大功率短波发射机PSM原理探析

大功率短波发射机PSM原理探析【摘要】本文对进口TSW2500型500KW短波发射机PSM原理展开阐述，并与美国大陆公司的PSM实现原理及优缺点进行对比分析，结合发射机实际电路进行对线路原理进行了详细说明。

【关键词】短波发射机;PSM;PDM（PWM）;FIFO1.前言脉冲阶梯调制（PSM）是把音频模拟信号转换成数字信号，再应用数字处理技术将其输出叠加成能够反映音频信号变化规律的阶梯波形。

PSM发射机的特点是把传统板极调幅发射机的主整和调幅器合二为一，并把主整电压化整为零。

例如由52套整流电源组成电压相同的电压源，某时刻按照音频信号变化要求的输出电压（与调制信号相应），由不同数量的电压源串联叠加，因此产生一个阶梯型的输出电压（如图1所示），经低通滤波器滤去阶梯纹波，形成直流叠加音频成分的高压，送往高频末极进行板调，因此，PSM发射机仍属于板极调幅。

图1 阶梯型电压脉冲阶梯调制器（PSM）为射频末极提供所需的幅度调制电压，调幅电压是在直流分量（对应于载波）上叠加着音频分量（对应于调制），如图2所示。

图2 PSM发射机原理方块图PSM基本原理：脉阶调制器把主整和调幅器合二为一并把主整电压化整为零，即其主整由多套低压整流器串联组成。

一套低压整流器的直流输出电压和IGBT组成的电子开关再加上相应的DF，称为一级PSM开关。

图3 PSM原理示意图开关S（IGBT）受音频信号和直流信号经模数转换及逻辑电路而产生的控制信号制，在t0时刻所有开关级均被拉开，二极管DF链的输出端A对地电压为0;在t1时间有一级PSM开关（可以任意52级中的一级）被合上，电流从这一级PSM开关中产生，然后流经非对应的51组空转二极管到负载（RF末级电子管），时间t2，第二开关级（除已被合上的任一级）被合上，这时A点输出电压为2×Us（Us为一级台阶电压）。

从图3可以看出：采用直接方式进行（粗台阶调制）PSM有2个问题：（1）输出电压的量化以模块输出电压为台阶，失真较大（阶梯纹波造成）。

（2）各模块的负载不平衡。

第一次合上的模块导通时间最长，第4次合上的模块导通时间最短。

为此，采用PDM（PWM）脉宽调制补偿，称为细调幅，可以：（1）提高量化精度，大大减小失真。

从图3可以看出，采取辅助的脉冲宽度调制，提高了量化的精度，大大减小了失真。

（2）采取模块先进先出的原则（FIFO），使各模块的平均负载基本相等。

（3）PWM如何减少实际的FMS（模块开关频率）。

图4 脉宽调制PWM2.TSW2500型500KW短波发射机PSM介绍2.1 概述PSM输出一个幅度调制的电压，作为射频末级的屏压。

当无调制时，PSM 输出对应载波状态时的直流电压;满调幅时，输出电压在0至2倍直流载波电压（2UA0）之间。

PSM提供载波功率和调制功率。

TSW2500型500kW短波发射机PSM开关放大器由52个独立的电压源（又称开关单元）组成，如图7所示，它为发射机的高频末级提供幅度调制电压。

在载波状态下，有24级开关单元接通（相串联），送出13.8KV（24*590=14.16KV）的直流电压给高频末级;在m=100%时，在调制峰点48级开关单元接通，开关放大器输出约27.6KV，在调制谷点全部开关单元断开，开关放大器输出为0。

因此，PSM开关放大器的输出瞬时电压的变化范围为0～27.6KV。

与美国大陆公司的PSM系统相比较，该系统具有以下优点：（1）PSM控制系统以及双功率模块控制板全部采用单片机和DSP数字信号处理器来实现各种控制、运算功能。

提高了系统运行的稳定性和可靠性，同时也便于系统的升级。

（2）发射机的三大电声指标好，基本上在各频段都可达到甲级。

（3）内嵌在系统内部的自检系统具有强大的在线测试功能，外接计算机通用串口和通用超级终端程序，直接检测每个模块的实时运行数据。

（4）功率模块采用高速数字信号处理器实现对模块的各种保护逻辑，相对于分立元件来说速度更快，可靠性更高。

（5）对控制系统和双功率模块可通过简单的软、硬件升级实现数字DRM广播。

2.2 设计原理52个功率模块设计成26块双功率模块。

每块双功率模块是一个独立的单元，由PSM变压器的一组次级线圈供电。

本机共有2台PSM变压器，一台为△接法，另一台为Y接法，每台PSM变压器为13块双功率模供电，如图5所示。

在PSM 控制系统的控制下，52个功率模块中的每个都作为一个单独的电压源（US），通过开关元件（S1～S52）独立合、断。

所有功率模块相串联，模块链路的一端接地，另外一端经低通滤波器接到射频末级管屏极。

图5 PSM调制器链路简图2.3 可靠性和冗余度每个功率模块都并联一个空转二极管（FD），如果某个功率模块关断，模块链路不会因此而被切断，电流通过空转二极管形成通路。

2.4 粗台阶调制（CSM）PSM是通过合断一定数量的功率模块产生射频末级屏压，假设开始输出电压为零，那么在某个时刻第一个功率模块合上后（可以是52个功率模块中的任一个），输出电压会增加到一个大台阶电压值。

电流流经关断模块的空转二极管，再经低通滤波器到达射频末级电子管屏极。

图6 粗台阶调制PSM控制系统监测所有功率模块以及它们的负载平衡情况，并根据输入的音频信号和载波功率预设值来计算需要合上的功率模块数。

随着合上模块数量的增加，输出电压也会相应增加，通过改变合上模块的数量，输出电压可以由零增加到载波电压的2倍，如图6所示。

当无音频信号时，则只产生射频末级输出载波功率所需要的直流电压;根据输入音频信号的大小，输出电压可在0至2倍直流载波电压之间变化，瞬时合上的功率模块数会在0～2nT（nT为载波时开通模块数）之间变化。

2.5 细调制粗台阶调制显然不能提供精确的输出电压，通过在粗台阶调制中插入PDM 脉冲来补偿粗台阶调制所产生的误差，如图7所示。

PDM脉冲电压的幅度等于一个粗台阶电压，脉冲宽度与瞬时误差成比例。

所有的功率模块都可用来产生PDM脉冲，PDM开关频率由低通滤波器滤除，在射频末级电子管的屏极得到理想的无失真调幅包络。

图7 细调制（加“PDM补偿”）3.PDM（PWM）调制原理3.1 美国大陆公司PDM的制作原理把顶底电压差为一个阶梯门限电压Us的三角波信号ΔU，重叠于音频和直流控制电压（UΩ+UDC）之上。

如图8所示，这样，不论误差信号大小如何，都可以多合一级PSM开关;在误差小的地方，多合一级PSM开关的时间很短，而形成很窄的PDM补偿脉冲，而在误差电压大的地方，多合一级PSM开关的时间较长，因而形成较宽的PDM补偿脉冲;直到误差电压趋近于一个阶梯门限电压Us时，多合一级PSM开关的时间趋近于叠加三角波的一个周期，相应占空系数K→1。

因为每个三角形周期出现一个补偿脉冲，所以三角波的频率就是PDM补偿脉冲的开关频率，一般为70～120KHZ。

由图8可见：在每个三角波周期内，三角波都同门限电平相交于两点。

三角波趋升的交点是PDM脉冲的上升沿;三角波趋降的交点是PDM脉冲的下降沿，在上升沿处多合一级PSM开关，在下降沿处拉开一级PSM开关。

PDM脉冲占空因素的大小，取决于误差电压的大小，误差电压为零时K=0;误差电压近似于1个阶梯控制电压时，K→1。

图8 PDM补偿脉冲示意图PDM补偿脉冲的占空因素介于0与1之间，这等效于可以合上小于一级的PSM开关，因此由PSM调制器输出到被调级的直流屏压的可调量，并不局限于一级PSM开关的输出电压，而是可以均匀调节的。

PSM机抑制失真措施主要有二个：（1）滤波阶梯纹波（2）制作PDM补偿存在问题：开关频率及其谐波频率能被滤除，事实上主整变压器的次级绕组的漏感差引起它的输出电压不平衡，这导致落入音频通带内杂音，其频率一般为开关频率fC对开关总数的分频。

实现电路用快速变换器，复合信号（DC+UΩ+US，即直流+音频+三角波）与48个比较器的门限电位作比较，48个比较器输出经48个触发器，再经48路等值内阻合成A信号输出。

图9 “A”信号图图10 实现电路方框图J移位寄存器以Y信号为时钟信号，Y=1时上升沿，所以J移位寄存器的“1”信号从最低位到最高位每占据一位，就出发一个对号的J-K触发器的Q=1，合上一级PSM开关;此后即使J 从1翻转为0，只要同一号的JK触发器K仍为0，则Q保持为1，已合的PSM 开关也保持为何合上。

图11 J移位寄存器工作原理图解3.2 瑞士TSW2500型500KW机PWM制作原理主要在YCP15（PSM运算器）中实现。

图12 PSM运算框图YCP15输入信号的数值范围为0至1-2-15，对应于PSM输出电压范围是0～100%（即对应调幅度为0～100%）。

此值与电压调节器的校正系数K相乘得到一个字r，其数值范围仍然为0至1-2-15，显然r也对应输出电压范围是0～100%。

根据以上的分析，为获得所需要的电压，必须开启的功率模块数n计算如下：n = N·r其中：N：为PSM功率模块的总数，r：为调节器初始值（0…1-2-15）r为调节器的校正系数K与输入音频信息S（包含DC+AF）相乘产生，相当于大陆公司100KW机的复合信号（DC+UΩ+UΔ）与10V基准电压的比值（0～1）。

因为合上的模块数量自然要为一整数，而n=N·r通常情况下不是整数，大台阶（CSM）和实际信号之间的这个差距是由脉宽调制PWM来补偿。

大台阶调制CSM的值和脉宽调制PWM的值，是通过EPROM（A3、A4、A5）直接计算得来的。

CSM满足如下关系式：nCSM=INT（N*r）显然，nCSM 的最大值nCSM max为：其中：N<215因此，最多只有N-1个功率模块用于CSM调制。

也就是说，必须保证始终有一个功率模块用于执行PWM。

本单元是通过在EPROM中查表（lookup table）来决定是哪个功率模块用于执行PWM的。

对于CSM调制所不能达到的动态范围，则利用PWM调制的方法来补偿。

PWM满足如下关系式：nPWM=n-nCSMnPWM的数值范围是：0≤nPWM&lt;1（1）CSM发生器B为CSM要求的数值ncsm（相当于大陆100KW机的A信号），A来源于可逆计数器，对应已合上的功率模块数（相当于大陆100KW机的Z信号）;当B&gt;A时，比较器送出CSM-ON信号，用于合上一级PSM开关; 当B&lt;A时，比较器送出CSM-OFF信号，用于断开一级PSM开关。

比较器ON端每送出一个脉冲，可逆计数器加1，即使B加1;比较器OFF端每送出一个脉冲，可逆计数器减1，即使B减1。

当A=B时，ON和OFF两端均无操作脉冲输出，PSM 开关合上的数量维持不变。

CSM发生器产生开启和关闭命令用于粗台阶调制，使用一个固定的开关频率100KHZ（大陆公司70—120KHZ，可变），除去损坏的功率模块后，始终有一个（剩余的）功率模块用于PWM。