關于電視發射機模數過渡中功率放大器的討論

馬 波

（山東廣播電視臺，山東 濟南 250014）

1 功率放大器簡介

電視發射機由模擬向數字轉換是一個大趨勢，在過渡過程中，模擬發射方式和數字發射方式將會在一個較長的時期內并存。由模擬發射方式向數字發射方式的轉換有兩種方式：一種方式是直接將模擬電視發射機淘汰，代之以數字電視地面廣播發射機；另一種方式是將現有的模擬電視發射機進行升級改造，使之滿足數字電視地面廣播信號發射的要求。前種方式施工簡單，但投資較大；后種方式實現起來較麻煩，但是可以節約成本。在電視發射機由模擬向數字轉換的過渡過程中，這兩種方式因其各有利弊都會得到應用。

無論是在模擬電視發射機中還是在數字電視地面廣播發射機中，功率放大器都是重要的組成部分。它的指標好壞是決定發射機性能優劣的重要因素，而且其成本也是整部發射機中最高的部分。雖然模擬電視發射機與數字電視地面廣播發射機的功率放大器并無本質上的區別，但是由于數字電視地面廣播射頻信號與模擬電視射頻信號相比有許多不同之處，因而對功率放大器提出了不同的要求。

2 數字電視地面廣播發射機對功率放大器的要求

數字電視地面廣播發射機對功率放大器的基本要求是要有較高的功率冗余量、較高的線性指標、較寬的動態范圍，以保證被傳輸信號具有盡可能低的誤碼率、高信雜比以及盡可能少的帶外輻射。

2.1 足夠高的功率冗余量

數字電視地面廣播發射機的額定輸出功率按平均功率計算，而模擬電視發射機的額定功率一般是指同步頂功率。數字電視地面廣播的射頻信號有很高的峰均比，因此數字電視地面廣播發射機要承受的峰值功率比平均功率大得多。數字電視地面廣播發射機的末級功放多在平均功率比峰值功率低得多的情況下工作。一般來說，一臺模擬電視發射機改造為數字電視地面廣播發射機，其額定輸出功率比原同步頂功率降低6～7 dB。

2.2 高線性

由于數字電視地面廣播射頻信號頻率成分比模擬電視射頻信號頻率成分更加復雜[1]，再者地面信道的復雜性造成的多徑傳輸容易產生“回聲”，這些復雜的頻率成分和“回聲”經過非線性放大傳輸通道后就會產生大量的新生頻率成分，落在帶內會造成有用信號產生畸變，形成碼間干擾，誤碼率增大；落在帶外則會對相鄰頻道產生干擾，影響鄰頻道的正常工作。所以要求發射機具有良好的線性指標以保證有較低的誤碼率和鄰頻道干擾，從而滿足數字電視地面廣播發射的要求。放大器線性指標的優劣是影響發射機信號通道線性指標的關鍵因素。其線性指標差會產生互調分量，而互調分量的大小與接收誤碼率BER之間存在著內在的對應關系，三階互調（IMD）指標對信號可靠接收影響較大，應給予特別重視。此外，對源數據進行偽隨機編碼會產生瞬間過沖，經非線性通道后產生的三階互調分量會干擾對相鄰頻道。數字電視地面廣播發射與模擬電視無線發射相比，會因為放大器的非線性而產生更明顯的三階互調分量。綜上所述，數字電視地面廣播發射機對功放線性有更嚴格的要求。

2.3 寬動態范圍

數字電視地面廣播中無論采用單載波調制，還是采用多載波調制，其共同之處是編碼后的數字信號具有很高的峰均比。不同的編碼、調制方式和具體參數的選擇其峰均比也不相同，最高可達13 dB以上。要使放大器對于峰值電平也具有良好的線性，就必須要求發射機功率放大器有足夠寬的線性動態范圍。

3 為適應數字電視地面廣播信號發射采取的與功率放大器相關的措施

3.1 線性化措施

所謂線性化措施就是為了克服發射機的末級功放因工作于AB類狀態而線性較差非線性失真大的缺陷而采取的一些改善措施。這些措施一般包括以下三個方面的途徑：

1）采取功放的線性化技術，力求提高功放本身的線性放大能力，這是從功放本身的性能著手的；2）采用降低峰均比算法使數字電視地面廣播發射信號的峰均比降低，通過這種技術可使數字電視地面廣播射頻信號峰均比降低2～3 dB，這是從改變功放所承受的信號特性著手的；3）采用非線性預校正技術[2]，對功放所要放大的信號先進行與功放線性曲線特性相反的預處理，從而抵消功放的非線性影響，這是綜合功放所處理的信號及功放本身的特點而采取的措施。

功放的非線性預校正根據處理的信號頻率高低不同分為基帶校正和中頻校正。根據處理的精細程度不同又分為簡單折線法、多段折線法以及數字自適應技術。其中數字基帶自適應預失真[3]實現簡單、靈活并可以自適應跟蹤功放的特性變化。一般來說會同時采用基帶校正和中頻校正技術來提高校正效果。圖1說明了采用校正技術帶來的整機性能的提高。

當然如果通過以上措施仍不能達到發射機的線性要求，還要考慮功率回退法，即功率放大器的輸出功率要適當下降，這是以犧牲功放的功率效率為代價的。

3.2 功率放大器件的選用

電視發射機的功率放大器件常見的有電子管、速調管、感應輸出管、半導體管。

電子管的線性最好，但需要高壓才能工作，不利于系統的可靠性。速調管線性最差，基本不適用于數字電視播出。感應輸出管結合了電子管與速調管的優勢，適用于大功率的數字電視發射機。美國的實驗資料顯示，對于DTV地面數字信號發射，IOT的效率高于四極管。而半導體管因其工作電壓低、方便冗余設計、使用壽命長等優勢，得到了越來越廣泛的使用。其中橫擴散金屬氧化物硅場效應管（Lateral Diffused MOS FET，LDMOS）與雙極型半導體三極管相比，具有許多先進性能，是數字電視地面廣播發射機功率放大器的首選。LDMOS管在性能上比雙極型功放管具有許多優點：能承受更高的駐波比（10∶1）；具有更高的增益，典型值為13 dB；具有更好的線性曲線；可承受更大的過驅動功率，適合于數字電視地面廣播射頻信號的放大；由于是電壓控制性器件，輸入阻抗高，所以偏置電路簡單，不需要復雜的具有正溫度系數特性的有源低阻抗偏置電路。LDMOS管的高增益特性可縮小放大模塊體積，使發射機設計得更加緊湊。

3.3 功率電平控制

對數字電視地面廣播發射機的功率控制方式與模擬電視發射機不同。模擬電視發射機是通過改變功率放大器的激勵水平而補償功放管因溫度變化或者某個或某些功放管失效等原因引起的整機功率變化，這種方法稱作大環控制。由于模擬電視發射機對功放的線性要求較低，這種方法不會對整機指標產生明顯的影響。而對于數字電視地面廣播發射機，功率放大器的工作點則要求更加穩定，不能隨意改變其激勵水平，否則會嚴重影響整機的線性性能，因此不能采用傳統意義上的大環控制，即不能用提高功率放大器的激勵水平來補償某個或某些功放大器損壞導致的整機功率下降。因此在功率控制方式上數字電視地面廣播發射機與模擬電視發射機是不同的。由于LDMOS管有很高的溫度穩定性，不需要通過自動功率控制回路就可保持穩定的工作狀態，因此有些采用LDMOS管的電視發射機干脆采用小環控制的方式，保證激勵器有穩定的輸出功率，從而確保在任何情況下功率放大器的激勵是穩定的。

3.4 散熱方式

電視發射機的散熱方式主要有風冷和水冷兩種方式。數字電視地面廣播發射機要求功放系統的工作點更加穩定，因此對散熱系統的性能及可靠性提出了更高的要求。由于水冷系統占用體積小、噪聲低、運行更加可靠、方便冗余設計，在數字電視地面廣播發射機中得到了越來越多的使用。

4 電視發射機模數轉換過程的考慮

4.1 發射機功放系統的類型

電視發射機按功放系統采用的器件不同劃分，主要有采用雙向四極管（DIACRODE）的單電子管發射機、速調管發射機、感應輸出管（IOT）發射機、全固態發射機。除速調管發射機因功放線性較差不適合于數字電視發射之外，其他類型的發射機都可改造為數字電視發射機。表1給出了采用幾種不同器件的功放的特點。

表1 采用幾種不同器件的功放的特點

4.2 電視發射機放大通道的類型

模擬電視發射機的輸入信號有視頻、音頻兩路信號，根據對這兩路信號的處理方式不同有雙通道發射機和單通道發射機之分。數字電視地面廣播發射機的輸入信號只有一路經過壓縮、打包后形成的包含視頻、音頻及其他數據信息的傳輸數據流（TS流），只有一個傳輸通道是單通道發射機。因此單通道模擬電視發射機更適于改造為數字電視地面廣播發射機，雙通道模擬電視發射機要改造為數字電視地面廣播發射機必須進行相應的處理才行。當雙通道模擬電視發射機采用的圖像功放和伴音功放完全相同時，只要將功率分配網絡和合成網絡加以更換，將所有功放模塊都組合到一起，即可變為單通道發射機用于數字電視地面廣播發射。當雙通道模擬電視發射機采用的圖像功放和伴音功放不同時，一般是將伴音通道拆除，只保留圖像通道，從而使發射機成為單通道發射機用作數字電視地面廣播發射機，這會造成一些資源浪費。鑒于將雙通道電視發射機改造為數字電視地面廣播發射機時需要比較大的改動，會損失較多的資源，為日后給數字化升級改造留下較多的余地，在投資安裝模擬電視發射機時應盡可能選擇單通道機型。

4.3 發射機功率放大器的技術含量

采用先進的功放技術生產的功率放大器可根據要求提供各種參數配置，可以充分考慮到模擬運用與數字運用的區別，保證在數字化改造的時候功放不用做任何改變。

4.4 發射機采用的非線性預校正技術

不同的非線性預校正技術效果也不相同。簡單的多點折線預校正技術校正量有限，只適用于單電子管發射機。數字自適應預校正技術能夠自動跟蹤信號，放大通道的參數變化，做出相應的預校正，校正范圍大，更適用于全固態電視發射機。

5 結束語

功率放大器作為電視發射機的重要組成部分，在發射機數模改造中要做周密的考慮。在將模擬電視發射機改造為數字地面電視廣播發射機時，應根據原模擬電視發射機的實際情況采取合適的方案。對于新的模擬電視發射機，應充分考慮日后升級為數字電視地面廣播發射機時的方便性而選取合適的機型。

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[1]陳躍軍.數字電視與發射機[J].西部廣播電視，2005（8）：3-4.

[2]劉軍.全固態電視發射機射頻通道的數字化改造[J].電視技術，2004，28（2）：77-79.

[3]馬波.數字電視發射機自適應預失真技術[J].山東電子，2003（3）：38-39.