调频广播发射机故障分析

调频广播发射机故障分析一例

李良富●《西部广播电视》2009年9期.总204期

摘要：农村中央广播电视节目无线覆盖工程在全国展开。本文针对2008年实施的无线覆盖工程中出现的调频发射机与天线不能配接的故障进行了分析、处理，该现象具有一定的典型性，具有借鉴价值。

关键词：调频广播发射机双鞭垂直极化天线锁相驻波比

泸县广播电视台于1989年开始在泸县玉蟾山大毛坪建设发射台，位于AAA级风景区玉蟾山大毛坪，海拔高度515米。现发射台建筑面积370平方米。有发射机2部，电视为3CH，调频为88.4MHZ，转播了中央一套节目和泸县的自办节目。按照2007年四川省广播电影电视局的规划和市局的工作安排，对现有设备进行扩容改造。改造后承担了中央电视1套、电视7套、中央广播1套和本县的广播、电视共5套节目的转播发射工作。

在2008年四川的农村中央广播电视节目无线覆盖工程中，该台使用由农村中央无线覆盖工程划拨的陕西数字广播通讯设备有限公司生产的FM101S-1型100W全固态调频广播发射机，天馈系统为成都凌风电子科技公司生产的LFT SB1V-FM调频广播双鞭垂直极化天线，工作频率为97.3 MHZ。设备安装完成后开机试播，发射机始终不能正常工作，发射机开机后立即进入保护状态并报警，该机只有一个报警指示和一种声音报警，无从区分报警的具体原因。从发射机保护告警的信息分析，可能有以下一些原因：1、发射机天馈系统驻波比过多，导致驻波保护。2、发射机输出功放单元有故障，导致开机检测参数超标保护。3、电源及其它原因导致保护。我们开始逐步依次排查：首先，是怀疑天线调试不合格，驻波比过大。该天馈系统采用双鞭垂直极化天线，采用SDY 50-23聚乙烯螺旋绝缘皱纹

铜管外导体同轴电缆。我们采用扫频仪器多次仔细调试天线的驻波比指标。但仪器测试的结果都完全合乎要求，测试指标为＜1.15，达到乙级标准，在中心频率±400KHZ带宽内的指标＜1.1，达到国家甲级标准，根据国家广播电影电视行业标准《GY/T 5051-1994电视和调频广播发射天线馈线系统技术指标》要求：在天馈系统输入端，调频广播天馈系统在工作频道内的驻波比为：甲级≤1.15；乙级≤1.20；丙级≤1.30。根据广播电视系统对驻波比的要求，此天线指标在实际应用中发射机不可能产生保护。按理应该完全可以正常工作。于是开始怀疑为发射机有故障，于是，采用假负载开机测试，发射机正常开机，且功率输出完全正常，各状态检测均正常。停机后再次检查发射机输出接口、天线接口无异常。为此，可以排除以上分析的三个原因。

检修工作陷入困境，经反复分析，认为可能是发射机带外滤波不干净或频率不对等导致保护，为了进一步确认故障，我们将发射机接上300W 的假负载，通过定向耦合器取出射频信号，将频谱仪设置到中心频率，采用频谱仪监测发射机输出频谱。开机后，发现发射机工输出的频谱带外抑制完全合乎要求，带外非常干净。关机后，将频谱仪的分辨率调低，展宽扫描频带，再次开机，意外发现在开机时发射机的输出频谱从低段开始向高端慢慢移动，几秒后移动到发射机设定的工作频率97.3MHZ处频率锁定。

我们立即查阅该公司提供配套资料中的电路图。该调制器采用变容二极管直接调频技术，即在工作于发射载频的LC振荡回路上直接调频，采用晶体振荡器和锁相环路来稳定中心频率。较之中频调制和倍频方法，这种方法的电路简单、性能良好、副波少、维修方便，是一种较先进的频率调制方案。

根据锁相稳频电路原理，其电路一般包括四个部分：压控振荡器、鉴相器、基准晶体振荡器和分频器。放大的调制信号加入压控振荡器，对其进行频率调制，经过调制的高频信号一路送至后面的放大电路，另一部分

送入分频器进行分频。分频器输出的方波信号送入鉴相器中，与基准晶体振荡器经过分频后得到的基准信号进行比较，实现相位锁定。鉴相器的输出信号经过环路滤波器送入压控振荡器中，控制压控振荡器的振荡频率，从而达到稳定频率的目的。下图1是典型的锁相稳频电路的结构框图。

图1 锁相环频率合成器

调频锁相环路中的环路滤波器是低通滤波器，由于调频的结果使压控振荡器输出信号的瞬时频率总是偏离其基准值，也就是说，已调信号在中心频率附近很小的一个频偏范围内变化。而环路的功能就是要抑制频偏，这就产生了一个矛盾，又要解决中心频率的稳定，又要保证调频的调制频偏不受影响。为了解决这个矛盾，应该使调制信号的频谱处于环路通带之外，也就是需要在鉴相器和压控振荡器之间加一个低通滤波器，将其滤除。环路只对引起压控振荡器平均中心频率不稳定的那一部分起作用，也而保证只有振荡器中心频率不稳定影起的误差电压反馈给压控振荡器。

同时，为了扩大环路在失锁时的捕捉范围，保证快速锁定，就需要设法扩大失锁时的捕捉范围，即扩展捕捉带。扩展捕捉带发的方法中一种比

较简单的方法就是变宽带法，即在调频锁相环中加入失锁保护电路，对环路滤波器采用自动开关控制，当调频锁相环失锁时短路低通滤波器，扩大搜索范围，当频率接近中心频率时，断开开关。如图2所示。

图2 变宽带法原理框图

锁相环鉴相器是稳定频率的核心部分，该部分由摩托罗拉公司的数字鉴相-鉴频集成芯片MC145170和环路低通滤波器组成，外接标准晶体振荡器选用MORION公司的温补晶振MV68系列(10MHz)，其调制部分采用了变容二极管直接调频技术，来实现调频激励源的中心频率在87～108MHz内以100kHz为间隔变化的调频激励源。输入调频信号为音频(30Hz～15kHz)，要求实现最大频偏为75kHz。摩托罗拉公司生产的MC145170是一片可用于MF、HF和VHF波段的、串行码输入编程的单模CMOS锁相环频率合成器芯片。该芯片内含完全可编程的÷R和÷N计数器，输入译码器，在fin脚内置一放大器，可外接晶体振荡器，可编程的参考输出，具有线性转移功能的单端或双端鉴相器和可调整的C寄存器。该电路中选择用φR与φV 双端输出。

我们分析认为：由于该调频调制单元为全调频段通用设计，则该调频锁相环采用扩展捕捉带的方法，使锁相环锁定所允许的最大起始频率范围

变宽，以满足调频全波段覆盖。由于该机工作在97.3 MHZ，锁相环由失锁状态进入锁定状态，其压控振荡器（VCO）信号与标准信号之间的频差数值大，这样也就带来了一个问题，其完成锁定的时间也会相对变长。我们分析该锁相环的初始振荡频率设置为调频频段的低端，通过CPU设置工作频率后，由锁相环完成最后的频率锁定。由此，我们确认该“漂移”过程为调频发射机调制器锁相的正常过程。为进一步确认，我们打开发射机，监测功放的前级输入信号，频谱仪显示测试结论相同。通过分析电路的控制原理，发现在发射机没有完成锁相前，没有对功率输出级进行控制，发射机的末级功放一开机便进入工作状态，导致开机时的锁相过程中的漂移信号通过功放单元输出。由于该调频广播发射系统使用的是调频广播双鞭垂直极化天线，为窄带双鞭天线，厂家调试带宽一般在1.5~2MHZ以下，不是调频全波段天线。在发射机锁相完成前的中心频率由低到高的上升，其频率完全在该天线的正常通带以外，该信号通过发射机功放单元输出到天线后，必将造成发射天线的反射过大，从而导致发射机检测后形成驻波比保护，保护后开始报警。

由于发射机出厂时是在标准假负载上进行测试，几乎不存在所谓的“带宽”问题，所以能工作正常。同时，也了解到有的地方同样的技术方案但设备工作正常。我们分析可能为两个方面，一是发射天线为全波段天线，且没有多工设备；二是发射机工作频率为调频波段的低端频率，锁相时间更短，就算使发生了驻波比保护，也在发射机的驻波比保护的允许时间内，因此能正常工作。总结以上分析，我们提出以下解决方案：一、将调制器的锁相时间缩短；二、在调制器完成锁相前，封锁功率输出，待频率锁定后开始逐步增大到设定功率。通过反复比较两套方案，我们认为：第一套方案由电路设计已经确定，改造难度大。第二套处理方案实现容易，并与厂家工程师进行了沟通后，了解到他们公司在小功率发射机上确实没有在锁相前关闭功率输出。我们分析后，决定在调频调制器的输出端安装

了一个高频低电压继电器，实现信号锁相前的信号封锁，由于锁相环完成锁相后，会由一个指示信号输出，我们决定采用该输出电压控制继电器工作来实现射频关断处理，改造点如图3所示。

图3 改造示意图

其原理为：将继电器接入调制器的输出端，使用继电器常开接点，设置为常开，利用锁相成功后的指示信号控制继电器的工作，闭合电路。在锁相完成前，继电器为常开，信号被关断，保证无信号进入功放末级电路。锁相成功后调制器会有一个指示信号的电压输出，我们用该电压信号控制继电器闭合，将稳定的主频信号输出到功放电路推动功放工作。这样一来，保证了输出的大功率信号为天线的带内信号。通过改造后发射机工作正常，再没有出现过类似的保护故障，技术改造成功。

参阅资料：

1、FM101S-1型100W全固态调频广播发射机成套运用文件

2、《调频广播发送技术》中国广播电视出版社

3、《广播·电视·调频发送技术》上册.中国广播电视出版社