【摘要】中波廣播因其覆蓋范圍廣、傳播穩(wěn)定等特點(diǎn)，在農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)仍具有重要應(yīng)用價(jià)值。然而，現(xiàn)有中波廣播發(fā)射機(jī)普遍存在調(diào)幅非線性失真問(wèn)題，導(dǎo)致音頻信號(hào)失真、頻譜擴(kuò)展和相鄰信道干擾，嚴(yán)重影響了廣播質(zhì)量和傳輸效率。本文通過(guò)建立發(fā)射機(jī)調(diào)幅系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析了功率放大器特性和調(diào)制變壓器磁滯效應(yīng)等引起非線性失真的主要因素，提出了一種基于反饋補(bǔ)償和數(shù)字預(yù)失真相結(jié)合的混合線性化方案，顯著提高了中波廣播發(fā)射機(jī)的調(diào)制質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】中波廣播；發(fā)射機(jī)；調(diào)幅線性化；數(shù)字預(yù)失真；查找表

中圖分類號(hào)：TN92" " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " " " " " " " " " DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2024.24.005

隨著廣播技術(shù)的發(fā)展，中波廣播在農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)仍具有重要作用。然而，傳統(tǒng)中波發(fā)射機(jī)存在調(diào)幅非線性失真問(wèn)題，導(dǎo)致音頻信號(hào)失真、頻譜擴(kuò)展和相鄰信道干擾。為提高廣播質(zhì)量，亟須研究高效的調(diào)幅線性化技術(shù)。國(guó)際上對(duì)發(fā)射機(jī)線性化已有大量研究，但主要集中在射頻功放領(lǐng)域。本文針對(duì)中波廣播發(fā)射機(jī)調(diào)幅非線性失真問(wèn)題，研究了基于反饋補(bǔ)償和數(shù)字預(yù)失真的混合線性化技術(shù)，重點(diǎn)探討了非線性特性建模、補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)及其在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，為提高中波廣播發(fā)射機(jī)調(diào)制質(zhì)量提供了新的技術(shù)方案。

1. 中波發(fā)射機(jī)調(diào)幅非線性特性分析

1.1 調(diào)幅非線性產(chǎn)生機(jī)理

中波廣播發(fā)射機(jī)調(diào)幅非線性主要源于功率放大器工作特性。在放大器工作過(guò)程中，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)多級(jí)放大后，由于器件特性限制，會(huì)產(chǎn)生振幅壓縮現(xiàn)象。當(dāng)輸入信號(hào)較小時(shí)，輸出與輸入呈線性關(guān)系；隨著輸入信號(hào)增大，功率放大器進(jìn)入飽和區(qū)，輸出信號(hào)增長(zhǎng)逐漸變緩，致使輸入輸出特性曲線偏離理想直線。此外，發(fā)射機(jī)調(diào)制變壓器的磁滯特性也會(huì)引起非線性失真，表現(xiàn)為調(diào)制深度隨調(diào)制信號(hào)幅度變化而改變。

1.2 影響因素分析

影響中波發(fā)射機(jī)調(diào)幅線性度的因素包括器件參數(shù)和環(huán)境條件兩大類。器件參數(shù)方面，功放管的跨導(dǎo)特性、輸出阻抗特性直接決定了放大器的線性度；調(diào)制變壓器的鐵心材料特性、繞組匝數(shù)比會(huì)影響調(diào)制深度的一致性；濾波電路的頻率特性也會(huì)引起幅度和相位失真[1]。環(huán)境條件方面，溫度變化會(huì)引起器件參數(shù)漂移，進(jìn)而影響線性度；電源電壓波動(dòng)會(huì)改變功放管工作點(diǎn)，導(dǎo)致失真加?。回?fù)載阻抗變化會(huì)引起輸出功率波動(dòng)，影響調(diào)制特性。同時(shí)，長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中器件老化也會(huì)造成非線性特性惡化。

1.3 數(shù)學(xué)模型建立

為準(zhǔn)確描述中波發(fā)射機(jī)調(diào)幅非線性特性，建立了包含功率放大器和調(diào)制電路的數(shù)學(xué)模型。功放特性采用五次多項(xiàng)式模型：

（1）其中：x（t）為輸入信號(hào)，y（t）為輸出信號(hào)，ai為非線性系數(shù)。

調(diào)制特性可表示為：

（2）其中：s（t）為調(diào)制信號(hào)，m（t）為已調(diào)信號(hào)，k為調(diào)制系數(shù)，δ為非線性失真系數(shù)。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得到模型參數(shù)，建立起完整的非線性特性描述。該模型可有效預(yù)測(cè)系統(tǒng)失真情況，為后續(xù)線性化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2. 調(diào)幅線性化方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)中波廣播發(fā)射機(jī)的調(diào)幅線性化，設(shè)計(jì)了一套完整的線性化系統(tǒng)，其總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由預(yù)失真補(bǔ)償模塊、功率放大器、檢波器和反饋控制器等部分組成。預(yù)失真補(bǔ)償位于發(fā)射機(jī)前端，用于快速校正非線性失真；檢波器實(shí)時(shí)采集輸出信號(hào)包絡(luò)，反饋控制器根據(jù)檢測(cè)結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整補(bǔ)償參數(shù)，形成閉環(huán)控制，進(jìn)一步提高系統(tǒng)線性度。

圖1 中波廣播發(fā)射機(jī)調(diào)幅線性化系統(tǒng)框圖

2.1 反饋補(bǔ)償技術(shù)

在中波廣播發(fā)射機(jī)調(diào)幅線性化系統(tǒng)中，采用包絡(luò)反饋補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)失真校正。該方案通過(guò)在發(fā)射機(jī)輸出端設(shè)置檢波電路，采集已調(diào)信號(hào)的包絡(luò)信息，與輸入調(diào)制信號(hào)進(jìn)行比較，提取誤差信號(hào)。檢波電路采用高線性度的二極管檢波器，并配置溫度補(bǔ)償電路以消除環(huán)境溫度對(duì)檢波特性的影響。為提高檢波精度，選用肖特基二極管作為檢波元件，工作點(diǎn)設(shè)置在其線性區(qū)域，同時(shí)采用雙向限幅電路防止過(guò)載。誤差提取電路由高精度運(yùn)算放大器構(gòu)成，工作帶寬覆蓋10～15 kHz音頻范圍[2]。誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)處理后，疊加到調(diào)制信號(hào)上，形成閉環(huán)控制。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)包括可調(diào)增益放大器和相位校正電路，通過(guò)調(diào)節(jié)增益系數(shù)和相位延遲，使補(bǔ)償后的調(diào)制特性逼近理想線性特性。相位校正采用全通濾波器實(shí)現(xiàn)，可在0～360°內(nèi)連續(xù)可調(diào)。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)自動(dòng)增益控制電路動(dòng)態(tài)調(diào)整補(bǔ)償深度，確保系統(tǒng)在不同功率下都能保持良好的補(bǔ)償效果。實(shí)測(cè)表明，采用該技術(shù)可將調(diào)制深度非線性度從8%降至2%以下，音頻失真度降低至0.5%左右。

2.2 預(yù)失真補(bǔ)償技術(shù)

針對(duì)發(fā)射機(jī)的非線性特性，設(shè)計(jì)了基于查找表的數(shù)字預(yù)失真方案。首先采用高速AD采集發(fā)射機(jī)的AM-AM和AM-PM特性曲線，建立32K點(diǎn)預(yù)失真查找表。查找表存儲(chǔ)在FPGA內(nèi)部RAM中，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)地址映射訪問(wèn)查找表獲取預(yù)失真值。為提高精度，采用三次樣條插值算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的平滑過(guò)渡。預(yù)失真處理采用流水線結(jié)構(gòu)，時(shí)鐘頻率80 MHz，處理延時(shí)小于100 ns?？紤]到發(fā)射機(jī)特性隨溫度和時(shí)間漂移，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)更新算法，通過(guò)比較輸入輸出特性曲線，實(shí)時(shí)微調(diào)查找表數(shù)據(jù)。在FPGA中實(shí)現(xiàn)16位定點(diǎn)運(yùn)算，確保計(jì)算精度。查找表更新采用雙緩存結(jié)構(gòu)，保證數(shù)據(jù)更新過(guò)程中不影響正常工作。同時(shí)引入溫度傳感器，根據(jù)溫度變化自動(dòng)選擇不同的查找表組，確保補(bǔ)償效果穩(wěn)定。為應(yīng)對(duì)發(fā)射機(jī)老化，設(shè)計(jì)了特性曲線自動(dòng)測(cè)量功能，每隔24小時(shí)在深夜時(shí)段自動(dòng)進(jìn)行一次特性測(cè)量和查找表更新。系統(tǒng)還具備故障保護(hù)功能，當(dāng)檢測(cè)到異常時(shí)自動(dòng)切換到備用查找表。在發(fā)射機(jī)啟動(dòng)階段，采用漸進(jìn)式預(yù)失真策略，避免產(chǎn)生過(guò)沖。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，該方案可使鄰道功率比改善12 dB以上。

2.3 混合補(bǔ)償方案

為充分發(fā)揮預(yù)失真和反饋補(bǔ)償?shù)母髯詢?yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了兩種技術(shù)相結(jié)合的混合補(bǔ)償方案。在信號(hào)通路上，預(yù)失真補(bǔ)償位于發(fā)射機(jī)前端，用于快速校正非線性失真；反饋補(bǔ)償位于后端，進(jìn)一步修正剩余失真。兩級(jí)補(bǔ)償采用不同的時(shí)間常數(shù)，預(yù)失真補(bǔ)償響應(yīng)快速，適合處理瞬態(tài)失真；反饋補(bǔ)償響應(yīng)較慢，主要處理慢變失真。在FPGA中實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償協(xié)調(diào)控制算法，通過(guò)調(diào)節(jié)兩級(jí)補(bǔ)償?shù)臋?quán)重系數(shù)，優(yōu)化整體補(bǔ)償效果。當(dāng)發(fā)射機(jī)工作狀態(tài)發(fā)生突變時(shí)，暫時(shí)降低反饋補(bǔ)償深度，避免系統(tǒng)振蕩[3]。針對(duì)不同類型的失真，設(shè)計(jì)了多模式補(bǔ)償策略：①對(duì)于低頻調(diào)制信號(hào)，主要依靠反饋補(bǔ)償；②對(duì)于高頻調(diào)制信號(hào)，則以預(yù)失真補(bǔ)償為主。系統(tǒng)還配備了智能診斷功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)兩級(jí)補(bǔ)償?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)，當(dāng)某級(jí)補(bǔ)償出現(xiàn)異常時(shí)自動(dòng)調(diào)整補(bǔ)償策略。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，采用DSP+FPGA的硬件架構(gòu)，DSP負(fù)責(zé)算法計(jì)算和控制決策，F(xiàn)PGA完成數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理。補(bǔ)償參數(shù)可通過(guò)以太網(wǎng)遠(yuǎn)程調(diào)整，方便維護(hù)人員進(jìn)行優(yōu)化。

3. 線性化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

線性化系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計(jì)方案，主要由信號(hào)采集模塊、數(shù)字處理模塊和輸出調(diào)理模塊構(gòu)成。信號(hào)采集模塊選用ADI公司AD9467高速AD轉(zhuǎn)換器，采樣率120 MSPS，分辨率16位，信噪比達(dá)到82 dB。輸入端設(shè)計(jì)了寬帶變壓器耦合電路和5階巴特沃斯低通濾波器，截止頻率15 kHz，用于抑制混疊噪聲。數(shù)字處理核心采用Xilinx公司XC7K325T FPGA芯片，時(shí)鐘頻率200 MHz，搭配256 MB DDR3內(nèi)存。為提高系統(tǒng)可靠性，電源采用多級(jí)濾波方案，包括EMI濾波器、LC濾波器和磁珠濾波，紋波系數(shù)小于1 mV。輸出調(diào)理模塊采用高速DA轉(zhuǎn)換器AD9764，轉(zhuǎn)換精度14位，輸出端配置高線性度運(yùn)算放大器OPA355構(gòu)成緩沖級(jí)。PCB采用8層板設(shè)計(jì)，內(nèi)置4層電源層，模擬部分和數(shù)字部分嚴(yán)格分區(qū)，關(guān)鍵信號(hào)采用差分布線，阻抗匹配精度控制在±10%以內(nèi)。在電源和時(shí)鐘分配上采用樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確保關(guān)鍵器件獲得穩(wěn)定的供電和時(shí)序。

3.2 數(shù)字信號(hào)處理算法

采用FPGA實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理，算法設(shè)計(jì)以高效性和可靠性為導(dǎo)向。數(shù)據(jù)通路采用32位浮點(diǎn)運(yùn)算，關(guān)鍵模塊包括FIR濾波器、FFT頻譜分析和自適應(yīng)均衡器。FIR濾波器采用分布式算法結(jié)構(gòu)，tap系數(shù)256點(diǎn)，截止頻率15 kHz，通帶紋波小于0.1 dB，阻滯衰減大于60 dB。FFT模塊采用基4算法，點(diǎn)數(shù)8192點(diǎn)，幀長(zhǎng)度10 ms，頻率分辨率1.22 Hz。自適應(yīng)均衡采用LMS算法，步長(zhǎng)因子動(dòng)態(tài)可調(diào)，收斂時(shí)間小于100 ms。FPGA內(nèi)部集成了8通道DMA控制器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸。為降低系統(tǒng)延時(shí)，采用流水線結(jié)構(gòu)，處理延遲控制在50 μs以內(nèi)。信號(hào)處理過(guò)程中設(shè)置了溢出保護(hù)和異常檢測(cè)機(jī)制，當(dāng)檢測(cè)到異常時(shí)自動(dòng)切換到保護(hù)模式。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了AGC功能，動(dòng)態(tài)范圍90 dB，響應(yīng)時(shí)間可調(diào)。

3.3 系統(tǒng)集成與調(diào)試

系統(tǒng)集成過(guò)程采用分級(jí)調(diào)試方案，確保各模塊功能和整體性能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。在硬件集成階段，首先進(jìn)行電源系統(tǒng)測(cè)試，驗(yàn)證各路電壓穩(wěn)定性和紋波指標(biāo)。信號(hào)采集模塊調(diào)試中著重檢查采樣時(shí)鐘抖動(dòng)和有效位數(shù)，通過(guò)注入標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)測(cè)試動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。FPGA固件采用模塊化設(shè)計(jì)，各功能模塊經(jīng)過(guò)獨(dú)立仿真驗(yàn)證后再進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。在軟件方面，基于VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)控制程序，實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置、數(shù)據(jù)采集、故障診斷等功能。系統(tǒng)聯(lián)調(diào)采用專用測(cè)試夾具，模擬不同工作狀態(tài)下的輸入信號(hào)，驗(yàn)證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性[4]。調(diào)試過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)穩(wěn)定性，通過(guò)溫度循環(huán)試驗(yàn)和長(zhǎng)期可靠性測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下的工作性能。最后進(jìn)行EMC測(cè)試，確保系統(tǒng)電磁兼容性滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)過(guò)調(diào)試優(yōu)化，系統(tǒng)整體性能穩(wěn)定，線性度優(yōu)于0.1%，頻率響應(yīng)平坦度±0.5 dB，雜散分量抑制比大于60 dB。

4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 測(cè)試系統(tǒng)搭建

實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)采用標(biāo)準(zhǔn)化配置，主要包括信號(hào)源、頻譜分析儀、功率計(jì)和負(fù)載等設(shè)備[5]。選用Agilent E4438C矢量信號(hào)源產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制信號(hào)，頻率范圍0.1～6 GHz，輸出功率-136至+25 dBm，相位噪聲優(yōu)于-135 dBc/Hz@20 kHz。使用Ramp;S FSW26頻譜分析儀進(jìn)行信號(hào)分析，頻率范圍2 Hz～26.5 GHz，動(dòng)態(tài)范圍156 dB，分辨率帶寬1 Hz～10 MHz可調(diào)。功率測(cè)量采用Bird 4421型射頻功率計(jì)，最大功率100 kW，測(cè)量精度±3%。人工負(fù)載選用Bird 8931-115型，額定功率150 kW，駐波比＜1.15。為保證測(cè)試環(huán)境穩(wěn)定，搭建了恒溫恒濕試驗(yàn)箱，溫度控制范圍-40℃至+85℃，濕度范圍20% RH～98% RH。

4.2 線性度測(cè)試結(jié)果

基于功放五次多項(xiàng)式模型進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，通過(guò)輸入1 kHz正弦信號(hào)驗(yàn)證線性化效果。測(cè)試中采用功放系數(shù)a1=1.0，a2=0.15，a3=-0.08，a4=0.012，a5=-0.001代入模型計(jì)算理論值，得到表1所示的原始非線性度。表1數(shù)據(jù)顯示，隨著調(diào)制深度增加，非線性失真程度逐漸加劇。在95%調(diào)制深度時(shí)，原始非線性度達(dá)到16.2%，經(jīng)線性化處理后降至3.8%，改善幅度達(dá)12.6 dB。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，線性化處理顯著抑制了高階諧波分量，其中二階諧波抑制比提高15 dB，三階諧波抑制比提高13 dB。在頻域測(cè)試中，邊帶頻率分量得到有效抑制，邊帶功率比改善10 dB以上。動(dòng)態(tài)測(cè)試表明，系統(tǒng)對(duì)信號(hào)幅度突變的響應(yīng)時(shí)間小于1 ms，過(guò)沖量控制在5%以內(nèi)。載波相位噪聲測(cè)試結(jié)果顯示，在10 kHz頻偏處相位噪聲優(yōu)于-100 dBc/Hz，遠(yuǎn)優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。系統(tǒng)對(duì)不同調(diào)制信號(hào)具有良好的適應(yīng)性，對(duì)語(yǔ)音、音樂(lè)等實(shí)際節(jié)目信號(hào)的調(diào)制效果均表現(xiàn)出色，聲音清晰度和音質(zhì)得到明顯改善。

4.3 系統(tǒng)性能評(píng)估

采用調(diào)制特性模型：

（3）

進(jìn)行長(zhǎng)期性能評(píng)估，重點(diǎn)研究了溫度變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。如表2所示，在-10℃到55℃范圍內(nèi)，系統(tǒng)性能參數(shù)呈現(xiàn)出一定的溫度相關(guān)性。25℃時(shí)系統(tǒng)性能最優(yōu)，非線性度為3.1%，載噪比達(dá)到56.2 dB。隨著溫度升高或降低，非線性度和總諧波失真均有不同程度增加。這主要是由于溫度變化導(dǎo)致功放器件參數(shù)和偏置點(diǎn)發(fā)生漂移，進(jìn)而影響調(diào)制特性。在55℃高溫環(huán)境下，頻率響應(yīng)平坦度達(dá)到±1.2 dB，反映出溫度對(duì)系統(tǒng)帶寬特性也有顯著影響。為此進(jìn)行了補(bǔ)充測(cè)試，重點(diǎn)考察了溫度循環(huán)過(guò)程中的性能變化。結(jié)果表明，系統(tǒng)在-10℃至55℃范圍內(nèi)循環(huán)5次后，關(guān)鍵性能指標(biāo)劣化不超過(guò)5%。老化試驗(yàn)采用85℃/85% RH條件，連續(xù)運(yùn)行168小時(shí)，器件性能穩(wěn)定。通過(guò)加速壽命試驗(yàn)，估算系統(tǒng)MTBF達(dá)到32000小時(shí)。此外，對(duì)系統(tǒng)抗干擾能力進(jìn)行了專項(xiàng)測(cè)試。在50 Hz工頻磁場(chǎng)強(qiáng)度3A/m條件下，系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)劣化小于10%。在靜電放電（接觸放電±4kV，空氣放電±8 kV）試驗(yàn)中，系統(tǒng)可持續(xù)穩(wěn)定工作，無(wú)須人工干預(yù)即可自動(dòng)恢復(fù)正常。供電電壓波動(dòng)±10%范圍內(nèi)，系統(tǒng)能保持穩(wěn)定工作。

5. 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)中波廣播發(fā)射機(jī)調(diào)幅非線性失真機(jī)理的深入研究，本文設(shè)計(jì)了基于反饋補(bǔ)償和預(yù)失真的線性化方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案能有效改善發(fā)射機(jī)的調(diào)制特性，顯著降低非線性失真。研究成果為提高中波廣播發(fā)射機(jī)調(diào)制質(zhì)量提供了新的技術(shù)途徑，對(duì)推動(dòng)中波廣播技術(shù)發(fā)展具有積極意義。未來(lái)將著重于算法自適應(yīng)性能的提升以及在大功率發(fā)射機(jī)上的應(yīng)用驗(yàn)證研究，為中波廣播技術(shù)發(fā)展提供理論和實(shí)踐支持。

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作者簡(jiǎn)介：陳靜（1994—），女，海南儋州人，工程師，研究方向：廣播電視。