模拟至数字可升级发射机

模拟至数字可升级发射机      随着全世界范围逐步推行地面数字电视，许多广播业者正在为未来提前规划和做预算。在大多数情况下，模拟业务还必须继续若干年，而新数字接收机或机顶盒的普及也不够快。必须更换旧和老化模拟发射机的广播业者必须作出一个商业决定。     他们有几种选择：（1）继续使用旧发射机，希望没有严重问题发生；（2） 用新机更换旧机；（3）购买已为数字和模拟工作优化的新型发射机。第一种选择可能风险最大。假如发射机出故障或需要维修，零配件可能很难找到。此外，旧设备的维护人员也较难找到。第二种选择非常安全，但如果新买发射机只是一个标准模拟设计，那么很难使之适应数字运行。本文关注第三种选择。     模拟和数字的区别     模拟和数字调制标准在特征上各不相同。虽然模拟电视和数字电视都使用调幅射频，但是还有一些重要的实际差别。模拟系统有两个独特的RF信号—FM伴音信号和AM图像信号。由于伴音RF载波是调频的，所以功率恒定不变而且不需要线性放大器。大部分CCIR标准都是采用负极性图像调幅，发射机一般被额定在其峰值图像功率输出上。对于模拟电视系统，平均RF功率电平将明显地随着图像电平的变化而改变。     模拟发射机因图像电平变化引起的平均图像功率较大的变化招致几种设计挑战。RF功放的直流电源必须因AB类放大级吸收的不同电流而进行负载调整。RF功放必须设计成允许因不同RF功率引起的热变化。如果补偿不适当，会发生无法接受的图像失真，包括过冲、行倾斜和场倾斜。典型的补偿方法包括快速动作AGC电路或动态偏压控制，以消除不需要的设备增益变化。     不管节目内容是什么，当前的全部数字格式，COFDM和8-VSB形成恒定的平均RF功率，发射机的额定功率通常受其平均功率输出所限。     另一个重要区别是在峰值与平均功率比（PAR）上。数字系统中，通过相当长的时间周期的测量，PAR保持在稳定数值上。从统计上看，DVB-T信号可相仿二维高斯过程。1属于DVB-T，PAR数字有点不依赖滤波。对于8-VSB ATSC信号，PAR数值由频谱整形滤波器的滚降系数设定。实际上数字系统的峰值与平均值之比DVB-T是9.5dB, ATSC是7.0dB。     当前的数字调制方案的相对较高的峰值与平均值之比，导致对发射机RF级有较高的峰值功率处理要求。如果会达到良好性能，则放大器非线性和预校正是重要的设计方向。实际上模拟和数字系统需要的预校正类型是相同的。在带宽和调制范围内都需要相位和幅度校正。然而为了达到最佳性能，这种校正的调整对模拟系统和数字系统各不相同。比如，模拟图像调制不像数字调制那样处理RF载波夹断。数字预校正技术是近年来发展起来的，用现代PC支持的调整方法取代老式模拟设计方案目前的手动微调。在更新型的系统中校正参数完全是软件可寻址的，可存储在存储器里（查找表），还可以根据频率和线性要求选取。     非常见的放大方法       图1 外双工发射机 图2 公共放大发射机    表1 10kW发射机的放大器效率比较 (哈里斯测得的数据)     大部分（如果非全部）中—高功率模拟电视发射机使用常被称作“分离放大”或“外双工”运行。这种系统对图像RF信号和伴音RF信号完全采用独立放大线路。外双工系统实施简单易行并可提供良好性能。通过采用分离放大，放大器能为图像或伴音工作而被适当最优化，使系统功效最高。     对模拟发射机不太常用的一种方法是“公共放大”。这种方法常用于小功率（最大约2kW左右）固态发射机，因为实现这种发射机花费较少。从历史上看，大部分制造商对大功率等级尚未考虑过公共放大。这种方法有几个缺点—效率和性能至今还是主要问题。然而，当今几乎全部大功率IOT发射机的现行设计对模拟工作都采用公共放大。先进的预校正方法给予很好的互调性能，而且图像/伴音交调自由。图1表示外双工10kW发射机的RF简化流程图。为使性能和效率达到最佳，能够使每个放大器块最佳化（比如，伴音PA功放级使用C类放大器）。实际上，大部分设计师都选择同等的图像和伴音放大器，以便容许互换性并简化备件要求。     图2表示公共放大发射机的RF方框图。请注意天线共用器已被滤波器取代。采用互调失真（IMD）滤波器，以减少因AB类功放级产生的不需要的三次互调份量。采用数字预校正方法可将通道内IMD电平校正到可接受的电平。能达到-60dB典型值，远低于可见图像损伤的门限值。     这种方法有许多优点。比如，全部RF功放可以相同且并联。由于它们是并联工作，所以可大大减少备份。万一一个放大器需要卸下去维修，其余的放大器可以在总输出功率减小的状态下工作。经过比较发现，外双工系统中只有很少的伴音放大器，因为伴音功率一般只有峰值图像功率的10%。例如，在5kW或10kW发射机中，有时也许只有一个伴音放大器，第二个伴音放大器可能是供选用，但增加了硬件费用。     公共放大一般提供较低的DC功率到RF功率效率。这要归功于所需的附加峰值功率处理余量，加上线性工作所需的任何补偿，以保持IMD分量在控制之下。只要精心设计，这些限制几乎可以避免。事实上，放大器效率的差别可以很小，表1概括了10kW放大器在外双工和共放模式中DC到RF的功效。在此例中，外双工系统采用七个图像PA（功放）和一个伴音PA，而共放系统采用8个功放并联工作。     数字升级—保持简便     尽管也许为效率付出极小的代价，到升级为数字工作之时，共放向外双工提供一种特有吸引力的选择。如图1红圈标示，数字转换将需要更换激励器/调制器和RF系统。此外，伴音RF线路需要废弃或拆出，因为它对于数字信号使用的图像RF通路有特别重要的意义。如果功率输出需要最大化，也许要使用伴音放大器，然而需要更换RF功分器和梳状滤波器。另一个缺点是天线共用器将没有用处，必须换成合适的掩蔽滤波器。其它部件如功率表头、峰值检测器等可能也需要更换或调整。图2红圈标示处为数字服务而升级共放发射机。在此图例中，升级数字通路特别简洁。必须改动（或更换）激励器/调制器，可能还有RF检测器和表头，而系统的其余部分不需要明显的改变。相同的RF通路可再次使用，甚至输出滤波器也可用作数字电视掩蔽滤波器，如果它本来就被适当规范成适合这两种应用。     共放方法显然为将来的数字升级提供了一种漂亮方案。对原始系统会有更多的再使用，因此，转换费用显然较低。     模拟和数字工作用的激励器     上述两种发射机转换方案中，即外双工系统或公共放大发射机，必须更换激励器。但是，如果有一种组合激励器调制器可以用于模拟或数字工作怎么办呢？事实上，这种概念已经在现行的产品建议书中被验证。其设计基于现场验证的DVB-T激励器，能够处理模拟视频和伴音信号的数字调制器与NICAM，双载波或BTSC立体声一同使用。图中所示的例子可以在初期当作PAL或NTSC激励器使用，后来在硬件改动最少的情况下升级为DVB-T工作。     图3表示模拟发射机配置方框图，包括数字信号调制器，它把视频和音频模拟基带信号处理为一个364MB/s的I/Q串行信号，紧随其后的一级包含数字I/Q预校正级和D/A转换器，然后按普通方式使用UHF上变频和线性放大处理此信号。     图3红圈标示表示为DVB-T服务改动后的发射机系统。要求唯一的明显硬件改变是更换带COFDM编码器的数字信号调制器。其它全部部件与模拟发射机的相同。为使数字性能达到最佳，此系统被重新配置，增添DVB-T硬件和新的软件，这是从外部PC加载的。   图3 模拟工作的发射机配置     电源考虑     模拟电视发射机的电源必须能够处理因使用高效AB类功放级引起的DC电流的变化。在黑白图像电平之间，电流汲取有明显变化。引线电阻、电感和滤波电容在决定系统性能方面起着很大作用，因为黑白过渡能造成电压突然摆动，引起行时间和场时间失真性能较差。哈里斯公司采用的电源实施方法是将电源组合在PA模块组件里，使电压调节尽可能靠近放大器。此同一电源会正常工作，无需为数字信号作改动，此处负载调节、滤波电容和引线电感无关紧要。     “聪明的”功放       图4 模拟模式-10db/Div频谱显示    图5 模拟模式-调制的斜坡波形 图6 DVB-T模式-10db/Div的频谱显示     RF功放也必须能够应会模拟信号平均功率电平的变化，并提供高效率和良好的线性。测试表明，为良好数字性能而最佳化的放大器将对模拟信号工作得很出色。事实上，使用合成放大会减少随着调制变化引起的RF功率变化。这是因为恒定不变的伴音RF功率是图像/伴音合成信号的一部分。这样便减少了RF功率设备中热增益相关的变化。此外，RF载波从不会趋于零，即使图像过调。为了获得最好的线性，选用了LDMOS功率器件，在整个UHF TV频段上（IV/V波段）是全宽带设计，具有简单而快速的换频道能力。机载控制器通过系统主控器引出的串联总线按插件提供完全保护和控制。     也是由此控制器和补偿UHF频段上小小的增益变化来自动处理模拟和数字模式的性能最佳化。这是通过生产厂预编程的查阅表完成的。     模数性能     采用激励器内置的数字I/Q预校正器使这两种模式提供优良性能。频谱分析仪显示表明，很好的频道内IMD性能是可以实现的（典型值为-60dB）。全部视频和音频参数都在模拟发射机的标准可接受电平范围之内。     此例中使用的激励器有一个DVB-T编码器插件。直接用DVB-T编码器插件更换模拟插件，然后安装上合适的硬件和软件，于是几分钟之内，发射机便可转换成DVB发射机。图6表示总的幅度/频率和肩形电平性能。带外相邻频道的RF性能可能被定制成适合因选用合适的滤波器而提出的标准的或严格的掩蔽要求。测得的数据表明，全部严格的DVB-T性能参数完全达到，只有调制误差系数（MER）超出了3dB。     结论     电视发射机的典型寿命是18年。对于正过渡到地面数字系统的许多国家，带简化数字升级能力的新型模拟发射机具有经济意义。再次利用全部主要部件大大节省了未来投资。即使数字过渡计划涉及到需要数字和模拟发射并存的电视和无线电同播时段，模拟系统也能重新安排并在不同地点使用或作为备份。     此外，使用全宽带、频率捷变设计，在数字频率与模拟频率不相同时很容易改变频道。作者：Martyn J. Horspool 哈里斯公司广播通讯部 信息来源：依马狮网