模拟发射台

2024-05-30

模拟发射台（精选7篇）

模拟发射台篇1

摘要：本文对广播电视发射台传输、发射、监测等用到的主要设备, 以及设备故障、技术考核等核心业务进行计算机模拟设计, 通过技术人员反复模拟演练, 提高发射台技术维护水平和应急处理能力。

关键词：计算机模拟,广播电视,安全播出

目前多数广播电视节目实行24小时不间断播出。发射台关键设备在播出期间不能随意操作, 技术人员仅能通过说明书熟悉设备, 减少了实际操作设备的机会, 也体会不到设备发生故障时设备参数的各种变化, 技术维护和应急处理能力无法得到有效提高。本文提供一种模拟演练系统的设计思路, 通过计算模拟技术实现设备模拟和故障模拟, 使技术人员在播出时段也能熟悉设备操作、观察故障现象、演练排除流程、提高应急处理能力。

1 设计思想

1.1 安全性

模拟演练系统与发射台现有播控系统进行物理隔离。模拟演练系统与现有播控系统不进行数据交互, 并且演练主机与值班室不在同一房间, 防止因误操作造成停播、劣播事故。

1.2 真实性

模拟演练系统应当能真实反映台内技术设备的逻辑关系、界面显示、实际操作等。即在任一设备上的任何操作都可以实时地在整个模拟演练系统上有正确的反映, 且与设备的真实状态相符合。

1.3 扩展性

发射台设备复杂、更新较快, 当新设备投入使用后, 模拟演练系统应能进行平滑升级。因此需要对每个设备建立模型, 各模型之间相互独立。系统通过模拟演练控制系统为每个设备建立逻辑表, 如果增加或更换新设备, 仅需要建立一个新设备模型并在演练控制子系统中更改设备的逻辑关系表, 即可将新设备应用在模拟演练系统中。

2 系统功能

根据发射台日常工作特点, 模拟演练系统应具备设备模拟、操作模拟、常见故障模拟等功能。模拟演练系统功能如图1所示。

2.1 设备模拟

设备模拟是模拟演练系统的核心。模拟演练系统将播控流程中的软硬件均作为设备处理, 为每个设备建立独立模型。每个设备模型由接收模块、模拟模块和发送模块构成。接收模块负责接收用户操作数据和演练控制发布的命令, 模拟模块根据接收的数据对设备界面显示、参数进行处理并将结果通过发送模块传递给演练控制子系统, 设备之间不进行数据交互。设备模型框图如图2所示。

各设备按照发射台实际设备布局使用静态图片显示, 用户双击相应设备进入设备模拟系统。设备模拟有独立模式和联机模式两种模拟模式。独立模式用于单独设备的熟悉, 在该模式下设备所发生的改变不会对其他设备造成影响;联机模式用于故障排除及播控流程的熟悉, 在该模式下用户对设备的所有更改均通过演练控制子系统传递到相关联设备。

设备模拟主要实现以下功能:

(1) 界面模拟。真实显示设备的面板按键布局、指示灯显示、LED显示、菜单树、说明书等内容。对于英文界面可在鼠标悬停时提示译文。当其他设备改变影响到该设备后, 用户通过模拟界面可以清楚地观察该设备的显示状态和参数的相应改变。

(2) 操作模拟。用户在模拟界面对设备按键进行操作时, 设备模拟根据设备模型实时改变设备参数和界面显示。

2.2 演练控制

广播电视发射是单向播控流程, 演练控制子系统按照实际信号流程为所有设备建立逻辑表。任一设备参数、状态发生改变后向演练控制子系统发送数据, 演练控制子系统接收到数据后根据逻辑表向其后继设备发送数据, 递归至无后继设备为止, 保证模拟演练系统数据的一致性。

演练控制主要实现以下功能:

(1) 故障环境设置。通过演练控制子系统将故障数据发送到相应故障点设备, 故障点设备将处理后数据返回演练控制子系统。演练控制子系统按照设定的逻辑关系发送给故障点设备的后继设备, 递归至无后继设备形成故障环境。

(2) 故障排除流程设置。模拟演练系统为每个故障建立标准排除流程信息, 包括故障排除流程图、故障排除多媒体 (视频、图片) 信息、模拟演练系统自动演练。用户可以通过以上信息熟悉故障现象和故障排除流程, 出现类似故障后能第一时间判断故障点设备, 快速排除故障, 提高专业技术水平。

(3) 用户操作记录:演练控制系统能记录用户在模拟演练系统中的鼠标键盘操作和各操作时间。可通过演练控制系统在使用过程中开始、暂停、跳过、结束等操作。在演练结束后, 系统语音提示并给出智能评级结果。给出的正确操作步骤和用户的实际操作步骤相对比, 使用户找到差距, 快速提高业务水平。

(4) 故障恢复判定。模拟演练系统通过关键设备的关键参数是否恢复为正常值判断故障是否恢复, 当故障恢复后, 演练控制发送演练结束命令结束该次演练。

2.3 信源系统模拟

信源系统模拟包括信源常见操作和常见故障排除。涉及设备模型主要有解码器、跳线架、信源切换器及其监控软件。信源系统模拟框图如图3所示。

信源系统模拟主要模拟使用监控软件切换信号、设置解码器参数。信号或相关设备异常时, 通过切换器面板对信号进行切换、手动短接跳线架等操作。信源设置包括主路信源故障、多路信源故障;解码器设置包括解码器参数调整、解码器死机故障;切换器设置包括自动切换故障、面板切换故障。

2.4 发射系统模拟

发射系统模拟包括发射机常见操作和常见故障排除。涉及设备模型主要有:发射机、同轴切换器、同轴开关等。

发射系统模拟主要模拟内容:使用监控软件或对发射机直接操作实现切换激励器、开关机、升降功率、倒机;使用监控软件切换同轴开关, 同轴切换器异常时手动操作同轴切换器和同轴开关。发射机设置包括发射机降功率故障、激励器故障、模块故障;同轴切换器设置包括自动倒换故障、面板操作故障;同轴设置包括手动倒换同轴开关。

2.5 监测系统模拟

监测系统是技术人员日常值班使用最多的系统, 播控系统中各子系统的改变最后均通过监测系统反馈给值班人员。监测系统模拟是模拟演练系统的最终节点, 其他设备的改变都会反映到监测仿真系统。监测仿真主要包括:信号监测模拟、发射机监控模拟、电视墙显示模拟、网管监测模拟等。

3 结语

模拟演练系统以设备模拟系统为核心, 通过模拟演练控制系统对所有设备进行数据交换, 模拟各种故障现象。同时系统接收用户操作输入, 实时显示当前操作所造成的影响。在模拟过程中, 操作员可以选择各种播出故障, 通过监测模拟系统对故障现象的真实呈现, 通过对模拟设备的操作对故障进行处理, 并观察监测模拟系统中故障现象是否消除。通过此系统, 可以使用户快速熟悉设备, 了解解决故障方法, 提高应急处理能力。

参考文献

[1]赵玮.计算机模拟与决策支持[M].上海科学技术出版社, 2007:52-55.

模拟发射台篇2

EER是一种使复数调制的信号进行高效率放大的方法。

复数调制的信号是幅度与相位同调制的高频信号。这种类型的信号也出现在数字传输中。EER技术是将AM与PM这两种调制分离。当把AM分离出去后, 包络被消除, 而保留纯粹的PM。在发射机的末级重建AM调制中的包络, 由此形成放大的复数信号。

AM信号没有恒定的包络, 它的包络是随着包含的信息而变化的。在对AM信号进行放大时不允许包络失真, 需要效率很低的线性放大器, 对于很大功率的放大来说, 有明显的缺点。选择EER技术可使大功率放大器保持高的效率。

高频信号可表示为:

对于复数数字调制信号来说, 也可以分为两个部分:借助一个包络解调器分离出幅度调制或幅度信号;借助一个限幅器分离出相位调制信号。两路信号都可以使用高效率的放大器进行放大。

2 数字信号的分离与重建

①一般原理

复数信号可以理解为众所周知的幅度与相位都得到调制的高频信号。放大这种信号需要线性工作的放大器。出于效率的原因, 不考虑使用A类与B类放大器。剩下的可能性是应用具有高的效率的AM发射机, 用一个相位调制的高频信号代替原来的纯粹的载波信号, 而在发射机的音频输入端, 送入包络信号。

图1所示是频域中正弦信号的分离原理。由图可以看出, 不论是幅度信号还是相位信号, 频谱都包含有谐波成分, 也就是说频谱变宽。

根据上述原理, AM发射机通过它的幅度信号输入与它的相位信号输入进行控制是可能的, 须将在I/Q调制器中产生的已调制的数字信号进行相应的分离。

②分离与重建方法

现借助QPSK的相位星座图说明坐标变换, 如图2所示。数字信号表示已调制的I/Q符号:

借助EER技术, 直到大的功率必须给出一致的信号。从I/Q信号计算出幅度信号与相位信号φ (1) :

φ(t)信号只是一个中间量，这个信号尽可能避免，因为相位角可以取任意大的值(取决于数据)，这会引起相位调制器的过调制。如果产生ΦI (t)=cos (φ (t) ) 和ΦQ(t)=sin (φ (t) ) 两个信号来代替，它们的最大值可以是±1oΦl(t)分量也cos (Ωot) 相乘，而ΦQ(t)与sin (Ωot) 相乘，Ωo为为载波角频率。因此，正交调制器是相位调制器的一种特殊形式，如图3所示。

按照图4，相位调制的RF信号可表达为：

它是具有恒定幅度的纯相位调制的信号。

实际上没有必要计算φ(t), 因为可以按照图4计算出：

AM发射机的末级功率放大器的工作原理如同一个乘法器, 通过相乘而结合起来:

为简单起见, 设放大系数为1, 可以看出与公式 (1-2) 是相一致的。因此, 可以得到如图5所示的将EER技术用于数字传输的相应的电路方块图。

相同, 输出信号的频谱也应该是相同的。但是, 在实际上可能会遇到一定的问题。这与由笛卡儿坐标变换为极坐标有很大的非线性有关。因此, 无论是A (t) 信号SRF-R (t) 还是RF-P信号的频谱, 都明显比I (t) 和Q (t) 信号的频谱宽。

摘要：通过对EER原理的简单介绍, 并针对模拟AM发射机如何实现发射DAM数字信号做了简要的阐述。

模拟发射台篇3

随着广播电视技术的飞速发展, 广播电视事业已经逐步进入到了数字化时代, 在这种大规模的过渡阶段, 模拟电视和数字电视设备共存已是目前各个广播电视发射台站所面临的主要问题。对于广播电视发射台站的无线发射系统, 在频率资源稀缺和具体安装条件受限的情况下, 数/模发射机多工后共用一部发射天线发射的方式成为无线传输之必须。这种无线发射覆盖方式, 可以大大提高设备的利用率, 降低投资的成本。但如果设计不好, 同时也会带来发射天馈线系统匹配不良, 导致安全可靠性降低、故障率增高、发射的有效功率达不到要求等问题。

1 总体设计思考

无论是模拟电视发射还是数字电视发射, 均采用残留边带调幅方式, 输出的为调幅载波, 变化只是在调幅幅度上体现, 所以数/模双工共用一副天线发射是可以实现的。目前我台正处于模/数过渡转型期, 除了现有的模拟无线频道外, 还增加了新的39频道数字车载移动电视。在实际设计中我台自立铁塔在120m处架设有高度约20m、截面积为800mm×800mm天线桅杆, 桅杆上已有两副四层天线共占用桅杆高度约10m, 一副六层天线占天线桅杆高度约7m, 所以桅杆已经没有再架设一副新天线空间距离。唯一可行的就是更换一副新的六层天线, 将模拟27频道 (622MHz～630MHz) 10k W (p_pms同步顶功率) 发射机和数字39频道 (718MHz～726MHz) 1.5k W (rms平均功率) 发射机通过双工后共用一副天线发射。

27CH、39CH两个频率间隔带宽从622MHz到726MHz相差104MHz, 要想在这样一个间隔带宽较大的情况下达到满意的发射接收效果, 就必须了解清楚这个系统的各个环节是否设计合理。特别是对双工器、馈管、阻抗变换器、天线等一些具体设备在设计生产、安装调试上严格把关, 努力做到匹配和增益双兼顾。这是改造上的主要问题, 同时也是实现我们的发射覆盖关键。系统结构见图1。

2 主要设备设计要求

2.1 双工器的设计

数字39频道 (718MHz～726MHz) 和模拟27频道 (622MHz～630MHz) 两个频道在相隔带宽较大的情况下 (相差104MHz) , 通过设计生产上的严格把关和后期合理调测, 有效的实现两个频率的双工。同时根据本台27频道发射机无带通滤波器的实际情况, 对双工器也做了一点个性化设计, 使其具有很高的性价比。

1. 双工器工作原理

由于我台现有的模拟27频道电视发射机没有带通滤波器, 所以将双工器的带通滤波器设计成27频道, 工作时27频道的信号, 从F1输入经过第一个3d B分配成两路, 通过滤波器, 达到第二个3d B, 经过3d B合成而送达天线, 从而实现27频道电视节目的发射。数字39频道的信号是从F2输入, 经过3d B分配成两路到达27频道的带通滤波器, 由于27频道带通滤波器对39频道的抑制作用 (抑制度约为78 dB) 而反射回来, 又经过第二个3d B合成而送达天线, 从而实现了39频道电视节目的发射 (图2) 。

2. 双工器与传输系统

双工器连接在天馈线系统与发射机之间的起到承上起下的作用, 一旦发射机与天馈线系统失配, 可以调整双工器匹配微调, 使整个系统达到匹配。为了避免不同频率间的相互干扰, 在数字39频道发射机输出口与双工器输入之间接入一个39频道三腔带通滤波器, 它不仅起到了滤出39频道带外谐波作用, 也起到了对27频道信号的隔离作用, 使27频道信号不会对39频道信号产生任何干扰。在实际安装过程中, 在没有加装39频道三腔带通滤波器前, 经功率计测试, 39CH输入口发现有10W左右的27频道带外谐波泄漏, 但安装上三腔带通滤波器后经功率计测试, 泄漏的27频道带外谐波已被抑制。

2.2 天馈线系统

天馈线系统分为传输用馈管、阻抗变换器和发射用天线。馈管的承载能力直接影响到两部发射机满功率工作时的工作效果, 根据测算3.125英寸馈管的最大承受功率为20k W左右, 模拟27频道发射机输出为同步顶功率10k Wp_pms, 此为额定功率, 实际输出功率应在80%～95%之间。数字39频道输出为平均功率1.5k Wrms, 相当于模拟同步顶功率6k W左右。所以3.125英寸馈管完全能够承载两部发射机共计16k W左右的发射传输负荷。

天线系统的改造是本次项目的又一个重点。拆除旧有的27频道六层四面单频道水平极化天线, 换上一副数字39频道和模拟27频道能够共同使用的大功率、宽频、垂直极化六层四面天线, 必须要搞清楚对于用数字电视发射或模拟电视发射的天线在本质上是否有区别, 特别是在两个频率间隔带宽很大的情况下各个部件能否满足技术需要。

1.数字电视发射和模拟电视发射的天线是否有区别

数字电视发射天线和模拟电视发射天线都是传输调幅载波, 本质上没有差别, 只是对于用于数字电视发射的天线将有更高的技术要求。到目前为止, 用于数字电视发射的天线大都采用UHF波段四偶极子板状天线。我们都知道, UHF波段四偶极子板状天线可以通过组合使其成为全向天线。四面组合时可以采用同相位馈电或90度旋转相位差馈电, 两种馈电方式在中心频率附近产生的圆度相差不多, 但当天线的工作频率偏离中心频率较远时, 同相位馈电产生的圆度要好过旋转相位差产生的圆度。当天线双工或三工运用时同相位馈电要好于异相位馈电, 垂直方向性也是如此。一般情况下, 数字电视都是多台发射机共用一部发射天线, 数字电视和模拟电视发射共用一部天线的情况下也是如此。同相位馈电系统对于天线系统的辐射单元、馈电分馈线、阻抗变换器的特性提出了更高的技术要求。用于数字信号发射的天线比用于模拟信号发射的天线需要有更高的功率容量和频带宽度。

2.天线阻抗变换器设计

在具体设计方面, 我们根据未来的扩容需求将阻抗变换器设计为能够承载30k W发射功率的, 并且将连接主馈管的接口设计为3.125英寸转φ120的变径接口, 目前我台使用现有3.125英寸馈管传输, 一旦需要扩容或更换馈管时, 我们的阻抗变换器就无需更换。同时因为现有天线桅杆截面积为800mm×800mm, 使用120mm×120mm×10mm的角钢作为支撑架构建而成, 使得内部空间实际可安装的对角距离只有750mm, 所以阻抗变换器按前期的设计是无法安装到位的。根据实际, 我们将连接各个天线包的阻抗变换器进行了重新设计, 在不损失技术指标的前提下改变阻抗变换器结构外形, 使安装调试更加方便可行, 六层四面天线系统变阻器改造框图如图3所示。

3. 天线系统的特性和配置

通过对以上问题了解我们对天线的选型有了较高的要求, 采用UHF波段四偶极子宽带电视发射天线是根据数字电视发射特点而决定的, 由于模拟27频道和数字39频道间隔带宽很大, 所以该类型天线应具有宽频带特性, 具有低损耗、高增益特点。天线馈电系统采用同相、不等功率馈电方式, 以确保天线系统在宽频带条件下, 各项技术指标尤其是方向性方面的变化量最低。可以根据地形地貌以及具体需要来设计天线系统的配置方式, 包括馈电方式和安装方式。通过计算机仿真技术进行分析调整以达到最佳的水平方向性和最佳垂直方向性。同时要求天线具有一致性强、馈电损耗小、密封性能好、频带宽 (单板带宽必须满足≥100MHz) 等特点。天线单板增益要≥12d B, 驻波比≤1.1, 单板设计额定功率≥1k W。24根连接单板的分馈电缆采用1.625英寸, 以体现设计上的高冗余。使用HP-8711A网络分析仪测试天馈线系统, 测量驻波比≤1.1说明天馈线系统的匹配是满足设计需求的。

4. 天线方向性分析 (计算机仿真计算)

1) 天线正置仿真 (见图4～图6) 。

2) 天线偏置仿真 (见图7～图9) 。

从以上两种仿真结果来看, 采用正置安装要比采用偏置安装在水平面内的覆盖效果要好。按照我台天线桅杆的实际情况:横截面积800mm×800mm同时南北两面的侧角上装有爬梯, 因此天线包无法正置安装, 只能偏置安装, 通过以上三维仿真效果图显示, 偏置安装天线的效果也能够满足我们的技术设计要求。下面通过实际发射信号接收测试来进一步验证。

3 发射信号接收测试

在对双工器、阻抗变换器和天线等设备的前期安装调试和匹配测试结果来看, 都能够满足我们技术设计要求。为了查看数字39频道和模拟27频道双工共用一部天线的实际发射效果, 我们使用DS98-2型模拟电视信号场强仪对模拟27频道在不同区域进行固定接收测试, 各点的接收效果达到了我们预期的设计要求。接下来我主要就使用日本芝测公司TX901A数字地面波网络测试仪对数字39频道在不同区域移动接收的结果做一个分析。

城区移动接收基本良好, 大部分路段可正常接收, 测试地面波覆盖情况, 城区88.46%的路段地区可以有效的接收, 接收效果较差地方占测试区域的11.53%, 主要是地势低洼、山体遮挡地区, 另外树木林带稠密地区接收效果也不理想。根据移动测试的结果反应, 城区的部分道路接收效果不一致, 高楼集中的地区遮挡物较多, 接收效果时好时坏。

1.最大接收距离测试情况

1) 同步最大接收距离71.92221km (图11) 。

2) 功率覆盖最大接收距离64.251293km (接收门限-70d Bm, 图12) 。

3) 用误码率表示最大接收距离70.345596km (图13) 。

2.接收测试结果分析

通过勘测实地得知, 东北面即石人沟地区由于山体遮挡, 虽然移动接收距较近, 但接受效果一般。西北面即八钢地区同样属于山体遮挡, 无法正常移动接收。相对于发射地点海拔较低, 属于平川地带地区, 移动接收有效最大距离约72km处, 移动接收效果良好。而在西北面即共青团农场地区测试的最大距离80km左右处, 移动接收的信号时有时无效果不佳, 但作为固定接收均能达到满意的效果。模拟27CH和数字39CH在满功率发射时反射指标相互无影响, 城区移动覆盖接收较好, 移动接收最大距离约为72km, 固定接收最大距离在80km左右, 达到了发射功率输出和宽频天线增益设计的技术要求。通过接收测试的结果分析, 充分说明这次项目改造是比较成功的。

4 总结

模拟调幅发射机的DRM改造篇4

AM广播作为第一代广播技术, 一直被世界各国作为主要的信息传播的技术手段之一。AM广播由盛至衰的重要原因是其技术模式已不适应现代条件下人们对广播服务的需求。AM广播的数字化, 可以使声音质量得到明显的改善, 从而吸引更多听众。此外, 数字化后, 可以通过传输附加数据, 例如电台名称和替换频率, 可使接收机的操作变得简单容易。从频率资源的利用来看, 30MHz以下的广播波段有其特有的性能, 他能实现远距离和大范围的覆盖。是实现地区性、全国性及国际性广播覆盖的最好手段之一, 而且它的良好的快速移动接收特性是其它数字传播媒体所不能相比的。

2 模拟调幅发射机DRM改造数学原理

DRM是基于现有中短波数字广播的系统规范标准, 在单频道9KHZ (10KHZ) 或者双频道18KHZ (20KHZ) 的现有中短波广播带宽内实现数字调制。我们对PDM发射机的改造是由PC组成的发端平台产生DRM基带信号, 然后经过对DRM基带信号分离的幅度和相位信息进行第二次调制。DRM基带符号可表示为:

(l+Nsm) Ts≤t≤ (l+Nsm+1) Ts

其中k表示载波编号, l表示OFDM符号编号, m表示传输贞编号, K表示发射的载波总数, Ts表示符号周期, Tu表示载波间隔的倒数, Tg表示保护间隔持续期, fc表示射频信号的基准频率, Cm, l, k表示第m贞中第l个数据符号分配在第k个载波上的复数符号。对上述基带信号进行的再次调制, 发射的DRM调制符号可表示为:

上式也可以表示为:

上面两个式子是等同的。我们利用传统发射机调制大功率DRM信号时, 须将S (t) 信号分为包络分量At和高频调相分量, cos (ωct+φt) 将At分量送到发射机音频支路进行线性放大, 将cos (ωct+φt) 分量送到发射机高频支路, 利用C、D类放大管进行无失真放大, 然后将大功率At的和cos (ωct+φt) 送到发射机的混频管中混频, 得到大功率的信号, 实现DRM信号的放大调制。此方式既可以充分利用传统发射机的现有电路设备, 同时也实现了高效的放大调制, 节约电力。我们对传统发射机的改造就是基于这种思路的。

3 PDM机的DRM改造

3.1 PDM机改造的基本原理

中波模拟发射机采用幅度调制方式发射, 而DRM的数字基带信号必须经过变换, 进行幅相分离才能在现有发射机上进行传输发射, 对于国内大量的PDM和DAM (数字式) 调制方式的中波发射机, 其末级功率放大采用桥式丁类非线性放大, 要保持这样的高效率放大调制形式, 减少对发射机的改动, 必须首先分离出DRM基带信号的幅度和相位信息, 幅度信息经低频通路处理, 相位信息经高频通路, 最后在末级进行混频放大形成幅相包络波。

3.2 PC发端平台

PC发端平台是基于DRM规范标准, WINDOWS2000操作系统软件平台支持下的通用PC组成的应用系统。内嵌各功能模块的软件代码, 分为编码复用模块、信道编码模块和OFDM生成模块, 输出DRM基带信号。

发端平台的系统结构如图2所示。

3.3 接口适配卡

发射机接口适配卡是DRM发端平台与发射机间完成信号转换和电路匹配的接口电路, 可适用于与不同调幅制式发射机的配接。

3.4 对PDM3KW机发射机端的改造

本次对一部上海明珠广播电视科技有限公司产TS-03C的PDM调幅发射机进行DRM改造实验, 频率为1008KHZ, 功率3KW。本频率为实验频率, 试验的目的是为了验证DRM改造后的实验机在满足压制条件下的播出效果。 (1) PDM低通解调器的带宽应该至少扩展到调幅音频带宽5KHZ的7到8倍约35KHZ以上, 才能形成良好的包络形状和肩距。在实际测试中TS-03C发射机的PDM解调中的低通滤波器上限频率均能达到40KHZ的要求, 因此, 不用对其进行通带扩展。 (2) 将原发射机的高频激励器换成直接数字频率合成器 (DDS) 。DDS接收I/Q数字信号, 产生等幅调相的高频载波信号, 这一信号经中间放大器发大后, 经过功率放大器均分给4个调制功放盒, 对与这一信号, 要求电压应在5VP-P, 输出阻抗为75Ω。 (3) 将原有的调制推动器改成能接收I/Q数字信号的PDM形成电路。PDM形成电路读取I/Q数字信号后进行幅度运算转换, 将此幅度信号与72KHZ的三角波信号进行比较, 形成PDM脉宽信号后, 输出至调制功放盒, 直接驱动末级功放模块, 进行调制放大。对于本单元电路输出脉冲幅度要求13V。在本次试验中, 我们采用了中国传媒大学提供的D/A转换及PDM形成电路小盒替代原有的调制推动小盒, 很好的满足了试验的要求。 (4) 对于包络信号和载波信号的末级调制同步问题, 由接口适配卡提供一个FIFO存储器来对其中一路信号进行延时, 而延时量由PC发端平台提供一个控制信号来控制, 可由PC端软件界面输入延时量来调整。

4 发射机DRM改造后进行外场测试

4.1 测试数据

我们在福州地区市区中心范围和近郊四个方向开展外场测试试验, 在对抗干扰条件下进行同机同频率 (频率1008KHZ 3KW的PDM发射机) 模拟调幅播出和DRM数字播出。以下是测试的部分数据。

4.2收测的结果分析

(1) DRM发射功率仅需要模拟发射功率的三分之一就能达到原来模拟发射的覆盖范围, 且数字接收解码音质清晰流畅。 (2) 在本地场强覆盖范围内, 远地开机下用模拟接收机收听本频道内近似“白噪声”, 也就是DRM发射功率仅用了原模拟实验发射功率的五分之一, 即0.6KW已能有效压制。 (3) 对AM信号造成影响的高山、大的钢筋混凝土建筑物, 对DRM信号依旧产生同样影响, 如何作改善还需作进一步的探索。

注: (1) 3KW模拟方式播出下的接收主观评价分值 (括号内数值, 满5分) (2) 数字播出方式下软件解码的信噪比SNR (dB) , 大于16dB就能流畅收听。

4.3 结论

(1) 现有的传统高效率的调幅发射机可以通过数字化改造, 以较小的成本实现DRM广播的播出。 (2) 在保持相同覆盖的情况下, 由于数字传输本身具有的特性, DRM发射机比模拟AM发射机的功率可降低到1/2~1/4以上, 即降低6~8DB。 (3) DRM广播能够显著提高AM波段声音广播的质量, 在保持现有带宽9kHz或10kHz的情况下, 利用音频数据压缩技术和DSP (数字处理) 技术, 可达到调频FM广播的质量, 如果带宽加倍, 可达到CD质量水平。

5 结束语

DRM技术作为AM广播数字化改造的载体, 可以克服现有模拟AM广播传输信号不稳定、声音质量差和抗干扰能力弱等弱点, 可以令传统AM广播的内涵与特点得到充分的扩展, 具备应对其它领域挑战的能力。本文通过介绍利用自身条件, 对现有PDM~3kW中波发射机进行改造, 发射出DRM信号, 进行DRM广播的试验情况, 希望能对相类似情况中波发射台利用自身条件实行DRM试验和探索起到抛砖引玉的作用。希望随着对DRM广播试验的深入开展, 在不断的探索改进中, DRM技术将日臻完善和发展。

摘要：笔者阐述模拟调幅发射机数字化改造的关键技术, 及DRM具体实现原理, 也给出相关模数播出的外场收测数据。

关键词：DRM,COFDM,数字化改造

参考文献

[1]李栋.数字声音广播.北京广播学院出版社, 2001 (3) .

[2]上海明珠广播科技有限公司.TS-03C3KW全固态PDM中波广播发射机技术说明书, 2005 (1) .

模拟发射台篇5

场致发射显示板(Field emission display panel,FED)是一种真空电子器件,由阴极发射的电子轰击荧光粉产生图像。场致发射显示器件从本质上与传统的阴极射线管(CRT)的工作原理相同,都是利用电场将阴极产生的电子按需要进行聚焦,并在向高压阳极运动的过程中从电场中获得能量,用以激发荧光粉发光显示。因此利用在CRT设计里成熟的计算机模拟方法来设计优化FED结构,可以有效地提高器件的设计速度,优化器件性能。与CRT所不同的是FED的阴极发射是场致冷阴极发射,而CRT通常为阴极热电子发射;CRT中关心的是电子的聚焦状况和偏转线圈对电子束轨迹与着屏束斑的影响,而FED主要考虑的是阴极表面发射特性和着屏束斑。在制屏之前采用模拟计算对FED的特性进行研究是非常普遍的做法,可节省大量的人力、物力,如Jiang-Chong Ho,D.M.Garner,W.Dawson Kesling,J.M.Kim,Chun-Tao Lee,L.Nilsson[1,2,3,4,5,6]等人的研究小组都采用数值模拟的方法对FED的特性进行研究。但是他们的研究大多依赖于商用软件,如Yung-Chiang Lan小组使用的MAGIC[7],Lei Wei等人使用的ELOP[8],Y.S.Choi小组使用的SIMON和OPERA-3D[9]等,这些软件虽然使用方便,但毕竟不是专用软件,因此大多数软件只能计算阴极表面的电场分布,电子轨迹形貌,而对阴极表面电流分布和阳极上的束斑形状和能量分布没有涉及。本文所设计的场致发射显示器专用软件可以对FED的各种重要性能指标进行模拟计算。对于基于CNT阴极的FED结构来说,虽然大量的碳纳米管产生的阴极场致电子发射可以不用考虑单个发射尖端的状态,但是由于器件结构中通常尺寸变化幅度悬殊,用传统的逐步细分有限差分网格的方式较为繁琐。针对FED器件本身的结构特性,本软件的设计采用有限元法,利用单元逐步细分的方式来描述尺寸、电场变化剧烈的区域,从而大大提高了计算的速度和精度。

1 模拟软件的数学物理模型

1.1 电场计算

有限元法是以最小能量原理为基础,从变分原理出发,通过剖分把二次泛函(能量积分)的极值问题化为一组多元线性方程来求解[10]。

式(1)为二维拉普拉斯方程:

$\nabla^{2} φ = \frac{\partial^{2} φ}{\partial x^{2}} + \frac{\partial^{2} φ}{\partial y^{2}} = 0 (1)$

式中φ为电位。

考虑边界条件,利用变分原理,可将式(1)所表示的二维拉普拉斯方程写成线性联立代数方程组得形式,线性代数方程组的解即为某点的电位值。求解线性代数方程组的方法很多,这里不再详细介绍。

本文使用基于MATLAB的专业数值分析软件包FEMLAB(Finite element modeling laboratory)进行有限元分析。FEMLAB是一个能够独立处理并解决在工程及科学领域中所包含的繁杂偏微分方程(PDEs) 耦合多变量问题的CAE 软件。该软件提供新的技术,透过强大且直觉式的图像使用者界面(Graphical user interface; GUI),容易在工程及科学的规范下,建立所需的处理型。FEMLAB 的主要特征是容易建立模型且可客户化,能执行1D、2D或是3D模型。其使用过程包括以下几个步骤:建立几何模型,定义物理参数,划分有限元网格,求解。

图1和图2所示为FEMLAB软件为后栅极FED结构划分有限元网格的界面和为电极电压赋值后计算出的电场分布。

1.2 阴极场致电子发射计算

由Fowler-Nordheim (F-N)公式[11],阴极表面场致发射电流密度可以用公式(2)描述:

$J = a \times E^{2} e^{- \frac{b}{E}} (2)$

其中a、b为常数,与阴极材料和表面状态有关,E是阴极表面电场强度,J为场致发射电流密度。此公式中a、b可通过实验测试得出。

假设测得某阴极在表面电场为E0、E1时其场致发射电流密度分别为J0和J1,则a、b分别为:

$a = \frac{J_{1}}{E_{1}^{2} \times e^{- \frac{b}{E_{1}}}}, b = \frac{\ln [\frac{J_{0}}{J_{1}} \times (\frac{E_{1}}{E_{0}})^{2}]}{- \frac{1}{E_{0}} + \frac{1}{E_{1}}}$

1.3 电子轨迹计算

采用数值计算的方法求解电子轨迹,是对轨迹方程或运动方程进行数值积分,该方法可用于任意的场分布而不受场的表达方式的影响。常用的求解电子轨迹的数值计算方法有泰勒级数法和龙格-库塔法。泰勒级数法的特点是将某点的已知轨迹的解,通过泰勒级数展开,求出相邻近点的轨迹,然后又将此邻近点作为已知点,用同样的方法又向前扩展一步,及至将整个轨迹全部求出为止。龙格-库塔法是一种间接使用泰勒级数的技术,它的基本思想是设法在两个轨迹点内多次预测几点斜率值,然后将它们加权平均作为平均斜率,则可以构造出高精度的计算公式[12]。

对于计算在有限单元法求解的电场中的电子轨迹计算而言,由于单元尺寸通常不规则,单元大小差异大,特别是本软件模拟的FED结构,由于器件结构中通常尺寸变化幅度悬殊,单元差距高达几倍甚至几十倍。计算电子轨迹必须首先计算电子所在空间的电场,对于有限差分法,由于网格规则,很容易计算所在空间的电场。而对于有限单元法而言,计算所在空间的电场必须寻找所在单元,在用龙格-库塔法计算电子轨迹时,每一步计算通常要寻找4次所在单元,如果对所有单元进行扫描寻找所在单元则会消耗大量的计算时间。

为了增加计算程序的通用性和移植性,本计算方法摈弃了传统计算方法中固定数组大小的做法,而采用了动态分配内存的方法,这样一方面解决了在拥有不同内存量的计算机上和不同操作系统上运行该程序的问题;另一方面还为不同的结构分配大小不同的内存从而提高程序的运行速度,降低了对计算机软、硬件的要求。

动态分配内存技术在本计算方法中主要用于单元关联分析及存贮。单元关联分析主要是确定任一单元与之相关联的单元及单元数目。对于具体的模型结构由于不同的单元的单元关联数不同,因此若用固定大小的索引数组会浪费许多内存空间与计算时间,为了增加程序的通用性,本软件设计引入可变索引数据结构,如图3所示。

图4所示为一单元划分实例。可以看出每一单元相关联的单元数目是不同的,采用上述可变索引数据结构,该关联关系可以用以下数据结构表示。

例如通过分析单元,对于上述图中单元13关联数据为:

element[13].related-num=12;

element[13].related-element[1]=2;

element[13].related-element[2]=3;

element[13].related-element[3]=4;

element[13].related-element[4]=5;

element[13].related-element[5]=6;

element[13].related-element[6]=11;

element[13].related-element[7]=12;

element[13].related-element[8]=21;

element[13].related-element[9]=20;

element[13].related-element[10]=19;

element[13].related-element[11]=14;

element[13].related-element[12]=15;

图5所示为在上述单元中电子轨迹的龙格-库塔法计算示意图。可以看出每一步轨迹计算需判断四次空间电场。通常轨迹计算的步长可以采用所在单元三边长度的平均值,尽量使下一步落在关联单元内,这样在计算轨迹时可以利用关联数据从13个关联单元中快速寻找所在单元。判断是否落在某单元中可以用面积计算法,如图6所示。

若落点在某单元内,则该点与单元三个节点构成的三个三角形的面积和S1+S2+S3与单元面积相同,反之则大于单元面积。考虑到数字计算的误差,可以设定一个判定相对误差,例如10-8。

在某些极端情况下,单步轨迹落点有可能超出关联单元,如图7所示。此时可以将步长缩短1/2。若仍然超出,则继续减半。通常若三次仍然超出,则可以认为该轨迹已经超出电场范围,轨迹计算即可结束。

1.4 数值模拟软件设计

为了提高软件的灵活性和通用性,本软件采用模块化设计,如图8所示。

MATLAB作为整个软件的基础平台,主要用于FEMLAB软件与自行编制的FED模拟软件的数据传输,计算结果的可视化处理。在基于MATLAB平台的FEMLAB软件中,FED结构以图形方式输入,通过有限元分析后,将有限单元数据和计算获得的电场(空间电位)输出至MATLAB。自行编制的FED模拟软件从MATLAB中取出FEMLAB输出的数据,分析阴极表面场致电子发射状态,计算电子在空间的轨迹和在阳极的落点,将计算结果输出至MATLAB,以图形方式绘出电子轨迹和着屏光点。阴极发射、轨迹计算与可视化输出如图9所示。

2 结论

本文以MATLAB为平台,设计了场致发射显示器件专用模拟软件,并且在计算电子轨迹时采用了动态内存分配方法和可变索引数据结构。该软件与FEMLAB软件相结合,实现了图形化的结构参数输入,采用有限元法计算多种介质空间的电场分布,利用单元逐步细分的方式来描述尺寸、电场变化剧烈的区域,可提高计算的速度和精度。利用该软件可以分析阴极表面场致电子发射状态,计算电子在空间的轨迹和在阳极的落点,并实现计算结果的可视化。

参考文献

[1]Ho Jia-Chong,Chang Yu-Yang,Liao Jane-Hway,et al.In:Jay Morreale ed.Color carbon nanotube field emission display[C].SID International Symposium,Boston,USA,2006:372-375.

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[3]Kesliing W Dawson,Beam focusing for field-emission flat-panel displays[J].IEEE Transactions on Electron Devices,1995,42(2):340-347.

[4]Kim J M,Lee N S,You J H,et al.In:M.Okabe ed.Carbonnanotube-based field emission displays with triode structures[C].International Display Workshops,Kobe,Japan,2000:1003-1006.

[5]Lee Chun-Tao,Cheng Hua-Chi,Chang Yu-Yang,et al.In:Jay Morreale ed.Planar triode structure carbon nanotubesfield emission display[C].SID International Symposium,Bal-timore,USA,2003:922-925.

[6]Nilsson L,Groening O,Emmenegger C,et al.Scanning fieldemission from patterned carbon nanotube films[J].AppliedPhysics Letters.2000,76(15):2701-2703.

[7]Lan Yung-Chiang,Hu Yuan,Lin Tsabg-Lang,et al.Simula-tion study of reflective-type carbon nanotube field emissiondisplay[J].Jpn.J Appl Phys,2002,41:657-663.

[8]Lei Wei,Wang Baoping,Tong Linsu,et al.Study of the e-mission performance of carbon nanotube[J].J Vac Sci Tech-nol,B,2000,18(6):2704-2709.

[9]Choi Y S,Kang J H,Kim HY,et al.In:Jay Morreale ed.Asimple structure and fabrication of carbon-nanotube field emis-sion display[C].SID International Symposium,San Jose,USA,2001:718-721.

[10]盛剑霓.工程电磁场数值分析[M].西安:西安交通大学出版社,1991:42-48.

[11]Fowler R H,Nordheim L W.Electron emission in intenseelectric fields[C].Proc Roy Soc,London,1928,A 119:173.

模拟发射台篇6

磨削烧伤不仅使工件的表面质量变差,同时影响磨削效率[1]。磨削烧伤对航空材料——镍基高温合金CMSX4、MARS002(EQ)、Inconel 718等难磨材料来说,是一个较普遍发生的现象。人们一直试图运用声发射技术来在线识别磨削质量。相对于其他各种材料,对陶瓷材料磨削质量的声发射监控是一个尤其值得注意的问题[2,3]。文献[4]论述了运用声发射技术监测磨削烧伤的可行性,认为声发射信号幅值的均值随磨削烧伤的恶化而增大。基于这个原理可实现对磨削烧伤的在线检测。但是,磨削烧伤产生的机理是工件表面层的金属相变,至于金属相变是否存在声发射弹性波,到目前为止还没有有说服力的试验证明。

笔者认为,磨削烧伤是一个瞬态过程,常伴有弹性波的释放。磨削中声发射源较多,包括磨粒的破裂和工件材料的去除等,而磨削烧伤的声发射信号相对这些声发射信号来说比较弱,容易被它们的声发射信号所掩盖。这就使得运用声发射信号来识别磨削烧伤变得相当困难。我们发现,运用短时傅里叶变换(short time Fourier transforms,STFT)技术,可以在众多的磨削声发射信号中清晰地提取磨削烧伤的声发射频率特征。基于这个清晰的声发射频率特征,运用模式识别可以对磨削烧伤作正确的判断。

1 工件的热特性

最新研究显示,磨削热量分配到磨屑、砂轮、工件和磨削液。工件的表面磨削温度由进入工件的磨削热量和砂轮磨过工件的时间而定。例如,当砂轮速度为30～50m/s,工件进给率为0.5～0.2m/min,切深为0.05～2.50mm时,磨削区磨削温度从零到最大值的时间在0.02～0.80s之间。可见磨削温度的变化率是相当大的。脉冲型激光是产生类似磨削热效应的理想热源;同时,激光是一个非接触的热源,在研究中不受外界的其他干扰因素的影响。

声发射弹性波和激光光波之间的干涉产生了声光效应和光热效应。声光干涉效应的频率在数十兆赫兹左右,与光热效应的频率相去甚远。因此,声光效应在本研究中不考虑。而由激光照射激起的热波, 在光热效应出现时,在工件中的渗透深度不超过20μm。由于工件中磨削烧伤的深度一般为10～30μm,所以激光照射引起工件的热烧伤与磨削烧伤的情况是类似的。

聚焦于工件表面的激光脉冲可以认为是一个点热源,由它引起热扩散,产生弹性波,即声发射现象。根据激光脉冲的功率密度,激光脉冲对工件表面的冲击通过两种机理产生弹性波:①如果相当大的激光功率被工件吸收,工件表面受热会被融化;②当激光的功率密度较小,不能引起工件的表面融化时,工件以局部的热扩散为主。在大多数磨削加工中,磨削热效应类似于情形②。一般可以通过控制激光功率密度使工件温度达到与磨削温度相似的温度。而情形①会发生在激光切割加工中。

一旦激光功率密度定下后,进入工件的激光能量在很大程度上取决于工件材料表面的性质。如果激光束的尺寸大而其脉冲时间短,则激光加热的机理可以认为是一维热传递。工件表面温度T可以表达为[5]

$Τ (0, t) = \frac{2 Ι_{0}}{λ} η (\frac{a t}{π})^{1 / 2} (1)$

式中,I0为激光峰值功率的密度;λ为工件材料的热导率;a为工件的热扩散率;t为激光照射在工件表面的时间;η为激光能量吸收系数[5]。

I0是远离焦距长f2的函数,其数学表达式为

$Ι_{0} = \frac{Ρ_{0}}{π d_{2}^{2}} = \frac{Ρ_{0}}{π (d_{1} f_{2} / f_{1})^{2}} = \frac{E_{0}}{π t (d_{1} f_{2} / f_{1})^{2}} (2)$

式中,P0、E0分别为激光总功率和总能量;d1为激光束的直径;d2为激光束照射在工件上的直径;f1为激光的焦距;f2为激光的远离焦距长度。

可见,改变f2可改变激光进入工件的能量。在激光加工中,工件应放在焦点上,以便获取最大的激光能量。而在本文的情况下,工件应置于图1所示的位置,声发射传感器位于工件的背面,热电偶位于工件的前面中心位置且紧贴着工件。必须着重指出,f2的大小取决于工件的温度。

随着工件表面温度的上升,工件材料对激光的反射率下降而其吸收率上升,材料热扩散率主要由其热导率决定,这是由于大部分材料的密度和比热容的乘积值基本相同。镍基合金CMSX4、MARS002(EQ)、Inconel 718等的主要成分是镍[5],由于它们单位体积的热容量大,故它们保持所吸收热量的时间较其他金属长,使镍基合金升温所需的热量多。热扩散率高的材料在吸收和传导热能时都很快。按照式(1)、式(2),工件材料温升与f2之间的关系如图2所示。

考虑到计算公式的误差和热电偶的热惯性,实际工件的温升应在理论计算值与实测值之间。这样,就可以确定与f2相关的磨削烧伤的温度值。工业生产中,一般由工件表面很薄的氧化层的回火颜色来确定磨削烧伤,这是本文中采用的方法。在磨削实验中,磨削烧伤的临界温度由响应很快的可磨式热电偶测得,当工件材料为CMSX4、MARS002(EQ)、Inconel 718等金属时,磨削中的测温热电偶为单极半人工可磨式热电偶;当工件材料为工程陶瓷Al2O3时,热电偶为人工可磨式热电偶。

2 实验研究

用一组激光照射加热工件实验来模拟工件磨削热效应。所有实验在Lumonic JK704 Nd:YAG激光机上进行,该机的技术参数见表1。实验台照片见图3,测试激光照射热的热电偶贴在工件的前面。一个声发射传感器位于工件的背面,如图1所示。考虑工件材料的热惯性,该热电偶为快响应的K型热电偶,热电偶线直径为0.058mm。必须着重指出:在激光照射和磨削实验两种情况下对工件温升进行比较,发现两条温度曲线具有相似的形状与变化趋势[5],所以用激光照射来模拟磨削温度实验是可行的。

图4是不同材料在不同的f2条件下的激光照射温度实验结果,图4中材料温度变化的基本趋势是符合图2中的理论预测的。

图4中,实验条件如下:激光功率为1.5J,激光脉冲时间为0.6ms。由图4中可见,随f2的减小,工件温度上升(电势随温度升高而升高)。3种试验材料MARS002(EQ)、Inconel 718和Al2O3陶瓷,都发现有这个规律;同时,3种实验材料在相同的激光实验条件下的温升明显不同,一般情况下,Al2O3陶瓷的温升最低。这是由于陶瓷对激光的能量吸收较低。CMSX4材料的激光温升实验值见文献[5]。表2为实验用声发射系统的主要参数。

3 工件受激光照射后的声发射实验结果

3.1 Inconel 718材料

在图5右侧的色标中,从-80～20表示材料的温度由低到高,超过20℃表示材料有热烧伤(下图含义相同)。Inconel 718材料热烧伤声发射信号频率主要在200～450kHz、550～700kHz这两个频率段。

3.2 MARS002(EQ)材料

图6为MARS002材料声发射信号的STFT分析图,其热烧伤声发射信号频率主要在200～450kHz这个频率段。

3.3 CMSX4材料

图7为CMSX4材料声发射信号的STFT分析图,其材料热烧伤声发射信号频率主要在250～550kHz这个频率段。

3.4 Al2O3陶瓷

图8为Al2O3陶瓷材料声发射信号的STFT分析图,其热烧伤声发射信号频率主要在250～350kHz这个频率段。

根据前面的研究,这4种工件材料由于温度上升而发出的热烧伤声发射信号的主要频率范围,就是它们发生磨削烧伤时声发射信号的主要频率范围。实验中的4种工件材料的磨削烧伤声发射信号的主要频率范围见表3。

4 结论

在激光照射和磨削实验两种情况下,对工件温升进行比较,发现两条温度曲线具有相似的形状与变化趋势,所以用激光照射来模拟磨削温度实验是可行的。从激光照射加热实验中发现,工件的温升曲线随工件材料的不同而不同;相同条件下,陶瓷的温升最低。工件的温升随工件远焦距f2不同而不同。实验中影响工件的温升主要的因素是激光照射在工件上的光斑尺寸和工件上测温热电偶的位置等。

实验中明显看到,工件温度的改变产生声发射信号,而且工件材料温度改变越大,则其声发射信号越强。不同材料温度改变的声发射信号的频率特征是不同的。

这4种工件材料由于温度上升而发生的热烧伤声发射信号的主要频率范围,就是它们发生磨削烧伤声发射信号的主要频率范围。这样就可以在众多的磨削声发射信号中,比较容易地找出磨削烧伤声发射信号并对其进行研究。实际的磨削烧伤声发射信号分析也证实了这一点。在磨削烧伤发生时,工件材料在上述烧伤主要频率范围的声发射信号能量比没有发生磨削烧伤时强。

摘要：为在磨削的其他声发射信号中发现磨削烧伤声发射信号,对镍基合金和陶瓷材料热扩散的声发射信号特征进行了研究。该热扩散由激光照射引起,用来模拟磨削热效应。运用短时傅里叶变换技术,在没有其他干扰因素的条件下,模拟的磨削烧伤温度的声发射信号的频率特征被成功地提取出来,发现材料温度改变越大则声发射信号越强。

关键词：磨削烧伤,声发射,模拟,激光照射,特征

参考文献

[1]刘贵杰,巩亚东,王宛山.声发射技术在磨削加工监测中的应用[J].机械工程师,2001(12):4-6.

[2]李波,郭力.工程陶瓷高速深磨声发射的实验研究[J].湖南大学学报,2007,34(11):51-55.

[3]Guo Li,Chen Xun,Acoustic Emission from HighEfficiency Deep Grinding of Engineering Ceramics[C]//Proceedings of the 4th International Confer-ence on Responsive Manufacturing.Nottingham,UK:the University of Nottingham,2007:20-25.

[4]Eda H,Kishi K,Usui N,et al.In Process Detectionof Grinding Burn by Means of Utilizing Acoustic E-mission[J].Annals of the CIRP,1994,43(1):36-42.

模拟发射台篇7

任何需要辐射和接收电磁波的无线电技术设备都配有天线,天线是这些设备中用以辐射或接收电磁波的必不可少的组成部分,天线在其中所起的作用是“辐射”或“接收”电磁波的功能。对天线的要求来说,除了辐射电磁波的功能外,还希望它在某方向上辐射强,其它方向弱,甚至很弱没有辐射,也就是说要求它有定向辐射的能力。所以“方向性”是天线的重要技术指标。对广播电视而言,主要是将发射机输出的声音图像信号转换成空间电磁波信号,并尽可能使电磁波能量向水平方向的服务区集中。近年来,随着广播电视事业的发展,有线无线并举、数字模拟同播,节目套数不断增加,但发射塔限制了发射天线的架设。为此双工器、三工器、多工器得到了广泛应用,也带来一些问题。下面就我台CM-MB和模拟十四频道用双工器共用一副天线的问题进行探讨。

1 天线的技术指标

1.1 主瓣宽度

对于任一天线,无论是E面方向图还是H面方向图,它们一般呈花瓣状,所以又称为波瓣图。最大辐射方向所在的瓣称为主瓣,其余的称为副瓣。

1.2 方向系数

在最大辐射方向上某一距离处的辐射功率密度和辐射总功率相同但各方向均匀辐射时在同一距离处功率密度之比。

1.3 天线效率

天线的辐射功率和输入功率的比值。

1.4 天线增益

天线在最大辐射方向上比理想的无方向性天线来说辐射功率增大的倍数。

2 情况介绍

我台现有125米自建发射塔一座,已架设一副蝙蝠翼天线、两副双偶极子天线和一副调频双偶极子板式天线。使用CMMB发射机就需再架设一副天线,但在铁塔上再架设一副天线没有合适的位置,再者我台处于市区铁塔高度略显低。考虑到CMMB是多点同频覆盖,最后决定更换十四频道天线用双工器将十四频道模拟电视和CMMB手持电视共用一副天线发射。天线设备到货后厂家及时给我们进行了安装调试,用网络分析仪对天线的指标进行测试。因为天线和双工器是两个厂家,所以分别对天线和双工器的驻波进行测试。首先测主馈和天线的驻波,为了准确分别在十四频道478~486 MHz和十八频道(CMMB)510~518 MHz频带内选取了6个频点测驻波,测得结果全在1.1以下,符合设计要求。然后又对双工器分别在各自的频段内选取相同的频率点进行测试驻波也在1.1以下,符合设计的要求。最后接上双工器和天线进行统测,测试结果也符合设计要求。

之后用硬馈连接发射机和天线,检测没有问题后开机,逐渐加大功率直到满功率。发射机的电流、电压、入射功率和反射功率指示全正常。发射机可以正常工作。但机房监视器看十四频道时重影比较厉害,反复调整接收天线,重影虽有改善但仍不理想。十八频道(CMMB)接收没有问题。监测中心那里接收也不理想。并且不时的有用户反映他们收看的十四频道电视节目质量不好。为此我们联合监测中心对我台的十四频道和二十频道外出定点测场强。十四频道模拟电视发射机和二十频道模拟电视发射机全是吉兆厂家生产的10 k W发射机,而且二十频道发射机及天馈系统全是新安装的。所以我们对他们的场强进行测试比较,结果如表2。

从上面的测量结果看出十四频道的场强明显比二十频道小,为进一步查明十四频道发射机场强小的原因,我们对十四频道发射机和二十频道发射机接收功率计测输出功率,测量结果输出功率也正常。而后又将双工器甩掉十四频道发射机直接上天线,发射机的场强没有多大变化。从以上的测量结果看十四频道发射机场强小的原因在发射天线。那么为什么CMMB的场强没有问题而模拟十四频道的场强小呢?经过分析发现,原因是模拟电视和数字电视发射采用的极化方式不一样造成的。数字电视采用垂直极化方式发射,模拟电视采用水平极化方式发射。而现在我们共用的天线是采用垂直极化方式。为此我们在监测中心对十四频道用水平极化接收和垂直极化接收测场强,结果如表3。

从测试结果看出垂直极化接收的场强比水平极化接收的场强要大。天线垂直方向性图下倾是一种比较有效的天线技术。其作用可以使覆盖范围变小,加强本覆盖区内的信号强度,增加抗同频干扰能力,同时使天线在干扰方向上的增益下降,降低其他同频的干扰;选择合适的下倾角可以使天线至本覆盖区边界的射线与天线至受干扰区边界的射线之间处于垂直方向图中增益衰减变化最大的部分,从而使受干扰区的同频干扰减至最小。所以我们又对上层天线下倾2度后,在监测中心测量场强结果如表4。

经过2度的机械下倾后在覆盖区内垂直接收场强增加,而水平接收场强反而减小。而老百姓无线接收采用的是水平极化天线接收,所以接收的十四频道电视的信号质量就下降了。由于电波的特性,决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流,极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减,而垂直极化方式则不易产生极化电流,从而避免了能量的大幅衰减,保证了信号的有效传播。因此,在移动通信系统中,一般均采用垂直极化的传播方式。垂直极化天线在水平方向的方向图是全向的,因此可以在相对于发射天线的任何方向上都不改变接收天线的方向性。随着数字电视时代的到来,电视的移动接收成为数字电视的一项重要特征。垂直极化发射接收点的多径信号叠加干扰较轻,便于接收机选择。避免信号阻塞带来误码率的增加而出现丢包现象,所以移动接收发射多用垂直方式发射。水平极化发射在建筑物阻挡造成信号传播的阴影区内,当接收天线的高度大于一个波长时,水平极化电磁波绕射能力比垂直极化波好些,并且水平极化与地面发射电磁波相位角小。所以固定接收发射多采用水平极化发射。CMMB采取垂直极化方式便于移动接收,而十四频道固定接收采用水平极化方式。因此在数字移动发射与模拟电视发射共用一副天线就产生了矛盾。

3 结束语

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