自然風冷300W調(diào)頻發(fā)射機的設計與實現(xiàn)

□ 林堯鋒

自然風冷300W調(diào)頻發(fā)射機的設計與實現(xiàn)

□ 林堯鋒

本文針對廣西縣級村村通發(fā)射臺站傳統(tǒng)300W調(diào)頻發(fā)射機工作不穩(wěn)定、效率較低、維護不方便等問題，設計研發(fā)了一種自然風冷300W調(diào)頻發(fā)射機，各項射頻指標滿足國家標準且經(jīng)濟適用，穩(wěn)定可靠，可逐步替代舊設備。

調(diào)頻發(fā)射機；射頻信號；遠程監(jiān)控

一、引言

廣西區(qū)內(nèi)縣級村村通發(fā)射臺使用的300W調(diào)頻發(fā)射機大多是2009年采購，目前存在工作不穩(wěn)定、故障較多、效率較低、遠程監(jiān)控不便、維護不方便等問題，嚴重影響到安全播出。因此，本文依據(jù)GB/T4311-2000《米波調(diào)頻廣播技術規(guī)范》，設計了一種射頻指標滿足國家標準的300W調(diào)頻發(fā)射機，替代舊設備，逐步在縣級村村通發(fā)射臺使用自主研發(fā)的發(fā)射機。

二、總體框架設計

自主研發(fā)的自然風冷300W調(diào)頻發(fā)射機整機方框圖如圖1所示。立體聲音頻信號輸入發(fā)射機的調(diào)頻調(diào)制模塊，調(diào)制成所需要的特定頻率的射頻信號，然后輸入功放模塊放大后輸出。其中調(diào)頻調(diào)制模塊可發(fā)射RDS數(shù)據(jù)，可以控制帶RDS接收的調(diào)頻音柱或大喇叭進行定時或應急廣播，同時傳輸其它控制信號。

發(fā)射機具備網(wǎng)絡通信功能，通過RJ45網(wǎng)口與外部進行通信，接收外部遠程監(jiān)控。

圖1 自然風冷300W調(diào)頻發(fā)射機整機方框圖

（一）調(diào)頻調(diào)制模塊

調(diào)頻調(diào)制模塊采用自主研發(fā)的集成RDS調(diào)頻廣播調(diào)制器，將輸入的立體聲音頻信號，調(diào)制到特定頻率上完成音頻到射頻的轉換功能，再將調(diào)頻廣播的射頻信號輸出至功放模塊。而且可以定時或遠程控制發(fā)射機發(fā)送RDS信號，控制帶RDS接收的調(diào)頻音柱或大喇叭進行定時或應急廣播，同時傳輸其它控制信號。

調(diào)頻調(diào)制器模塊安裝在機箱的前蓋，并配置顯示面板和按鈕，便于技術人員維護操作，不需開箱或連接網(wǎng)線即可對發(fā)射機一些主要參數(shù)進行設置和查詢，降低了維護的成本與難度。

（二）RF功放模塊

RF功放及控制模塊由RF功放和控制系統(tǒng)組成、功能原理圖如圖2。

RF功放部分主要由2級前置放大器、1級衰減器、2級功放組成。前置放大器用2個增益為19.3dB的M3H21N集成放大器。功放為BLF571和MRFEVP6300H功放管。功率檢測采用真有效值RF功率檢測集成電路，輸入功率檢測使用AD8362，輸出和反射功率檢測采用AD8361。功率調(diào)節(jié)使用TQP4M9083衰減器前置衰減和控制調(diào)節(jié)直流電源電壓的方式。

當發(fā)射機由于種種原因需要降功率播出時，以往通過調(diào)節(jié)推動級輸入功率的方式來降低發(fā)射機功率，此方法會導致功放效率降低，功放管發(fā)熱過大，往往引起發(fā)射機過熱保護。

本發(fā)射機通過主要調(diào)節(jié)末級功放工作電壓，輔助調(diào)節(jié)推動級輸入功率，使發(fā)射機在輸出功率大幅變化的情況下，保持功放80%左右高效率。調(diào)節(jié)過程由STM32微控制器自動實時完成。

（三）控制模塊

以STM32微控制器（ARM Cortex-M3系列）為核心的智能控制模塊負責整機的控制，將ARM控制器集成在功放模塊中，實現(xiàn)對設備各參數(shù)的實時監(jiān)控，包括控制開關機、穩(wěn)定輸出功率、調(diào)節(jié)電源電壓、檢測輸入電壓、推動級和功放級電流、輸入功率、輸出/反射功率、功放級工作溫度、環(huán)境溫度等各種數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)發(fā)射機輸出功率及發(fā)射保護控制，此外還有自動穩(wěn)定輸出功率，過電流、輸出和反射硬件保護具有鎖存功能，設備不受斷電的影響保存設置參數(shù)，在斷電恢復后，可調(diào)用斷電前的配置參數(shù)，自動恢復工作。

圖2 RF功放及控制模塊示意圖

控制模塊可實時檢測計算功放輸出效率，反饋自動聯(lián)合調(diào)整末級功放工作電壓和推動級輸入功率，使發(fā)射機在輸出功率大幅變化的情況下，保持功放80%左右高效率。采用多變量協(xié)調(diào)控制策略和STM32微控制器，實現(xiàn)功放效率的自尋最優(yōu)控制。

通過網(wǎng)絡通信接口可將工作狀態(tài)和參數(shù)回傳給監(jiān)控平臺進行管理；監(jiān)控客戶端程序將顯示接收的各種參數(shù)，并實現(xiàn)遠程監(jiān)測控制。

（四）電源模塊

發(fā)射機內(nèi)部安裝有700W可變壓直流電源和30W12V直流電源兩個電源模塊。其中700W可變壓直流電源輸出DC28V-48V至功放模塊，可通過控制模塊調(diào)節(jié)輸出電壓大小，改變功放模塊輸出功率。30W12V直流電源輸出DC12V至控制模塊。

700W可變壓直流電源結構框圖如圖3所示，主要由DPG750模塊和DBS700B48模塊組成。DPG750模塊輸入電壓范圍為AC170V～264V，輸出電壓為DC360V，最大輸出功率750W，輸入電壓范圍寬，適用于農(nóng)村電網(wǎng)的波動變化。DBS700B48模塊輸入電壓范圍為DC200V～400V，輸出額定電壓為DC48V，可通過外部調(diào)壓器或外加電壓調(diào)整額定電壓的60%～110%，最大輸出功率696W，自帶過電流、過電壓保護。通過控制模塊調(diào)整輸出電壓大小，從而調(diào)整末級功放工作電壓，使發(fā)射機保持高效率。

圖3 700W可變壓直流電源結構框圖

（五）遠程監(jiān)控系統(tǒng)

1.實時監(jiān)控和報警功能

監(jiān)控內(nèi)容包括：設備工作狀態(tài)、參數(shù)配置和接口工作狀態(tài)等。報警內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)異常、故障等，發(fā)生異常情況時，給出報警指示。監(jiān)控和報警可以遠程進行控制和查詢。監(jiān)控系統(tǒng)軟件界面如圖4所示。

本機在輸入激勵和功放的輸出節(jié)點都配置了功率檢測電路。與通常使用的包絡峰值檢波方式不同，本機使用了真有效值檢波器件AD8361，使得功率的檢測更加準確。功率計算時使用了線性補償校正算法進行檢波電壓到實際功率的轉換。使得功率校準工作快捷、準確。

2.實時功率控制

在發(fā)射機正常工作狀態(tài)下，實時地對發(fā)射功率進行控制，使其穩(wěn)定在設定值周圍可允許的偏差范圍內(nèi)。

3.管理配置

通過遠程監(jiān)控接口或本地設置發(fā)射單元工作參數(shù)和接口配置等。

4.安全防護機制

提供自動保護功能。當發(fā)射機的某些部件發(fā)生嚴重故障時（如輸出過載，功放過熱等），或由于外部原因造成調(diào)制器損傷時，監(jiān)控系統(tǒng)會自動降低發(fā)射功率或切斷發(fā)射單元的射頻輸出或關機。

5.遠程監(jiān)控

采用OTA技術，提供了功放控制程序的遠程在線升級功能。

6.設置向導

通過向導的形式引導用戶對發(fā)射機各模塊按需進行初始配置，大大降低了調(diào)試軟件的操作難度。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件界面

三、技術創(chuàng)新點

（一）將調(diào)頻調(diào)制、功率放大集與一體，模塊化設計，安裝方便，維護簡單，還可遠程實時改變發(fā)射頻率。

（二）調(diào)頻發(fā)射機末級功放工作電壓自動實時調(diào)整，實現(xiàn)不同功率等級輸出下保持功放80%左右高效率。

（三）采用多變量協(xié)調(diào)控制策略和STM32微控制器，自動聯(lián)合調(diào)整末級功放工作電壓和推動級輸入功率，實現(xiàn)功放效率的自尋最優(yōu)控制。

（四）采用自然風冷方式，節(jié)省散熱能耗。

（五）采用OTA技術遠程在線升級控制程序和控制參數(shù)。

四、結束語

自主研發(fā)自然風冷300W調(diào)頻發(fā)射機調(diào)頻射頻指標達到國家標準，可在輸出功率大幅變化的情況下，保持功放高效率輸出。采用自然風冷方式，節(jié)省散熱能耗。監(jiān)控參數(shù)詳細全面、模塊化設計、適應電壓波動范圍寬，適合鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村調(diào)頻覆蓋。該發(fā)射機經(jīng)濟適用，穩(wěn)定可靠，擴大了調(diào)頻廣播覆蓋范圍，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

（作者單位：廣西廣播電視技術中心）