浅析PDM发射机的脉宽调制信号

王宏生

内蒙古新闻出版广电局东乌732发射台 内蒙古 东乌珠穆沁旗 026300

就中波广播发射机技术发展而言，每一次革命性的进步，几乎都与其调制技术方案创造性的革新密切地联系着。特别是近20年来，随着全固态中波广播发射机以PDM、PSM、DM 等调制技术为核心的研发与广泛的应用，在降低发射机运行和维护成本、提高发射机的稳定运行能力、改善各项技术指标等方面都取得了很好的社会效益和经济效益。

本文以全固态1KW 脉宽调制（PDM）广播发射机为例，对其调制信号波形的产生并重点对其在两个输入信号变化的情况下，比较器输出波形变化的分析并借此进一步提高对同类型中波发射机的调制信号性质的认识。

中波广播发射机采用PDM 脉冲宽度调制，其优点是很突出的：一是提高了效率，各级音频放大单元，由原来工作在甲乙类或乙类变为工作在开关状态，使得整机工作效率可达到78%左右。二是对噪声抵抗能力的增强，因为在模拟音频信号“数字化”后，音频通路处理的只有“0”或“1”，噪声只有在强到足以将逻辑1 改变为逻辑0或将逻辑0 改变为逻辑1 时，才能对数字信号产生影响。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。三是不再使用调幅变压器和调幅阻流圈，不但减少了失真环节，也极大的减轻了整机重量。

在电子技术中，产生PDM 信号的技术方案较多，对于中波广播发射机而言，现在通用的是“三角波比较法”。这里需要说明的是，在采用“三角波比较法”PDM 技术方案中，三角波输出的是一个固定频率，其采用频率的高、低与其相比较的音频上限频率有密切的关系，如在中波广播中音频上限取到9KHz 时，三角波频率采用80KHz。如果音频上限取到20KHz 时，则三角波频率应达到200KHz 左右。

如图1所示，一个音频+直流与三角波形成调制信号的实用电路。音频+直流信号与三角波信号经由LM319 构成的高速比较器对两个输入电平进行比较。其比较逻辑是：当比较器“+”端（4脚）的电平高于“+”端（5 脚）时，比较器（12脚）输出一个+15V 的“高电平”；当比较器“+”端（4 脚）的电平小于“-”端（5 脚）时，则比较器（12 脚）输出一个0V 的“低电平”。可见，通过比较器将输入的音频信号+直流信号电平与三角波发生器输出的三角波电平的大小相比较，然后由比较器输出一串周期固定但占空比变化的方波串信号。

图1

在对脉宽调制信号具体分析之前，需要先了解表述脉宽调制信号的一个重要参数——占空比q（q=tw/T）。式中tw 脉冲宽度，T 为脉冲波的周期。在这里脉冲宽度tw 是指脉冲的高电平的持续时间。以下结合图2所示波形，比较器正向输入端在输入直流时，分析其输出脉宽调制信号波形的变化，并重点讨论在三角波电平和频率不变的条件下，在图3、图4所示的音频电平的“变化”时，比较器输出的脉冲占空比变化的情况并由此产生的影响。

1 比较器正向端输入直流信号时的情况

图2

如图2所示，没有输入的音频信号，在比较器的正向输入端只有直流信号时，由于直流电平交于三角波电平变化的中点，比较器输出端得到周期T 与三角波周期相同，tw 为T 的50%时，即占空比q=0.5 等宽的方波脉冲串。实际应用电路中，虽然在发射机的功率控制端给出是一个0V～10V 的功率控制电压，但经调制板上的直流+音频电路优化处理后，输入到比较器的直流电压约为2.4V 左右，据此图2所示的表示直流（3V）的直线也应相应的下移，使占空比维持在q=0.4，即一个周期T 内，脉冲tw 持续的时间只占一个周期时间的40%左右。此后，在加入音频信号后，受音频信号的“调制”，比较器输出的是周期T 不变，而占空比q 随输入的音频信号幅度大小而变化来表述音频信号幅度和频率信息的方波串信号。此时，q=0.4 的方波串就是载波状态时的一个完整信息的表述。

2 比较器正向端输入直流+音频信号时的情况

图3

图4

图3、图4分别所示的是：当音频信号频率上限分别取10KHz 和2.5KHz 时，且当三角波频率为固定80KHz 时，比较器输出的脉宽调制的方波串示意图。为讨论方便起见，我们把比较器输出方波的占空比定为q=0.5，这并不影响发射机在q=0.4 工作时其讨论结果的准确性。为什么实用中占空比q 取到0.4，稍后再做一说明。

由图3、图4所示可见，当音频信号的峰—峰电平略小于三角波的峰—峰电平时，即在占空比0＜q＜1（q=t/T）的情况下，比较器输出的脉宽调制信号脉冲串，完全可以假定此时输出的脉宽调制信号对应于100%的调制度，并基本判定此时的占空比q 的变化：一是当直流+音频信号在音频信号正峰时占空比q 绝不会大于1，二是当直流+音频信号在音频信号负峰时占空比q 绝不会小于0。此时，比较器输出的是一个周期“可辩”可用的脉冲串。

当占空比q 出现等于1 或0 的情况时，比较器输出的脉宽调制信号是怎样的呈现呢？先看一下占空比q=1 的情况：从占空比表达式q=tw/T 可知，当占空比q=1，即当tw=T 时，从比较器的输入波形来看，意味着输入音频信号的正峰恰好处在输入三角波顶部的拐点处；当占空比q=0，即当tw=0 时，则意味着输入音频信号的负峰恰好处在输入三角波底部的拐点处。这样，结合图3、图4所示，可以得出以下结论：当q=1 时，在输入音频信号的正峰时，比较器输出脉冲的前后高电平将会连在一起，特别在输入的音频信号频率较低时，这种现象则更为明显（参考图4所示）；当q=0 时，在输入音频信号的负峰时，比较器输出脉冲将会变得非常“窄”，如果“窄”到一定程度并考虑脉冲波的前后沿特点和所用比较器性能，前后的一些“窄脉冲”将会丢失，特别在输入的音频信号频率较高时，这种现象则尤为明显（参考图3所示）。显然，如果输入音频信号的超出三角波的拐点时，上述现象则将更为严重。事实上，这两种情况的出现，都将导致调制信号不可用。

以上是基于占空比q=0.5 条件下的分析结果，但在实际应用中占空比q 一般要求设在0.4 左右。把占空比q 设在0.4 左右，比照上面的分析方法，可以发现把占空比q 设为0.4，当音频信号过大时，可以在一定程度上避免比较器输出脉冲顶部连成一片，实际上是提高了正峰调制能力。在实际工作中把占空比q 从0.5 调到0.4，只不过是在发射机载波状态下，将输入到比较器3V 的直流电平降至2.4V 左右的结果。

从上面的分析过程来看：要想使比较器输出一个可用的脉宽调制方波串，应对输入的音频信号与三角波信号两者之间相对幅度大小，要有一个相对值来对其进行约束，从实测结果来看，相对值不会超过95%。此外，在实际工作中为提高调制度而采取一味的增大输入音频信号的电平的办法，也不是一个严谨的选择。