CN210724760U - 一种实现调频和调幅功能的多频率发射设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种实现调频和调幅功能的多频率发射设备，该多频率发射设备包括：频综组合，所述频综组合包括恒温晶振、FPGA、MCU、运算放大器以及乘法器；所述恒温晶振用于向所述FPGA提供稳定的参考频率；所述FPGA用于根据所述MCU的指令输出预设频率的射频信号；所述乘法器用于将所述射频信号与输入的音频信号相乘，得到相应的调幅信号；所述运算放大器用于将所述调幅信号放大，输出激励信号。本实用新型实施例提供的技术方案，可基于FPGA和MCU，结合调幅和调频两种调制方式，将多个不同频率的覆盖信号叠加，通过一副天线发射出去，实现单套设备的多频信号发射，降低设备配置，降低设备成本。

Description

一种实现调频和调幅功能的多频率发射设备

技术领域

本实用新型实施例涉及发射机技术领域，尤其涉及一种实现调频和调幅功能的多频率发射设备。

背景技术

发射机(也称为“发射设备”)主要用于完成低频信号对高频载波的调制，是一种将信号按一定频率发射出去的装置，广泛应用于电视、广播、雷达等各种民用设备和军用设备，主要可分为调频发射机和调幅发射机等多种类型。

目前，传统的大功率广播发射设备占地面积大，播音效率低，播音频道数量有限，由于西藏、四川、新疆等地用户广播发射台天线场地狭小，海拔高，使用环境恶劣等因素，不便使用大功率发射设备进行播广播。同时，传统的短波发射设备发播频率只有一个，而且只有调幅调制一种功能，发射机利用率较低，要实现同时播出多个频率节目，只能用多套发射机才能实现，成本很高，占地空间也大。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种实现调频和调幅功能的多频率发射设备，以将多个不同频率的覆盖信号叠加，通过一副天线发射出去，实现单套设备的多频信号发射，降低设备配置，降低设备成本。

本实用新型实施例提供了一种实现调频和调幅功能的多频率发射设备，该多频率发射设备包括：频综组合，所述频综组合包括恒温晶振、FPGA、MCU、运算放大器以及乘法器；

所述恒温晶振用于向所述FPGA提供稳定的参考频率；

所述FPGA用于根据所述MCU的指令输出预设频率的射频信号；

所述乘法器用于将所述射频信号与输入的音频信号相乘，得到相应的调幅信号；

所述运算放大器用于将所述调幅信号放大，输出激励信号。

在一实施例中，该多频率发射设备还包括推动级放大器组合、功放组合和监控组合；

所述频综组合基于调频和调幅输出激励信号；

所述推动级放大器组合用于对所述激励信号的功率放大；

所述功放组合对放大后的所述激励信号的大小进行采样，得到采样信号；

所述监控组合对所述采样信号进行检波及频谱分析，并控制所述频综组合增大或减小输出的所述激励信号，以达到预设功率等级。

在一实施例中，所述推动级放大器组合包括第一宽带功率放大器、第一监测板以及第一故障状态显示板；

所述第一宽带功率放大器用于提高所述激励信号的功率；

所述第一监测板用于监测所述第一宽带功率放大器的工作状态；

所述第一故障状态显示板用于显示所述第一宽带功率放大器的故障状态。

在一实施例中，所述推动级放大器组合还包括第一散热风机；

所述第一散热风机用于为所述第一宽带功率放大器散热。

在一实施例中，所述功放组合包括一个四路同相功率分配器、四个第二宽带功率放大器、一个四路同相功率合成及定向耦合器、一块第二监测板以及一块第二故障状态显示板；

所述四路同相功率分配器用于将所述推动级放大器组合放大后的所述激励信号平均分配成四路，分别输出至四个所述第二宽带功率放大器；

所述第二宽带功率放大器将分配后的所述激励信号放大后，输出至所述四路同相功率合成及定向耦合器，合成并采样后输出；

所述第二监测板用于监测所述第二宽带功率放大器的工作状态；

所述第二故障状态显示板用于显示所述第二宽带功率放大器的故障状态。

在一实施例中，所述功放组合还包括第二散热风机；

所述第二散热风机用于为所述第二宽带功率放大器散热。

在一实施例中，该多频率发射设备还包括滤波器组合和定向耦合器；

所述滤波器组合用于实现对谐波分量和杂散分量的滤除和抑制；

所述定向耦合器组合用于测量所述多频率发射设备的RF入射功率值和反射功率值，进行功率指示和驻波报警。

在一实施例中，所述滤波器组合包括椭圆函数型吸收式滤波器。

在一实施例中，所述定向耦合器组合包括正向耦合和反向耦合。

在一实施例中，该多频率发射设备还包括分配电组件和稳压电源组合；

所述稳压电源组合用于向所述功放组合供电；

所述分配电组件用于向所述频综组合、所述监控组合以及所述滤波器组合配电。

本实用新型实施例提供的实现调频和调幅功能的多频率发射设备包括频综组合，所述频综组合包括恒温晶振、FPGA、MCU、运算放大器以及乘法器；所述恒温晶振用于向所述FPGA提供稳定的参考频率；所述FPGA用于根据所述MCU的指令输出预设频率的射频信号；所述乘法器用于将所述射频信号与输入的音频信号相乘，得到相应的调幅信号；所述运算放大器用于将所述调幅信号放大，输出激励信号，由此，可基于FPGA和MCU，结合调幅和调频两种调制方式，将多个不同频率的覆盖信号叠加，通过一副天线发射出去，实现单套设备的多频信号发射，降低设备配置，降低设备成本。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种多频率发射设备的实物示意图；

图2是图1所示多频率发射设备的原理示意图；

图3是图1所示多频率发射设备中，滤波器组合的幅频特性图；

图4是图1所示多频率发射设备中，定向耦合器的实物示意图；

图5是图1所示多频率发射设备中，监控组合的原理示意图；

图6是图1所示多频率发射设备中，监控组合的实物示意图；

图7是图1所示多频率发射设备中，频综组合的原理示意图；

图8是图1所示多频率发射设备中，频综组合的实物示意图；

图9是图1所示多频率发射设备中，电源组合的实物示意图；

图10是图1所示多频率发射设备中，分配电组件的原理示意图；

图11是图1所示多频率发射设备在调幅模式下输出的波形示意图；

图12是图1所示多频率发射设备在调频模式下输出的双频谱示意图；

图13是图1所示多频率发射设备在调频模式下输出的单频谱示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

本实用新型实施例提供的实现调频和调幅功能的多频率发射设备至少包括如下改进点：实现了单部发射设备能够同时发播最多三个频率的功能，调制方式分为调幅和调频两种模式，发射功率达2kW。具体的，该短波(3MHz-30MHz)发射设备采用自动功率分配技术(激励器输出激励信号，发射机定向耦合器进行输出信号大小采样，监控组合对采样信号进行检波及频谱分析后，控制激励器增加输出激励还是减小输出激励值，以达到所要求的功率等级)，将多个不同频率的覆盖信号叠加，通过一副天线发射出去，实现单套设备多频信号发射，降低设备配置，降低设备成本。

下面结合图1-图13，对本实用新型实施例提供的实现调频和调幅功能的多频率发射设备进行示例性说明。

参照图1，本实用新型实施例提供的实现调频和调幅功能的多频率发射设备(下文中，可简称为“发射设备”或“发射机”)可为2kW固态发射设备，具体可为2kW短波全固态发射设备；其结构形式可为19英寸标准机柜，外形尺寸参数为：宽度为650mm、高度为1754.5mm以及深度为800mm。其内部可包括：一个工业平板电脑(交互界面作用，同时负责与远程控制组网进行通讯)，一台激励器，一台监控组合，一台推动级组合，一台功放组合，一台滤波器组合，一台稳压电源组合以及分配电组件；还可包括本领域技术人员可知的其他结构部件，本实用新型实施例对此不作限定。

参照图1-图13，该多频率发射设备10包括：频综组合110和天线170，天线170用于发出由频综组合110调制后的激励信号；频综组合110包括恒温晶振111、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)112、微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)113、运算放大器115以及乘法器114；恒温晶振111用于向FPGA112提供稳定的参考频率；FPGA112用于根据MCU113的指令输出预设频率的射频信号；乘法器114用于将射频信号与输入的音频信号相乘，得到相应的调幅信号；运算放大器115用于将调幅信号放大，输出激励信号。

其中，频综组合110(激励器110)主要用于生成待发射的低功率射频信号，是发射系统的信号源。激励器主要由频率合成器组件、特定调制信号发生器组件、调频控制与显控组件等组成，采用直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)技术和单片机控制技术，广泛采用数字信号处理(digital signal processor，DSP)芯片和大规模集成电路；且具有计算机遥控接口。

参见图7和图8，恒温晶振111给FPGA112提供稳定参考频率，FPGA112根据MCU113所要求的指令进行输出相应频率的射频信号后，经过运算放大器115进一步放大，输出不小于1W的射频激励信号。其中，MCU113主要具有与控制单元进行通讯的功能。其中，外部音频信号与FPGA112产生的射频信号相乘后得到相应的AM调幅信号，输出至推动级放大器组合120进行进一步放大。

需要说明的是，频综组合110还可包括通讯接口、输入模块(例如键盘)、输出模块(例如显示)等本领域技术人员可知的其他结构部件和组件，本实用新型实施例对此不赘述也不限定。同时，输出的射频信号的预设频率可根据多频率发射设备的发射需求设置，可为7MHz、5MHz、20MHz或本领域技术人员可知的其他频率值，本实用新型实施例对此不赘述也不限定。

在一实施例中，该多频率发射设备10还包括推动级放大器组合120、功放组合130和监控组合160；频综组合110基于调频和调幅输出激励信号；推动级放大器组合120用于对激励信号的功率放大；功放组合130对放大后的激励信号的大小进行采样，得到采样信号；监控组合160对采样信号进行检波及频谱分析，并控制频综组合增大或减小输出的激励信号，以达到预设功率等级。

如此，可实现功率自动分配。

其中，监控组合160主要实现对发射设备10的程序开关机、自检与校准、状态检测与显示、故障监测与自动保护、状态与故障的告警和上报、RF输出信号的检测与上报等功能。

其中，监控组合160对发射机10的故障检测可定位至可更换独立单元，当某单元发生故障时，可定位故障点、判断故障级别并按故障级别设定自动完成相应保护操作。示例性的，可更换独立单元可包括稳压电源组合中的电源模块、功放组合中的功率放大器模块以及其他可模块化的结构部件。

其中，监控组合160可采用光耦、差分电平、光端接口、浮地等方式，实现较好的抗干扰性能。同时，监控组合160结合保护机制，其采用可编程控制器和MCU相结合的方式设计，可使系统设计灵活，集成度较高。

示例性的，监控组合160对于功放组合130的故障或者系统的VSWR过大的故障采取降激励工作的方式工作；如果再出现故障，采取关激励操作，以保护发射机不受损坏。

示例性的，监控组合160的工作原理可参见图5，其实物图可参见图6。

示例性的，监控组合160设计采用高速16位单片机作为主控制器，FPGA芯片作为协处理器和逻辑控制器，采用光电隔离，多次滤波，软件滤波，重复检测等设计方法，达到发射机可靠稳定工作的目标。其采样的入射功率和反射功率使用平方率检波的方式，做到全频段内发射机的功率指示保护稳定可靠，标准一致。

在一实施例中，推动级放大器组合120包括第一宽带功率放大器、第一监测板以及第一故障状态显示板；第一宽带功率放大器用于提高激励信号的功率；第一监测板用于监测第一宽带功率放大器的工作状态；第一故障状态显示板用于显示第一宽带功率放大器的故障状态。

其中，利用推动级放大器组合120可实现对发射设备RF输入激励信号的功率放大，得到约10W的功率，满足驱动1个末级2kW功放组合的功率电平要求。具体的，该推动级放大器组合120由1块监测板(第一监测板)、1块故障状态显示板(第一故障状态显示板)以及1块10W宽带功率放大器模块(第一宽带功率放大器，也称为放大器模块)组成。其中，监测板可检测放大器模块的温度、电流、功率、驻波等工作参数，以确定其工作状态；当出现故障时，故障信号可通过输出设备(例如，前面板上的第一故障状态显示板)指示；同时，可通过CAN总线把相应的工作状态和故障信息上传给机柜的监控组合160。

在一实施例中，推动级放大器组合120还包括第一散热风机；第一散热风机用于为第一宽带功率放大器散热。

示例性的，第一散热风机可采用单独供电的24V直流风机，第一监测板还兼顾监测第一散热风机的工作状态，当第一散热风机发生故障时，可以上报一个故障信号，以便及时更换，保证放大器模块的冷却，从而确保其工作在合适的环境温度中，确保其良好的工作性能。

在一实施例中，功放组合130包括一个四路同相功率分配器、四个第二宽带功率放大器、一个四路同相功率合成及定向耦合器、一块第二监测板以及一块第二故障状态显示板；四路同相功率分配器用于将推动级放大器组合放大后的激励信号平均分配成四路，分别输出至四个第二宽带功率放大器；第二宽带功率放大器将分配后的激励信号放大后，输出至四路同相功率合成及定向耦合器，合成并采样后输出；第二监测板用于监测第二宽带功率放大器的工作状态；第二故障状态显示板用于显示第二宽带功率放大器的故障状态。

示例性的，该功放组合130可为2kW功率放大器组合。其中，2kW RF宽带功率放大器组合是2kW全固态发射设备的基本单元，可实现对推动级放大器组合120输出的信号进行平均分配成四路，分别输出至4个功率放大器，4个功率放大器放大后输出至合成器进行合成后再通过定向耦合器进行功率大小采样后输出，功率不小于2kW的功率。

示例性的，该功放组合130可包括1个20W四路同相功率分配器(即四路同相功率分配器)、4个1kW宽带功率放大器模块(即第二宽带功率放大器)、1个3kW四路同相功率合成及定向耦合器组件(即四路同相功率合成及定向耦合器)、1块监测板(即第二监测板)和1块故障状态显示板(即第二故障状态显示板)，以及包括输入输出接口、它配套元器件、线缆等本领域技术人员可知的其他结构部件。

其中，20W四路同相功率分配器可对输入功放组合130的射频功率进行4路同相分配。用传输线变压器完成宽频带的同相功率分配，各路插入损耗小于0.25dB，各路间插入损耗一致性小于0.1dB，各路之间隔离度优于25dB，RF连接器为SMA-50KF。

其中，3kW四路同相功率合成及定向耦合器组件可把功放组合130内4个第二宽带功率放大器的输出进行4路同相合成，然后再通过此组件内集成的定向耦合器，对输出功率和反射功率采样。

其中，监测板和故障状态显示板的作用与上文类似，在此不赘述。

在一实施例中，功放组合130还包括第二散热风机；第二散热风机用于为第二宽带功率放大器散热。

如此，可确保第二宽带功率放大器工作在合适的环境温度中，确保其良好的工作性能。

在一实施例中，该多频率发射设备10还包括滤波器组合140和定向耦合器150；滤波器组合140用于实现对谐波分量和杂散分量的滤除和抑制；定向耦合器组合150用于测量多频率发射设备的RF入射功率值和反射功率值，进行功率指示和驻波报警。

其中，通过设置滤波器组合140可实现对谐波分量和杂散分量的滤除和抑制，保证发射设备符合ITU的相关规定和要求。滤波器组合140可为2kW滤波器组合，其设计为椭圆函数型吸收式滤波器，如此，可实现对带内的匹配和带外谐波的抑制。

示例性的，滤波器组合140设计为6频段椭圆函数型吸收式滤波器，包括低通滤波器板，高通滤波器板，负载电阻，真空继电器，输入输出接口及其它配套元器件、线缆等组成。软件计算得到的滤波器组合140的幅频特性如图3中加粗的线条141所示。图3中，横坐标代表频率(单位为MHz)，纵坐标代表幅度衰减值S21(单位为logdB)，加粗的线条代表滤波器组合140中主通路对应不同频率的衰减值。右图3可知，有用信号几乎是无衰减的，接近0dB，带外(即无用频率)处衰减值很大，如此可保证滤波器组合140输出有用频率幅度值与无用频率幅度值的最大比。

其中，定向耦合器150采用通过式连接，可实现2kW发射设备的输出功率检测、反射功率检测、RF输出电压取样；RF入射功率和反射功率取样信号提供给RF功率检测电路，测量发射设备的RF入射功率值和反射功率值，进行功率指示和驻波报警。

在一实施例中，定向耦合器组合150包括正向耦合和反向耦合，其实物图如图4所示。

在一实施例中，该多频率发射设备10还包括分配电组件和稳压电源组合180；稳压电源组合用于向功放组合供电；分配电组件用于向频综组合、监控组合以及滤波器组合配电。

示例性的，稳压电源组合180可由1台高稳压精度、低纹波输出、宽电压适应范围的稳压电源模块组成，以保证发射设备的稳定工作和杂散输出指标，其实物图可参见图9。其中，稳压电源组合180的电源输入可为三相380VAC，输出可为50VDC/200A，其电源面板分别显示工作电流和电压值。

示例性的，分配电组件(也成为分配电组合)应用于为该发射机中的其他组合或功能单元提供相应的配电，其原理图可参见图10。其中，2kW短波全固态发射设备采用三相交流供电形式：380Vac±15％；50Hz～60Hz。

在上述实施方式的基础上，图11示出了发射设备在调幅模式下输出的一种波形，由此说明该发射设备可实现输出正常的音频调幅波形。图12示出了发射设备在调频模式下输出两个频率频谱图，由此说明该发射设备可实现输出两个调频信号波形。图13示出了发射设备在调频模式下输出一个频率频谱图，由此说明该发射设备滤波器抑制带外谐波与杂散的能力。

本实用新型实施例提供的实现调频和调幅功能的多频率发射机至少具有如下技技术效果：

1)利用频综组合中的恒温晶振、FPGA、MCU、运算放大器以及乘法器，实现调频和调幅，可实现单部发射设备发射多个频率节目；

2)可解决功率放大器在额定功率工作时的散热问题，具体的：功放组合包括多个散热风机，推动级放大器组合包括多个散热风机，其中功放组合和推动级放大器组合中的功率放大管是发热单元，功放管的热量传导在散热器上，散热风机强行对散热器吹冷风，如此热量被吹到设备体外，达到散热目的；

3)调频和调幅模式下工作时，可提高发射设备效率，具体的，发射设备的总功率除了发射出去的有用功率外，会产生很多热能，热能越多，发射设备总耗电功率就越大，所以本发射机设备尽可能的减少发热单元，功放组合和推动级放大器组合包括主要的发热单元，该发射设备中采用仅具有四个末级功率放大器的功放组合和具有一个推动级功率放大器的推动级放大器组合，较市面目前较多的16个功率放大器组成的发射机设备而言，输出有用功率相同，但热损耗降低，故提高了发射机的效率。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种实现调频和调幅功能的多频率发射设备，其特征在于，包括：频综组合，所述频综组合包括恒温晶振、FPGA、MCU、运算放大器以及乘法器；

所述恒温晶振用于向所述FPGA提供稳定的参考频率；

所述FPGA用于根据所述MCU的指令输出预设频率的射频信号；

所述乘法器用于将所述射频信号与输入的音频信号相乘，得到相应的调幅信号；

所述运算放大器用于将所述调幅信号放大，输出激励信号。

2.根据权利要求1所述的多频率发射设备，其特征在于，还包括推动级放大器组合、功放组合和监控组合；

所述频综组合基于调频和调幅输出激励信号；

所述推动级放大器组合用于对所述激励信号的功率放大；

所述功放组合对放大后的所述激励信号的大小进行采样，得到采样信号；

所述监控组合对所述采样信号进行检波及频谱分析，并控制所述频综组合增大或减小输出的所述激励信号，以达到预设功率等级。

3.根据权利要求2所述的多频率发射设备，其特征在于，所述推动级放大器组合包括第一宽带功率放大器、第一监测板以及第一故障状态显示板；

所述第一宽带功率放大器用于提高所述激励信号的功率；

所述第一监测板用于监测所述第一宽带功率放大器的工作状态；

所述第一故障状态显示板用于显示所述第一宽带功率放大器的故障状态。

4.根据权利要求3所述的多频率发射设备，其特征在于，所述推动级放大器组合还包括第一散热风机；

所述第一散热风机用于为所述第一宽带功率放大器散热。

5.根据权利要求2所述的多频率发射设备，其特征在于，所述功放组合包括一个四路同相功率分配器、四个第二宽带功率放大器、一个四路同相功率合成及定向耦合器、一块第二监测板以及一块第二故障状态显示板；

所述四路同相功率分配器用于将所述推动级放大器组合放大后的所述激励信号平均分配成四路，分别输出至四个所述第二宽带功率放大器；

所述第二宽带功率放大器将分配后的所述激励信号放大后，输出至所述四路同相功率合成及定向耦合器，合成并采样后输出；

所述第二监测板用于监测所述第二宽带功率放大器的工作状态；

所述第二故障状态显示板用于显示所述第二宽带功率放大器的故障状态。

6.根据权利要求5所述的多频率发射设备，其特征在于，所述功放组合还包括第二散热风机；

所述第二散热风机用于为所述第二宽带功率放大器散热。

7.根据权利要求2所述的多频率发射设备，其特征在于，还包括滤波器组合和定向耦合器；

所述滤波器组合用于实现对谐波分量和杂散分量的滤除和抑制；

所述定向耦合器组合用于测量所述多频率发射设备的RF入射功率值和反射功率值，进行功率指示和驻波报警。

8.根据权利要求7所述的多频率发射设备，其特征在于，所述滤波器组合包括椭圆函数型吸收式滤波器。

9.根据权利要求7所述的多频率发射设备，其特征在于，所述定向耦合器组合包括正向耦合和反向耦合。

10.根据权利要求7所述的多频率发射设备，其特征在于，还包括分配电组件和稳压电源组合；

所述稳压电源组合用于向所述功放组合供电；

所述分配电组件用于向所述频综组合、所述监控组合以及所述滤波器组合配电。

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