FM數字激勵器的原理分析與故障處理

黃海濤

摘要：FM數字激勵器是調頻發射機的核心，本文對其工作原理進行了詳細的闡述，并結合電臺實際運用情況對使用時處理的故障情況進行了總結與分析。

關鍵詞：音頻處理；調制器；功放；故障處理

FM數字激勵器采用DDS技術產生調制載波，采用DSP技術對音頻信號進行處理，實現數字濾波、預加重、立體聲編碼、載波調制等。與普通模擬激勵器相比，FM數字激勵器因采用了數字化的處理技術，它的各項指標遠高于模擬激勵器，對輸出信號的頻率穩定度、相位及幅度可以準確的控制，確保了激勵器之間的指標一致性和穩定性。

一、電路工作原理

數字激勵器采用模塊化的設計結構，由音頻處理器模塊、調制器模塊、監控保護模塊和激勵器功放及電源模塊組成。數字調制激勵器將音頻輸入信號和附加業務信號轉換成數字基帶信號后，由調制器調制到調頻載波上，功放放大后輸出。

1、音頻處理器模塊。數字調制激勵器的音頻處理器模塊實現立體聲編碼，它提供了單生、立體聲和MPX音頻信號輸入接口和其他附加業務信道信號接口，現在多數音頻處理器模塊還提供AES/EBU等數字音頻接口。音頻處理器模塊由音頻預處理電路、預加重電路和立體聲編碼器與限幅器構成。音頻預處理電路通過設置音頻衰減器的衰減量，改變音頻輸入阻抗等措施來實現調整音頻信號輸入幅度的功能，正常情況下使用標稱音頻電平輸入時，輸出信號相對于載波的頻率偏移是75kHz。音頻處理器模塊提供3種預加重信號處理方式，75μS預加重，50μS預加重及0μS預加重（即無預加重方式），可以通過設置模擬開關來選擇預加重常數。立體聲編碼的實現方式是采用軟開關方式處理L/R路信號，之后和導頻19kHz信號混合。采用軟開關的編碼方式比硬開關或矩陣式編碼方式的優點是信號的分離度和失真指標好，信號編碼后成分有L/R信號、抑制副載波后的L/R的信號差和導頻。限幅器的作用是在輸入的音頻信號超過標稱電平時，通過調整復合信號的幅度來確保調制頻偏不致過大。

2、調制器模塊。調制器模塊包括電平調整與VCO壓控電路、鎖相頻率合成器、環路濾波器和VCO放大組成。電平調整的功能是處理音頻處理器模塊送來的合成基帶信號的電平幅度，使在標稱輸入時，滿足基帶信號調制度100%（75kHz頻偏）。VCO壓控電路產生調頻載波的過程是直接調頻變容二極管，產生的射頻信號由鎖相頻率合成器的分頻器分頻處理后與基準頻率進行比較，輸出的差拍電壓進入環路濾波器，環路濾波器濾除和頻成分后信號返回VCO壓控，輸出的頻率進一步接近鎖定頻率，直到鎖定鑒相器并提供鎖定指示。壓控振蕩器VCO輸出的調頻信號由輸出放大級進行放大以提高輸出信號的抗干擾能力，輸出放大級只有在射頻輸出信號被鎖定的后才會工作，執行放大功能。

3、監控保護模塊?？刂票O測保護模塊實現監測音頻輸入信號和切換信號、AGC功率增益自動控制保護、音量的自動調整削波、提供遠程控制接口及實現同步等。對輸入的音頻信號實施實時監控以檢測音頻信號的有無，檢測數字音頻信號接口是否存在故障，如果發射機有備份的音頻信號源，則在檢測到故障后根據備份的優先級別切換到備份音頻信號源。功率控制保護電路實時監測發射機的入/反射功率，通過檢測輸出的入/反射功率的檢波電壓與設定的跟蹤電壓來實時校正激勵器的輸出功率，維持發射機的穩定輸出。音頻自動調整電路在調制頻偏大于110KHz時對音頻信號進行削波；當出現多次削波時，將自動減小音量；相反，當音頻幅度長時間達不到100%調制度時，將自動提高音量。監控保護模塊提供遠程控制接口（RS485/RS232串口），上位機可以直接通過遠程控制接口讀取激勵器的運行狀態，設置參數。同步電路依靠接入外部的1PPS信號和10MHz實現調整導頻相位和音頻延時，保證了相干范圍內的導頻與音頻輸入同步。

4、激勵器功放和電源模塊。激勵器功放電路負責放大已調波信號，由功放模塊電路、低通濾波器電路和定向耦合器電路組成。一般30W激勵器功放都采用兩級放大方式，放大后的信號經低通濾波器濾除2次以上諧波，通過N型射頻插座輸出。定向耦合器位于濾波器之后，由耦合線和衰減電阻、檢波電路構成，檢測到的信號作為入射功率和反射功率的采樣信號。電源模塊為開關電源，可以有效地濾除文波和電磁干擾，保證了激勵器有一個可靠的指標。

二、故障處理

結合調頻數字激勵器的實際運用情況，FM數字激勵器常見的故障包括無音頻或音頻幅度低、報“過載”故障和“失鎖”。

1、無音頻或音頻幅度太低。檢查信號源，信號源與激勵器音頻輸入端之間的信號線，確保輸入激勵器的音頻信號正常。如果輸入的音頻信號無問題，檢查監控保護模塊的音頻自動調整電路。

2、激勵器報“過載”故障。報“過載”故障時，反射功率會大于閾值，激勵器輸出功率將小于正常輸出值。此故障不是激勵器本身故障，而是激勵器的輸出端和后端設備連接出現問題，一般是失配造成。檢查激勵器與后端設備連接線的連接情況，檢測設備的駐波比。

3、激勵器“失鎖”?！笆фi”是調制器模塊的鎖相環電路出現故障。調制器的鎖相環路是一個動態環路控制電路，判斷“失鎖”故障的依據是動態環路的工作狀態。處理鎖相環路故障的過程如下：

（1）給激勵器上電，檢查電源電壓、壓控VCO電壓工作是否正常。

（2）如果電源和VCO電壓正常，檢查調制器模塊鑒相電路的頻率撥碼預置電路，必要時從新設置。（3）通過檢查鑒相電路輸入端的比較信號可縮小故障范圍，檢查鎖相頻率合成器的分頻器和參考頻率電路，看是否參考頻率發生改變，實際處理故障中常見的原因是晶體外接的起振電容的容值改變導致故障產生。

（4）如果鑒相器輸出的參考頻率正常，需要檢查載波信號的采樣。檢查分頻器、VCO壓控振蕩器，可采用逐級替換集成電路的辦法來迅速確定故障點。

（5）檢查調制器環路濾波器電路，看是否存在電容漏電或虛焊現象。按以上步驟檢查后還不能決解決問題，就直接更換鑒相器集成電路。

結束語：

FM數字激勵器技術先進，指標好，工作性能穩定。本文對其工作原理和常見故障的分析是建立在實際應用維護中總結出來的，具有一定的借鑒意義。