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电视发射机的70年演进史

2006-10-17 James E. O’Neal 依马狮网


    从各种迹象来看,广播机构在迈向2009年全面数字化的过程中牵涉到的不仅仅是UHF频谱。在频道遴选过程中来自保守派VHF频道运营的投票显示,许多广播机构宁可保留它们原来就有的那些观众熟悉的VHF频道,而愿意将后来增加的那些“租借”的UHF频谱归还。这意味着——至少在美国是这样,VHF和UHF频段的发射机在关闭模拟之前将并存下去。

更高的效能
    电视传输的数字过渡早在10年前即启动了,这在众多电视发射机制造商的研发部门中造成了许多争执,因为这样一来似乎电视发射行业会全面向大功率UHF发射转换。

    大家在花费大量精力提高现有UHF发射技术效能的同时,也针对用户今后可能的新需求开发出了一些新技术。而且,一些经过检验可行的,能很好满足模拟发射需要的技术,也需要进行改进以满足发射数字信号的要求。

    事实上,我们可以说,数字过渡对推动电视发射机行业变革,是我们在上世纪60年代及后期因电力短缺而要求发射机必须在发射效能方面革新技术的方式是不同的。

早期的发射机
    常规的电视广播服务迄今已有近70年的历史了。下面我们不妨先来回顾一下70年来电视发射机技术所走过的演进过程。直至今日仍有少部分所谓的“中坚分子互助会”的成员津津乐道于第一代电视发射机,这些人会回忆起当年为了能够发射更宽频率信号而推动当时的无线电技术革新的情景。

    起初的时候,开发出的是高级“板极调制”(plate-modulated)电视发射机。(现在看来,当时能发射峰值达数千伏特视频信号的能力真是难以想像)。最终,信号电压降低到了普通的低电平调制水平,在激励器之后会有中介及大功率放大器环节。

    四极管,接地配置以及强迫通风冷却几十年来一直是VHF电视发射机的标准技术,直至后来为固态技术所取代。四极管曾经历漫长曲折的发展过程,或许有人还记得曾经的臭名昭著的RCA 8D21水冷管,在所有四个部件中都带有独立的易于漏水的管路。

    UHF发射机相对而言要复杂一些,且更专业化。哥伦比亚广播公司(CBS)当年曾因率先使用了首台大功率UHF发射装备用于发射电视信号而被载入了史册,那台由联邦电话和无线电公司定制的发射机一直服役到1946年2月,它工作频段为490MHz(后来是兆周)。但尽管如此,规范却要求1kW的输出功率,这对于25英尺长,12000磅重的发射机很难达到,其平均输出功率只能达到600W。

    但这只是一个开始,随后,纽约市及其周围的许多广播机构都纷纷开始试验UHF发射机。这便产生了后来的UHF发射时代。

UHF时代来临
    首台正式UHF发射机由RCA公司在几年后开发了出来。尽管它只是在高频段VHF发射机的基础上增加了一个tripler stage环节,但却能输出较大的功率。首台UHF发射机在康涅狄格州的Bridgeport进行了实地试验,并于随后售出并运送至俄勒冈州的波特兰,成为美国首个商业UHF电视台——KPTV的核心设备。

    在那个十年的后几年中,UHF一直坚持四极管技术路线,但输出功率却相对有限。功率速调管最初是针对对流层散射通讯开发的,它在上世纪60年代初以前并未通过认证能够被运用于电视发射。

    通过了认证为功率速调管运用于电视广播打开了绿灯,由于这种技术的表现出色,因此到上世纪60年代末已普遍取代UHF发射机中使用的四极管技术。这大大简化了发射机的设计和运行。唯一的不足是功率速调管是个高能耗的技术,但上世纪60年代是个电力很廉价的时期,因此人们对此并不介意。

    电力短缺出现在上世纪70年代初,这促使发射机研发机构开始挑灯夜战,寻找降低速调管功耗,提高效能的途径。努力得到了回报,阳极脉冲调制(anode pulsing)、速调管多极降压收集极速调管技术诞生了,发射机机身也进行了重新设计,所有这些都是为了能提高发射机的效能。

    电视发射机技术的另一个飞跃是将常规栅格真空管的核心部件和速调管的发射部分嫁接,这诞生了Klystrode。这种电子管带来的不仅是高效能,而且有助于缩小四极管的尺寸,同时又具备速调管的输出功率和可靠性。

老技术获重生
    不久之后,一些上世纪30年代的电子管设计又重新被人们重视,Andrew Haeff发明的诱导输出电子管技术获得了UHF电视发射机厂家的关注。这种IOT技术将UHF发射机的能耗节省推上了一个新水平。

    固态技术证明能实现VHF的大功率发射,因此革新家们自然不会错过将之运用于UHF发射领域的机会。首台晶体管UHF电视发射机终于在上世纪80年代诞生了。其技术得到了优化,利用了LDMOS(laterally diffused metal oxide semiconductor)设备,实现了峰值输出功率100kW的水平。

    晶体管发射机带来了许多优势——体积较小、易于冷却、无需临界调节,以及模块化构造等。晶体管发射机一般都采用多个功率模块构造,各模块输出功率叠加。如果一个模块坏掉,可以将之取出,而不会对发射机的整体运行状态造成严重影响。

    事实上,只有信号覆盖边缘地区的电视观众才可能会觉察到由于坏了一个功率模块而出现的信号衰弱。与大多数固态发射机一样,晶体管发射机的工作电压也远低于真空管发射机,使之工作更安全。同时,由于固态发射机很少需要技术人员的维护,因此也相当于是降低了成本。晶体管发射机一般都具有三个端口,一个是AC电源输入口,另一个信号发射口,还一个是将信号馈送至天线的输出口。

固态及DTV
    固态发射机随着数字电视时代的到来而逐渐成为主流,因为它允许电视台起初以低功率播出,并在将来需要时增大发射功率。在一些情况下,还要求固态发射机能超功率发射。另外,随着能源价格的不断上涨,低能耗和高效率也将是考虑的因素。然而,投资固态发射机仍是行得通的,因为它既可用作电子管发射机的备份,甚至是可用作大功率电子管发射机的驱动极。

    虽然固态发射机的功能强大,优势明显,但也没能宣告真空管发射机技术的死亡。

    事实上目前几乎所有的大功率电视发射机厂家都既提供VHF产品,也提供UHF产品。这是因为,一般而言,随着输出功率的走高,真空管放大器发射机较固态发射机具成本优势,这主要体现在购买价格和运营成本方面。

    如前文所述,真空管发射机制造商一直孜孜不倦于改善发射效能,结果是诞生了系列多极降压收集极感应输出管产品,如ESC(energy saving collector)和CEA(constant efficiency amplifier)。这种技术较其前辈在运行效能方面有逾50%的提升。

    当然,世界上没有免费的午餐。这种新一代的真空管在运行方面也存在着折中,其中包括供电系统的复杂性、非线性矫正的难度增加,以及设计和冷却问题等。

多种选择因素
    与美国的许多其他事情一样,选择有时也会成为问题。可供的选择太多也是一个问题。

    总工程师或工程总监们在确定最适合他/她的单位需要的发射机产品时,需要评估许多因素。如可用的安装空间即是一个大问题。此外,将来要操作、维护新发射机的工作人员的技能也是需要考虑的因素之一,这主要包括这些人员的工作经验和对各种发射机操作、维护的熟练程度。如果选择了真空管发射机,还要考虑选用什么类型的发射机最合适的问题。最后,发射机的冷却方式也是需要考虑的一个重要因素,这包括是风冷、蒸馏水冷却、乙二醇或油冷等。选择的因素很多,这对于一些重大的采购项目来说,必须作出明智的选择,因为一旦选定,你将在一段长时间内与其为伴,事实上,目前有许多发射机的服役年限都超过了30年。<

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