劉天宇

（中央廣播電視塔，北京 100142）

0 引言

中央廣播電視塔（以下簡稱中央塔）播出機房在發(fā)射機更新改造后，使用一款哈里斯Flexiva FM緊湊型發(fā)射機，是當前比較新型的FM/CDR 廣播發(fā)射機[1]。這部發(fā)射機結(jié)構(gòu)緊湊，占地空間小，易于安裝到標準的19 英寸機柜，僅占用3 個RU 空間。由于這一系列的發(fā)射機在技術(shù)原理和維護方面具備較高的一致性，本文僅以實際使用的FAX 1 kW型號為實例，對其技術(shù)原理與維護使用進行分析，望對其他兄弟臺站的使用維護工作提供幫助。

1 Flexiva 緊湊型發(fā)射機技術(shù)原理分析

1.1 發(fā)射機工作原理

Flexiva 緊湊型發(fā)射機有3 種功率等級配置：50～150 W、300～1 000 W 和2 000～3 500 W。發(fā)射機可在以下3 種工作模式中任意一種模式下工作：一是模擬調(diào)頻模式，PA 模塊工作在C 類放大模式，此時效率最大化；二是模擬調(diào)頻和數(shù)字（HD/CDR）混播模式，混播射頻信號在同一個功率放大器中放大[2]，中央塔目前使用此模式，在這種模式下，PA 模塊工作在AB 類放大模式，因為數(shù)字信號需要線性放大器；三是純數(shù)字模式，在這種模式下，PA 模塊也工作在AB 類放大模式。Flexiva緊湊型發(fā)射機既可用作獨立機柜式安裝發(fā)射機，也可用作大功率發(fā)射機中的激勵器。

1.2 發(fā)射機內(nèi)部組成

FAX 系列發(fā)射機包含一個通用的內(nèi)置激勵器（調(diào)制器）和一個通用的前面板液晶顯示器與前面板控制，控制系統(tǒng)具有遠程GUI 界面。1 kW 型號有兩個PA 模塊，因此需要一個分配器和一個合成器。兩者共享一個底盤通用的內(nèi)置電源。發(fā)射機框圖如圖1 所示。

圖1 Flexiva 緊湊型1 kW 發(fā)射機框圖

電源可以通過設(shè)置菜單從44 V 調(diào)整到52 V 直流。電壓的設(shè)置取決于運行模式下的最佳效率和頻譜性能。拆卸發(fā)射機的前面板后可以看到電源模塊。雖然更換電源模塊時可以不切斷發(fā)射機的交流電源，但由于發(fā)射機只有一個電源，電源模塊被切斷或者故障將使發(fā)射機關(guān)機。電源標稱修正功率因數(shù)＞0.98，交流輸入和直流輸出通過電源接口板連接。直流輸出被分配到每個PA 模塊、前置放大器/分配器板以及調(diào)制器板。系統(tǒng)中所有其他電壓均由48 V 直流電調(diào)節(jié)。

調(diào)制器板的調(diào)制射頻直接送到前置放大器/雙路分配器。前置放大器的功率最高可達50 W，并配有一個偏置電路，可用于設(shè)置功放為C 類或AB類工作。調(diào)制器板的輸入通過兩個射頻衰減器，衰減器的輸出阻抗與推挽結(jié)構(gòu)的FET 器件的輸入阻抗相匹配。RF 器件的輸出經(jīng)過濾并直接送到發(fā)射機上的分配器。此分配器可以通過添加部件以使其成為6 路分配器。電路板的傳感溫度會被送回調(diào)制器進行監(jiān)控。分配器為兩個功放模塊提供驅(qū)動，然后將它們合成在一起。這些功放模塊最高可輸出600 W 功率。

Flexiva 緊湊型發(fā)射機所有型號的前面板和調(diào)制器外觀一致。調(diào)制器板是一個直接到頻道的調(diào)頻調(diào)制器與內(nèi)置立體聲編碼器，還可搭載Exgine 卡用于數(shù)字模式。機房使用的FAX1K 型號使用一個IPA 分配器和兩個高效PA 托盤，它們在內(nèi)部合成在一起，產(chǎn)生高達1 kW 的射頻輸出功率。

FAX 緊湊型發(fā)射機還支持遠程控制，采用并口DB-25 母頭，通過發(fā)射機前端和后端的RJ-45 連接器提供網(wǎng)絡接口，允許通過以太網(wǎng)IP 地址在Web瀏覽器完全控制和監(jiān)視所有參數(shù)。

此外，F(xiàn)lexiva 系列發(fā)射機的冷卻系統(tǒng)采用多個內(nèi)部風扇強制空氣冷卻，消除信號產(chǎn)生和放大過程中產(chǎn)生的熱量[3]。

1.3 調(diào)制板功能

調(diào)制器板在緊湊型發(fā)射機中起到高質(zhì)量數(shù)字調(diào)頻激勵器的作用，還包括發(fā)射機監(jiān)控電路和后面板輸入連接器總組件。調(diào)制器板框圖如圖2 所示：

圖2 調(diào)制器板框圖

調(diào)制器板的核心是完全可編程的多任務現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA），它有兩個主要功能：接收音頻輸入并產(chǎn)生調(diào)制的立體聲/單聲道調(diào)頻信號，以及監(jiān)控發(fā)射機的關(guān)鍵功能操作。前面板LCD 顯示組件直接與FPGA 連接，方便操作人員與發(fā)射機交互。

除射頻輸出、交流輸入和以太網(wǎng)外，所有發(fā)射機的輸入/輸出（I/O）都是通過調(diào)制器板的。調(diào)制器通過RS-485 接口與控制顯示板通信。調(diào)制器從系統(tǒng)的主電源獲得直流電壓，然后將48 V 直流電調(diào)節(jié)到所需的其他電源上。有一個12 V 直流7 A電源，被分配到系統(tǒng)中需要的其他電路板上。遠程遙控和高功率放大器的發(fā)射接口由調(diào)制器控制。

所有進入調(diào)制器的模擬音頻信號包括L&R、SCA 及MPX 都經(jīng)過過濾，通過一個平衡放大器，然后發(fā)送到A/D 轉(zhuǎn)換器。A/D 轉(zhuǎn)換器的輸出再送到FPGA。在送入FPGA 之前進行AES 音頻采樣率轉(zhuǎn)換。調(diào)制器電路板的主要參考時鐘是一個 40 MHzOCXO，其在-20～+70 ℃的穩(wěn)定度為±200 ppm。40 MHz 時鐘可以鎖定GPS 時鐘的外部10 MHz 或外部1 PPS 信號。40 MHz 的頻率被緩沖并送到FPGA，由FPGA 和D/A 轉(zhuǎn)換器控制。40 MHz 時鐘也是720 MHz 鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）時鐘的參考，用于從FPGA 輸出的I 和Q 信號生成FM 信號的D/A 轉(zhuǎn)換。FPGA 生成FM信號，并與傳入的音頻、SCA 和RDS 進行調(diào)制，此信號以I/Q 的形式離開FPGA。然后將I 和Q 信號轉(zhuǎn)換為88～108 MHz 范圍內(nèi)指定頻率的模擬信號。轉(zhuǎn)換后的D/A 經(jīng)過濾波，通過一個選擇內(nèi)部調(diào)制器或外部射頻源的射頻繼電器。所選射頻信號傳遞到一個可變衰減器，該衰減器控制最后到放大器部分的電平。最后放大器在調(diào)頻模式可以產(chǎn)生高達 4 W 的輸出。設(shè)備有一個定向耦合器，提供前向和反射功率采樣的計量，起到保護作用和內(nèi)部自動增益控制（Automatic Gain Control，AGC）。

1.4 控制顯示板功能

控制和顯示板是此系列緊湊型發(fā)射機的通用模塊，前后面板的以太網(wǎng)端口，發(fā)射機的開關(guān)方式和與調(diào)制器的RS-485 通信模式都具備一致性?？刂坪惋@示板與調(diào)制器通信，使操作人員可以通過前面板或遠程圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）輸入設(shè)置信息。調(diào)制器返回的狀態(tài)和讀數(shù)信息可通過顯示板液晶屏顯示。通過RS-485 協(xié)議和3 個其他的線路連接與調(diào)制器通信?？刂坪惋@示板的5 V 直流電源來自調(diào)制器，發(fā)射機的所有其他電壓都在該控制板調(diào)節(jié)。

1.5 發(fā)射機關(guān)鍵特性

發(fā)射機集成了直接數(shù)字調(diào)頻調(diào)制器，包括立體聲編碼器、AES-EBU 音頻和復合輸入、兩路SCA基帶輸入、Ext.10 MHz 和1 PPS 輸入，還有一路基于AES192 復合/MPX 輸入。發(fā)射機內(nèi)置諧波濾波器，內(nèi)置自動切換器，可切換到外部射頻源，具備暫態(tài)電壓抑制輸入交流電源功能。

發(fā)射機采用射頻坡式放大，以盡量減少開機瞬態(tài)沖擊。同時支持成比例的駐波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）功率回退，在降低功率到末端負載時保障安全工作。

發(fā)射機通過前面板控制和數(shù)據(jù)測量，內(nèi)置遠程控制、狀態(tài)和測量的并行接口，具備RFI 抗干擾和瞬態(tài)保護功能，還具備用于使用PC 遠程診斷的WebGUI 和用于基本網(wǎng)絡控制和監(jiān)測的SNMP系統(tǒng)。

2 發(fā)射機維護方法

2.1 日常維護

發(fā)射機整體從上方看大體由前區(qū)、中區(qū)、后區(qū)3 個區(qū)域組成。移除前面板可進入前區(qū)，移除上蓋可進入中區(qū)，中區(qū)包含分配器和PA 模塊；后區(qū)包含調(diào)制器、電源接口以及合成器組件。從側(cè)面看，發(fā)射機可以分為上下兩層：調(diào)制器、分配器、PA 模塊及合成器占據(jù)上層，電源和電源接口板位于下層。此外還有一個支持熱插拔的PS 模塊，但對于1 kW型號發(fā)射機，如果在播出時拔出該模塊，發(fā)射機就會關(guān)閉，更換PS 模塊后，發(fā)射器將自動回到關(guān)機待機狀態(tài)。

為了最大限度地提高設(shè)備的壽命和可靠性，制定和堅持良好的維護程序至關(guān)重要。維護程序包括定期清潔，定期監(jiān)測功率、駐波比、電壓和電流讀數(shù)等，以檢測可能導致問題的任何偏差[4]。

2.2 空氣濾網(wǎng)更換

發(fā)射機前面板的空氣過濾網(wǎng)需要定期更換，更換頻率取決于機房內(nèi)的空氣質(zhì)量。當過濾網(wǎng)掛滿灰塵或污物，將減少空氣流量，從而導致模塊過熱乃至關(guān)閉。為此，機房采購了備用過濾網(wǎng)，以便在清洗和晾干原來的過濾網(wǎng)時，可以用新的過濾網(wǎng)交替使用。

2.3 定期清理及檢查

維護人員應定期打開發(fā)射機面板和上蓋，檢查灰塵情況并進行清潔，同時，還應該檢查是否存在電纜開裂或燒灼等逐漸損壞的跡象，如果有，應及時對相應模塊進行更換。

2.4 更換電源模塊

在本系列發(fā)射機中，配置為2～3.5 kW 的發(fā)射機上，PS 模塊是可熱插拔的，在發(fā)射機工作時可隨時更換，且任何PS 模塊都可以與位于其他位置的PS 模塊進行交換。但對于其他功率較低配置的發(fā)射機，由于只有一個電源模塊，如果其故障，需要將發(fā)射機關(guān)閉后進行更換操作。

3 發(fā)射機校準

3.1 單頻率正向功率校準

RF 前向功率在出廠前校準過，只有更換輸出定向耦合器才需要校準。在校準過程中，有兩個功率點必須進行校準，即發(fā)射機TPO 設(shè)置的10%和TPO 設(shè)置的100%。在這兩個點上校準，可以確保讀數(shù)在整個功率范圍內(nèi)的精度，而不必重新校準。如果發(fā)射機在調(diào)頻87.5～108 MHz 內(nèi)使用多個頻率，則需要進行射頻傾斜校準。

3.2 正向功率寬帶校準

當發(fā)射機用于N+1 系統(tǒng)的備用發(fā)射機或發(fā)射機需要在FM 頻帶內(nèi)作為多個頻率的備份發(fā)射機使用時，才需要使用寬帶校準程序。在校準過程中，有兩個功率點必須進行校準，即發(fā)射機TPO 設(shè)置的10%和TPO 設(shè)置的100%。在兩個點上校準可以確保儀表在整個功率范圍內(nèi)的精度，而不必重新校準。執(zhí)行校準時，發(fā)射機連接的假負載或天線必須能夠在調(diào)頻波段88～108 MHz 進行寬帶操作，且能滿足發(fā)射機的功率要求。

3.3 電源電壓設(shè)置

發(fā)射機允許設(shè)置電源的直流電壓輸出，以獲得最佳的C 類（FM）模式的整體效率，或獲得最佳的AB 類（HD）模式的頻譜性能。發(fā)射機電源允許設(shè)置在直流44～52 V。在C 類模式，電壓越低，效率越高。在AB 類模式需注意，不可將電壓降低到射頻輸出頻譜超過模板的程度。如果在數(shù)字模式下更改此設(shè)置，需關(guān)閉RTAC，并驗證電壓更改時頻譜性能沒有顯著下降。電源電壓可設(shè)置為每種模式（FM、FM+HD、HD）獨立存儲，如果要使用多個模式，則須為每個模式設(shè)置電壓。

3.4 頻譜傾斜設(shè)置

調(diào)整頻譜傾斜設(shè)置參數(shù)需要使用分析儀，此操作能夠從調(diào)頻發(fā)射機測量同步調(diào)幅噪聲，以獲取最佳同步調(diào)幅噪聲性能[5]。

4 結(jié)語

Flexiva 緊湊型發(fā)射機結(jié)構(gòu)精巧，便于安裝維護，且能夠大大節(jié)省機房空間。深入了解其工作原理和日常維護，對于日后安全播出保障、異態(tài)處理以及科研學習都大有裨益。