MF200多頻中波廣播發射機助力廣播行業發展

文/徐幫輝

1.中波發射機的現狀與問題

國內外大功率中波發射機一般固定頻率播出，若需要換頻，則要對許多部位重新調整。以美國HARRIS DX200中波廣播發射機為例，調整的部位有預驅動、驅動級、效率線圈、輸出匹配網絡以及部分板卡等，這一系列調整要耗費大量的時間和人力，對于不同頻率中波發射機之間短時間內代換幾乎不可能，這將嚴重影響到無線局安全傳輸發射工作。

五六一臺甲機房安裝有三部DX200中波發射機，單機播出，無備份機和代播臺站，出現故障時就必須依靠技術人員現場處理。如果故障較大或者處理不及時就有可能引起長時間的停播，急需安裝備用中波發射機。為解決這一難題，在國家廣播電視總局和無線局領導支持下，國家廣播電視總局五六一臺于2010年專門成立了“MF200多頻中波廣播發射機”研制項目小組。依托無線電臺管理局、北京廣世無線責任有限責任公司、國家廣播電視總局五六一臺等單位的科研力量，歷經6年鉆研，自主研發出MF200多頻中波廣播發射機，打破國外對中波發射機技術的壟斷，實現了單PB中波發射機一機備多頻的目的。

2. MF200多頻中波發射機系統設計框架

圖1 MF200多頻中波廣播發射機

MF200多頻中波發射機包含了射頻、音頻、控制、保護和電源等系統，并采用自主研制的直接數字驅動功放模塊。與DX200中波發射機相比減少了緩沖級、預驅動級、驅動級等復雜的射頻前級放大和調諧部件，功放模塊數量也從239塊減少到224塊。模塊控制信號采用高速串行同步傳輸技術，大量減少了線路連接。該系統采用寬頻率設計，能夠在60秒內完成不同預設頻率間的倒頻切換，實物圖如圖1所示。

3.系統原理

MF200多頻中波廣播發射機是一種全新設計的全固態200kW多頻中波廣播發射機，該發射系統包括射頻、音頻、控制、保護和電源等系統。另外，還配套設計的天線交換開關及其控制系統和400kW假負載。

3.1 射頻系統

發射機射頻系統包含直接數字驅動功放模塊、射頻音頻分配板、模塊控制板、音頻處理板射頻模塊、輸出匹配網絡和天線交換開關等。

3.1.1 直接數字驅動功放模塊

模塊采用差分PECL平衡輸入，減少了高頻干擾對輸入的影響，采用可編程邏輯器件PAL22V10以及大量的貼片芯片，提高了模塊的集成度。主要電路包括:射頻輸入轉換電路、模塊控制與監測、開關電源、射頻隔離與驅動以及8個MOS場效應管IRFP460LC組成的H橋輸出電路。直接數字驅動功放模塊基本原理如圖2所示。

3.1.2 射頻音頻分配板射頻模塊

射頻音頻分配板射頻模塊主要是根據接收來自音頻處理板的載波信號和位頻（16倍載波頻率），設計載波時鐘分配模塊，將位頻重新進行分頻得到載波同步參考頻率Fc。

3.1.3 模塊控制板

圖2 直接數字驅動功放模塊基本原理框圖

模塊控制板接收來自射頻音頻分配板I2S結構串行12bit數字音頻數據，采用EPM7128SLC84芯片組成CPLD在線可編程電路對串行數據進行解碼，解碼后的信號通過合成器母板送到所控制的8塊直接數字驅動功放模塊，從而控制功放模塊的開通與關斷。

3.1.4 音頻處理板射頻模塊

音頻處理板是數字調制器核心的功能處理部件之一，接收來自外部的射頻和音頻信號并對其進行處理。射頻處理單元根據外部輸入的10MHz標準頻率或者10倍載波頻率，利用FPGA內部的鎖相環PLL模塊生成位頻，通過設計分頻模塊得到載波頻率，利用I2S串行數據的傳輸模式將位頻和載頻結合音頻信號發送給射頻音頻分配板。

3.1.5 輸出匹配網絡

輸出匹配網絡用于對合成輸出的波形進行諧振和阻抗匹配，得到想要的光滑調幅波。輸出匹配網絡主要包含兩個部分，一是用阻抗匹配的真空電容和電感，以及分段切換的4個斷路器和改變可調真空電容值的4個調諧馬達；二是用于調諧控制的輸出匹配網絡切換控制板。

匹配網絡硬件示意圖如圖3所示，其中L1和L2通過斷路器來實現電感切換，C1、C2、C3和C4通過調諧馬達實現電容值的變換。

圖3 匹配網絡示意圖

3.1.6 天線交換開關

天線交換開關系統主要包括主備用發射機的數據采集系統、基于CPLD數據邏輯處理與分析系統、用戶界面操作與顯示系統等。

3.2 音頻系統

音頻系統主要是基于FPGA+DSP平臺完成發射機數字調制器的設計，其核心是完成對音頻信號調制處理、載波合成及控制輸出，如圖4所示。

音頻系統主要包括音頻信號采樣及處理、音頻采樣率轉換、音頻+直流、功率控制、指標補償等。

3.2.1 音頻信號采樣及處理

音頻處理板ADSP-21489通過對外部芯片ADAU1961配置完成對模擬音頻48kHz采樣率信號的接收。同時，利用內部SPDIF接口完成外部數字信號輸入的接收。音頻信號處理包括了FIR低通濾波器和CIC內插補償濾波器等單元。

圖4 音頻系統處理流程框圖

3.2.2 音頻采樣率轉換

輸入音頻信號采用標準的48kHz采樣率，與載波信號一般不成整數關系，因此本系統設計采用了二次自適應采樣率轉換方法來實現。ADSP-21489內部集成了異步采樣率轉換器，通過DSP中的異步采樣率轉換和FPGA同步采樣率轉換實現將信號的采樣率提升至載波頻率上。同步采樣率轉換利用CIC內插濾波器實現。

3.2.3 音頻系統射頻處理單元

射頻處理單元是根據實際載波需要，將音頻數據進行載波合成輸出。利用FPGA內部的鎖相環PLL模塊，通過設計分頻子模塊分頻得到1/8載波頻率、8倍載波頻率、載波頻率等所需的各頻率分量。

3.2.4 音頻 + 直流

經過采樣率轉換的音頻信號Audio，利用加法器疊加一個直流值DC，得到12bits復合音頻輸出信號。后級調制編碼分配板根據接收的12bits信號數據，經過編碼分配和載波頻率控制實現音頻信號調制。

3.2.5 功率控制

功率控制主要包括以下幾個功能:

（1）開機功率等級控制（高、中、低）；

（2）功率微調（升功率操作、降功率操作）；

（3）步進升功率及功率反饋控制。

圖5 調制器控制系統框圖

3.2.6 指標補償

對發射機的頻響和失真指標提升，在DSP中利用算法實現。頻響補償利用多組濾波器將信號頻段進行分段處理，射頻功放非線性失真使用預失真技術，利用Volterra多項式預失真器實現對基帶音頻信號的預失真補償，降低輸出信號的諧波和互調失真。電源紋波補償是為了提高發射機雜音電平指標，通過利用外部AD取樣芯片實現對電源電壓反饋信號高速取樣，并在FPGA中利用乘法器實現對實時反饋電源紋波信號的抵消處理，降低雜音電平。

3.3 控制和保護

MF200多頻中波發射機控制系統主要由主控板、數字量板、模擬量板、多頻切換模塊、上位機顯示操作界面構成，如圖5所示。其中主控板主要由32位PIC處理器和FPGA組成，共同完成對發射機的相關控制，主控板FPGA主要采用多通道DMA數據采集傳輸控制器以及通用可擴展的數據總線接口實現對主控板外設輸入、數字量板、模擬量板、音頻板等板卡的數據采集和傳輸，最終交由32位PIC單片機對系統進行相應控制處理；數字量板主要實現對發射機各數字信號的實時采集，并通過DMA數據通信總線傳輸至主控板，接受主控板相應執行命令并輸出控制信號；模擬量主板要實現對發射機各模擬量狀態進行實時采集，并通過DMA數據通信總線傳輸至主控板；多頻切換模塊主要是在發射機換頻播出需要對發射機輸出匹配網絡的調整、載波頻率的設置檢測、音周以及駐波比檢測參數等進行切換；上位機顯示操作界面主要實現發射機各狀態顯示、開關機等具體操作、發射機運行數據保存以及換頻調諧操作等功能；音頻板完成數字音頻抽樣率變化，功率控制，預失真矯正處理，然后打包成16倍載波頻率串行信號傳輸給射頻音頻分配板。

MF200多頻中波廣播發射機內設計了各種監測與保護電路，主要有溫度、風量、弧光以及駐波比等監測與保護電路措施，可以確保發射機設備安全。

3.3.1 溫度監測

整流柜可控硅、續流二極管、250V電源濾波電感以及放電板上均安裝了溫度開關，用于檢測相應設備的溫度情況。當有設備的溫度超過一定值時，溫度開關就會動作，產生相應的監測信號送至調制器控制器進行處理。

3.3.2 風量監測

每個機柜均設有風量檢測板，用于監測相應機柜內的風量情況。當有任何一個機柜的風量異常時，發射機會降功率直至關機，從而保護設備。

3.3.3 弧光監測

在機器功放機柜和網絡機柜內均安裝了弧光檢測板，用于監測機柜內有無打火情況。當有機柜內出現了打火情況，弧光檢測板檢測后輸出故障信號，發射機會降功率；若打火現象一直存在，發射機將關機保護設備。

3.3.4 駐波比取樣保護

駐波比取樣保護包括自動切換控制電路、網絡電壓與電流調諧、幅度調整電路等電路。它能根據調制控制器發送來的3比特頻率信號，啟動自動切換控制電路產生控制信號，分別對天線電壓、天線電流、網絡電壓、網絡電流取樣信號進行一系列的處理，獲得網絡駐波比、天線駐波比取樣信號和相位檢測信號，供調制控制器進行相應的處理，用以保護發射機。

3.4 400kW假負載

400kW風冷假負載是國家廣播電視總局五六一臺自主研發的一種大功率假負載。它采用定制的80根12千歐，標稱功率為5kW，誤差為±5%的大功率無感空心繞線電阻并聯組成，輸出阻抗為150歐姆左右，最大可承載功率為400kW，大于載波200 kW的1.5倍，熱狀態時單個最大承受功率為5kW，大于載波時的2.5kW，滿足功率設計需求。該電阻采用空心繞線電感，具有良好的通風效果，可通過風機進行強制冷卻，特殊工藝制作，溫度飄移小，在熱狀態下工作穩定，利用不銹鋼卡箍進行固定，連接可靠，接觸電阻小，假負載實物圖如圖6所示。

圖6 假負載實物圖

4.電源部分

多頻機電源由3Φ197VAC、3Φ380VAC、+250VDC、+125VDC、+48VDC以及+12VDC組成，如圖7所示。

圖7 電源組成框圖

5.技術創新點

主要技術創新點:

5.1 中波發射機多頻自動切換技術

功放單元采用自主專利技術的直接數字驅動功放模塊，省去了類似DX發射機的射頻前級驅動放大部分。射頻濾波輸出采用兩級輸出網絡，即輸出匹配網絡柜及Π網絡柜，并用真空斷路器切換網絡電感，步進電機控制真空可調電容的方式，從而將射頻網絡調整到所需的參數，實現完美調諧。

5.2 直接數字驅動技術

直接數字驅動功放模塊采用差分PECL平衡輸入，從而減少射頻輸出對輸入的影響。另外，采用了可編程邏輯器件PAL22V10以及大量的貼片芯片，大大提高了模塊的集成度。

5.3 輸出網絡自動快速切換技術

輸出匹配網絡主要包含兩個部分:一是用于阻抗匹配的真空電容和電感，以及分段切換的4個斷路器和改變可調真空電容值的4個調諧馬達；二是用于調諧控制的輸出匹配網絡切換控制板。

5.4 非線性數字預失真技術

由于功放模塊合成非線性、電源紋波等原因造成直接數字驅動功放模塊合成具有非線性。因此必須經過預失真補償技術才能達到甲級標準。該系統在數字域采用多波段預失真技術解決分線性失真問題。從而滿足發射機技術指標非線性失真的要求。

5.5 駐波比檢測電路自動切換技術

采用駐波比檢測電路自動調整技術，能夠根據設置頻率自動切換到相應參數，從而保證發射機在高效換頻后能夠安全可靠地工作。

6.應用情況

MF200多頻中波廣播發射機于2016年12月13日17:00起，在五六一臺甲機房試播江西新聞綜合頻率（729kHz），至2017年6月13日17:00止，共計試播3023小時12分09秒。試播期結束后，作為甲機房三部DX發射機的公用備份機。截至2019年4月，共計代播7次，代播時長95小時13分，減少停播時間約22446秒（合6小時14分6秒）。

結語

MF200多頻中波發射機是自主研發的新一代大功率中波廣播發射機，多項技術在國內國際屬于首創，發射機系統布局合理，工藝先進，運行穩定可靠，試播半年，作為五六一臺甲機房公用備份機已運行二年多，各項指標都達到了國家規定的甲級，整機效率可達90%以上，高于DX200中波發射機的整機效率86%，其科技自主創新程度高，打破了國外對中波廣播發射機的技術壟斷，該發射機研制成功在我國大功率中波廣播發射機領域具有戰略意義和社會價值，值得大規模推廣運用。