I，Q的相位差為90°，量化后I，Q在一個坐標圖上都有對應的位置，如果符號在理想位置，應該為一個小點，但是噪聲總是存在的，所以實際位置總會存在偏差。而調制誤差率就是使用數學模型來表示數字電視信號的噪聲狀態，其公式為

(1)

而星座圖是用圖形來表示數字電視信號的噪聲狀態，如圖2為具有廣義噪聲干擾的星座圖。

圖2 具有廣義噪聲干擾的星座圖

MER包含了信號所有類型的損傷，如各種噪聲、載波泄漏、I/Q幅度不平衡、I/Q相位誤差和相位噪聲等。它反映了數字電視信號經傳輸后損傷的程度，是衡量數字電視系統的重要指標。MER的經驗門限值對于不同調制模式有不一樣的要求，當低于門限值時，接收端將無法正常接收。在發射系統的不同測量位置MER所要求的指標也不同，我國發射機的標準中要求發射機最終輸出的射頻信號的MER不小于32dB。在星座圖中的體現就是每一個代表信號的小點都在判斷門限中，也就是要求小點在星座圖中的小圓圈以內，兩個要求是一致的，只是描述方式不同而已[3]。

2.3 非線性失真

非線性失真是由于引進非線性元件或進入非線性區域而引起的，對于一個理想的信號放大設備，輸出信號應該如實反映輸入信號，即使在幅度和時間上可能有所不同，但波形應當是相同的。但是實際器件，輸出信號中除了有放大了的輸入信號以外，還增加了一定比例的輸入信號的高次諧波，使得輸出信號產生了變形或失真，這種失真叫做非線性失真。非線性失真是指數型失真，在輸出信號中產生了新的頻率分量。

圖3 功放單元電路圖

3 模擬電視發射機功放數字化幾個關鍵參數的調整

一般模擬電視發射機的末級功放單元多為三級串聯，即前級、中間級和末級。以CSD10KW模擬電視發射機為例。該功放單元共三級串聯(如圖3)，輸入1mW、輸出1kW，功率增益GP約60dB。

3.1 前級推動的調整

發射機的前級推動是發射機必不可少的一部分，其特點一是輸出功率較小，一般為30dBm左右；二是增益較大，約為30dB左右。該級推動直接實現mW級到W級的轉變。這級推動的指標對整個發射機的指標影響較大，尤其在數字傳輸模式時，需線性放大，帶肩指標不能裂變太大，嚴格控制在5dB以內。對前級推動指標影響較大參數有兩個，一是輸入輸出阻抗；二是功放管線性放大區的靜態工作點。

該功放前級推動的第一級功放由一只BGD714管組成。BGD714功放管的工作電壓為24V，靜態工作電流0.4A相對比較固定，在該工作點線性較好，該靜態工作點通用于模擬和數字，但為了提高帶肩比，對小功率高增益的功放管可引入衰減器。衰減器一是優化輸入輸出匹配網絡；二是實現整機功率回退。結合發射機高頻放大電路結構特點易采用Π型衰減網絡(如圖4)。

圖4 Π型衰減器

(2)

(3)

A=10lgN

(4)式中：Rc為輸入阻抗，為50 Ω；N為電壓UO/UI比值，考慮到發射機整機功率回退3～5 dB及每級放大管輸入帶肩指標和降低底部噪聲的要求，輸入級采用1 dB功率衰減，輸出級采用3 dB功率衰減。如圖4所示輸入輸出阻抗均為50 Ω，A為1 dB，經計算可得出：R1和R2分別為11.6 Ω和436 Ω，為了便于購置市場常用高頻無感電阻可采用R1為12 Ω和R2為430 Ω。輸出級3 dB衰減，A等于3 dB，按照式(2)～(4)可得出R1約為37 Ω和R2為150 Ω。

前級推動的第二級功放，這級功放由1只BLF861A管組成，模擬模式下，靜態電流為0.7 A，工作在AB類，增益為12 dB。對BLF861A而言，靜態工作電流適當增加，也將增加帶肩比指標，如圖5、6是靜態工作電流0.6 A與1.0 A的比較，靜態工作點在1.0 A使帶肩比提高了15.43 dB，增益提高了2 dB；對整機而言，前級靜態工作點在0.6 A時，帶肩比為-21.5 dB(見圖7)；在1.0 A時帶肩比為-27.6 dB(見圖8)。通過比較可以得出靜態工作電流在1.0 A時，帶肩裂變相對較小。

圖5 靜態工作點0.6 A(截圖)

圖6 靜態工作點1.0 A(截圖)

圖7 前級調整前帶肩比(截圖)

圖8 前級調整后帶肩比(截圖)

3.2 中間級推動的調整

UHF發射機中間級功率推動功放是由1只 BLF861A管組成，靜態電流為2～3 A，工作在A類，增益為13～16 dB，該級推動僅進行簡單的調整，來平衡發射機各功放單元(包含前級、中間級、末級功放)的輸出功率，使得各功放單元的輸出功率相當。以CSD10KW發射機為例：功放單元的增益調整到60 dB。

3.3 末級放大管的調整

LDMOS(lateral diffused metal oxide semiconductor)即橫向擴散金屬氧化物半導體廣泛應用于電視發射機中。20世紀后期，BLF861 UHF power LDMOS 晶體管廣泛應用于全固態模擬電視發射機中，該功放管輸出功率大、增益高，BLF861管技術參數如表1所示。

表1 BLF861 管技術參數

工作模式頻率/MHzVDS/VPL/WGP/dB效率/%PALAB類86032170同步頂>1440

全固態模擬電視發射機末級功放管BLF861靜態工作點0.7～0.8 A，在模擬發射機適應數字化發射時，對末級要進行必要的調整。這一級功放的調整與否直接影響數字播出時的輸出功率、帶肩比、調制誤碼率(MER)及覆蓋效果。從河南的7個骨干臺改造中均采用了靜態工作電流為1.0～1.2 A。BLF861在該靜態工作點的帶肩比指標相對較好。又考慮到改造后的發射機能適應模擬播出，末級的靜態工作點不宜太高，靜態工作點最終選擇1.0 A(見圖9)。

圖9 末級功放管調整后整機帶肩圖(截圖)

末級功放調整后，整個帶肩比指標提升較為明顯，通過圖7與圖9比較可知，帶肩比指標至少改善了15 dB。

3.4 末級功放單元的整體調整

末級功放單元的整體調整直接影響著整個發射機的穩定性，發射機多組功放輸出平衡情況，直接影響著發射機的效率、功放管的使用壽命、整機的發射效率。

(5)

式中：Pout為合成功率，P1和P2為功放的輸出功率，由此可見，發射機每組功放平衡輸出必須平衡，即每組末級功放增益須相當。

功放管的輸出功率不僅影響著整機的輸出功率，而且影響著數字播出時的帶肩指標(功放管的線性)。在模擬發射機中BLF861功放管的輸出功率125～150W。從BLF861特性圖可知(圖10)，這一功率區域并不適合數字播出，為保證發射機的線性指標，采用了25～75W這一功率區域。這一段線性較好，也就是功率回退。通過功率回退保障帶肩比指標。

圖10 BLF861特性圖

4 結束語

河南7個骨干發射臺經數字化技術改造之后，運行了一段時間，各項技術指標運行穩定，播出節目的圖像質量和聲音質量明顯改善，豐富了節目數量，更好地滿足了人民群眾觀看數字電視的需要。在實際應用中，設備的穩定性、低耗能、易于維護等優勢非常突出，而且投入不是很大。是一項極成功的技術改造，也順應了電視數字化發展的必然趨勢。數字電視廣播發射系統取代模擬發射系統已經成為一個必然趨勢。特別是隨著中央廣播電視節目無線數字化覆蓋工程項目的推進，必將促進各地無線數字電視的快速發展。所以研究模擬電視發射機和數字電視發射機的特點，掌握模擬發射機向數字發射機轉變的技術具有很大的現實意義。特別是在目前模擬發射機占絕大多數情況下，對于部分資金緊張的無線發射臺，利用模擬發射機數字化改造技術進行無線地面數字電視的發射，不失為一種可行的方式，值得在廣電系統推廣。

[1] 王紅熳. 全固態電視發射機功率放大器的維修[J]. 科學與財富，2013(9)：42.

[2] 楊振. 1kW全固態發射機的末級功放[J]. 衛星電視與寬帶多媒體，2006(22):45-46.

[3] 鄒寶平，楊勇，閆路標. 地面數字電視發射機技術指標的檢測[J].遼寧廣播電視技術, 2014,14(1):71-73.

Digital reconstruction of power amplifier unit in all solid state analog TV transmitter

LIU Xueli

(HenanRadioEmissionandTransmissionManagementCenter,Zhengzhou450000,China)

In view of the present situation of a large number of analog transmitters, through the digital transformation experiment of seven transmitting stations, the problem of the improvement of the power amplifier unit in the digital transformation is summarized. Several key technical indicators in the ground digital TV transmission are analyzed in detail. And the specific process of adjustment and optimization of the related technology parameters are described.

HPA; MER; nonlinear distortion

劉學理.全固態模擬電視發射機功放單元數字化改造[J]. 電視技術，2017,41(1)：68-72. LIU X L.Digital reconstruction of power amplifier unit in all solid state analog TV transmitter[J]. Video engineering，2017,41(1)：68-72.

TN941.3

B

10.16280/j.videoe.2017.01.014

2016-06-06

劉學理(1976— )，碩士，高級工程師，主要研究方向為廣播電視技術及覆蓋工程。

責任編輯：薛 京