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1、第五节 脉冲阶梯调制发射机中国传媒大学信息工程学院一、概述脉冲阶梯调制（PSM）是80年代初期 开发的新的调制技术，PSM发射机在全世 界范围得到广泛应用。PSM发射机的效率 、可靠性较高。这种发射机的调制系统采 用PSM技术，而高频系统与乙类板调或 PDM发射机是一样的。脉冲阶梯调制发射机的特点是，把板 调发射机的高压直流供电电源化整为零， 通过许多直流电压源的串联叠加得到电子 管要求的瞬时板压。例如某500KW PSM发 射机有32组875V的低压整流器。在载波状态，有16组低压整流器相串 联给出14KV,在100%调幅峰点瞬间，32组低 压整流器相串联给出28KV的电压, 在100% 调
2、幅谷点瞬间，所有的低压整流器均不参 与串联，给出0V的电压。在载波状态，串联叠加的电压源数量 对某一部发射机来说是确定的，它受一固 定直流电压经A/D转换后的数字信号控制 。因此，人为调整该固定直流电压，就能 改变载波状态串联叠加的电压源数量。在调制状态，音频调制信号与上述的 固定直流信号相叠加，经A/D转换后变为 控制信号，与音频对应，在不同的时刻， 有相应不同数量的直流电压源相叠加，给 出相应不同的直流电压。因此，串联叠加 后的电压是具有直流电压分量、变化分量 的包络与调制信号变化规律相同的阶梯波 。阶梯波经低通滤波器滤波后，为高频 被调级提供所需的直流板压和相应的调制 电压，最后进行如常
3、的板极调幅。 阶梯电压波形 PSM发射机将高压主整电源与调幅器 合二为一，提供阶梯电压的装置称为PSM 调制器，阶梯电压的直流分量转化为高频载波 功率，音频分量转化为高频边带功率。因 此，载波功率和边带功率全部来源于PSM 调制器。二、基本原理 PSM发射机构成原理图 PSM开关放大器由N个独立的电压源组成 （例如N=32），为高频末级（被调级）提 供载波电压与调制电压。在载波状态，有 半数的电压源N/2 =16以串联形式接通，输 出Ea =EaT=14KV；在有调制信号时，PSM 开关放大器输出电压的变化范围为0-28 KV PSM开关放大器原理图 PSM开关放大器原理图 经整流和滤波后得到
4、的32个独立电压 源的接通或断开，受32个电子开关控制， 而电子开关的通断受固定直流和音频信号 经A/D转换及逻辑电路产生的控制信号控 制。每个电压源的电位是悬浮的，串联叠 加后多数PSM开关放大器处于高电位。为 了使PSM开的高电位与低电位的控制电信 号相互隔离，低电位的控制信号要通过电- 光-电的转换。每个电压源的电压为US，（又称级电 压或阶电压），在t=T0时刻，全部开关断 开，因此空转二极管FD链的输出端A对地的 电压等于0（相当于100%调幅的谷点）； 当t=T1时，只有一级PSM开关接通（它可以 是N个PSM开关中的任一个），由该级产生 的电流通过其他未接通的PSM开关级的二极
5、管FD流向负载；当t=T2时，再接通一级PSM开关（它可 以是除已接通的PSM开关外的N-1个PSM开关 个中的任一个）， 此时输出端电压为2US ，每接通一级PSM开关，输出端的电压就提 高一个级电压。当所有的N个PSM开关都接 通时，输出端的电压为NUS，相当于100%调 幅的峰点（等于载波状态电压的2倍）。调制度与PSM开关放大器输出电压的关系 调制度（%）调制峰点输出电压调制谷点输出电压0（1/2 ）NUS（1/2 ）NUS100NUS0任意m（1/2 ）NUS (1+m)（1/2 ）NUS (1-m)为了使每个PSM开关级负担均匀，提高 元器件的寿命，PSM开关接通与断开的原则 是：
6、如果要求接通一级，选择未接通的且 断开时间最长的一级；在需要断开一级时 ，选择已接通的且接通时间最长的一级。 这个原则可通过逻辑电路予以保证。不论在载波状态还是调制状态N级 PSM开关级都是以开关频率fc循环通断的。 例如N=32，在载波状态，开通16个PSM开 关级，如先接通按1-16号，那么，每隔 1/fc的时间后2-17号， 3-18号，、，16- 31号，17-32号，18-1号，、，31-14号， 32-15号，1-16号的规律开通。任一级PSM开关从本次开通到断开， 到下次再接通，都要经历32个fc相应的周期 ，即32/fc =32TC，每个开关级的实际工作 频率为fc/32。在调
7、制情况下，以调制频率为 F的正弦信号、m=100%调幅一周期为例， 在调制信号的正半周，在1-16号PSM开关接 通的基础上（此时刻相当于载波点），先 后再接通17、18、31、直到32号PSM开 关（此时刻相当于100%调幅峰点），然后先后关断1、2、3、16号PSM 开关（此时刻相当于载波点），在调制信 号的负半周，先后关断17、18、31、32 号PSM开关（此时刻相当于100%调幅谷点 ），然后，再先后开通1、2、3、 、16号PSM开关（此时刻相当于载波点 ）。在任意调幅度m的情况下，开关管的 主要工作频率为mF。考虑到粗细调幅是 同时存在的，因此，开关管的主要工作频 率应为f= f
8、c /32 +mF，是随调幅信号的频 率和幅度而变化的。三、阶梯电压的补偿 PSM开关级输出的阶梯电压一般称为粗 调电压，与理想的调制电压是有区别的， 它含有较大的非线性失真。虽然通过低通 滤波器可以将主要阶梯波纹予以滤除，但 对于低音高调幅、中音低调幅以及高音极 低调幅来说，阶梯波纹的主要频率成分都 处于低通滤波器的通带之内而无法滤除， 会产生调制信号失真。 为了使经低通滤波器后得到的调制电 压接近于理想，减小失真，阶梯电压还要 按照PDM原理进行细调。用PDM原理对阶梯电压进行细调PDM补偿脉冲的幅度等于级电压US， 而补偿脉冲的宽度是按照调制信号的变化 规律被调制的，即PDM脉冲宽度正比
9、例于理 想调制电压与粗调阶梯电压之间的电压差 值。需要指出的是，这些补偿脉冲仍然是 由前述的32个开关级产生的。通常，PDM补 偿脉冲的重复频率(或称开关频率)fc为30- 40KHz，fc及其谐波可以被PSM开关级输出 端的低通滤波器滤除。四、PSM开关级电路一个PSM开关级电路原理图当电源开关刚合上后，变压器次级回 路内的由延时继电器控制的两个开关S10处 于断开状态，限流电阻R2串联接入变压器 次级其中两相的回路中，以防止启动电流 过大。经过一定的延时后，S10接通，将电 阻R2短路，处于正常的供电状态。三相全波整流器的输出电压经LC组成 的电源滤波器滤波。当发射机关机时，电 容C的储能
10、通过电阻R和另一个在关机时才 接通的开关S10，与接地端构成回路而放电 。某一级PSM开关级整流电压是否参与总 输出电压的叠加，是通过控制该级的GTO（ 可关断的可控硅或可关断晶闸管）实现。 而控制GTO通断的信号要先经过场效应管（ FET）放大。FET放大级原理图当FET输入高电平的“1”的控制信号时， FET输出+15V电压至GTO的门极促使GTO导通 ，因而开关级输出级电压US；当FET输入低 电平的“0”的控制信号时，FET输出-15V电 压至GTO的门极，促使GTO断开，开关级不 输出级电压（或输出电压为0V）。当某一级PSM开关的GTO处于接通的情 况下，该级的FD处于反偏而截止。
11、如果发射机的PSM开关放大器共有N级 （载波状态接通N/2级），如损坏n个，其 后果只影响正峰可能达到的不失真调制度 ，在这种情况下，允许的不失真调制度m， 可按下式计算： m，=(N-n)- N/2 / N/2GTO的保护:GTO的保护: C1、R1和D1构成GTO的保护电路。当关断GTO 时，负载电流通过D1对C1充电，由于电容两 端的电压不能突变，duc/dt处于安全范围 ，使GTO得到保护；当GTO开通时C1的储能 通过R1和GTO放电，使储能在R1上消耗掉。五、PSM调制器提供的功率如果发射机的载波功率为PC，高频被 调级的板极效率为a，板极回路效率为k ，调幅度为m,那么PSM调制
12、器提供的功率 PM为： PM= PC（1+m2 /2 ）/ak 六、PSM发射机的主要杂音 为了使N级PSM开关的负担均匀及降 低开关管的实际工作频率，无论在载波状 态还是调制状态，N级PSM开关都按照 PDM补偿脉冲频率循环通断。当N级PSM开关的输出电压完全平衡 时，载波状态包含的残波频率成分只有开 关频率及其谐波。然而实际上N级PSM开 关的输出电压不可能做到完全平衡（主要 原因是变压器众多次级绕组的漏感不相等 引起），这样，载波状态下输出电压中便 含有开关频率的分频成分，它可能处于低 通滤波器的通带之内而不能滤除，它限制 了PSM发射机信噪比的提高。为了减少N级PSM开关输出电压的不平 衡度，应设法减小电源变压器众多次级绕 组的漏感差，并恰当调整各PSM开关参与 循环导电的顺序。此外，PSM发射机的两 个主整电源变压器的初级三相电源分别对 外电移相150，这样，可使两个主整电源 变压器的次级各N/2组三相全波整流器， 合成等效的各N/2套12相整流器，以降低 波纹因数。
