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電視發射機的70年演進史

2006-10-17 James E. O’Neal 依馬獅網


    從各種跡象來看,廣播機構在邁向2009年全面數字化的過程中牽涉到的不僅僅是UHF頻譜。在頻道遴選過程中來自保守派VHF頻道運營的投票顯示,許多廣播機構寧可保留它們原來就有的那些觀眾熟悉的VHF頻道,而愿意將后來增加的那些“租借”的UHF頻譜歸還。這意味著——至少在美國是這樣,VHF和UHF頻段的發射機在關閉模擬之前將并存下去。

更高的效能
    電視傳輸的數字過渡早在10年前即啟動了,這在眾多電視發射機制造商的研發部門中造成了許多爭執,因為這樣一來似乎電視發射行業會全面向大功率UHF發射轉換。

    大家在花費大量精力提高現有UHF發射技術效能的同時,也針對用戶今后可能的新需求開發出了一些新技術。而且,一些經過檢驗可行的,能很好滿足模擬發射需要的技術,也需要進行改進以滿足發射數字信號的要求。

    事實上,我們可以說,數字過渡對推動電視發射機行業變革,是我們在上世紀60年代及后期因電力短缺而要求發射機必須在發射效能方面革新技術的方式是不同的。

早期的發射機
    常規的電視廣播服務迄今已有近70年的歷史了。下面我們不妨先來回顧一下70年來電視發射機技術所走過的演進過程。直至今日仍有少部分所謂的“中堅分子互助會”的成員津津樂道于第一代電視發射機,這些人會回憶起當年為了能夠發射更寬頻率信號而推動當時的無線電技術革新的情景。

    起初的時候,開發出的是高級“板極調制”(plate-modulated)電視發射機。(現在看來,當時能發射峰值達數千伏特視頻信號的能力真是難以想像)。最終,信號電壓降低到了普通的低電平調制水平,在激勵器之后會有中介及大功率放大器環節。

    四極管,接地配置以及強迫通風冷卻幾十年來一直是VHF電視發射機的標準技術,直至后來為固態技術所取代。四極管曾經歷漫長曲折的發展過程,或許有人還記得曾經的臭名昭著的RCA 8D21水冷管,在所有四個部件中都帶有獨立的易于漏水的管路。

    UHF發射機相對而言要復雜一些,且更專業化。哥倫比亞廣播公司(CBS)當年曾因率先使用了首臺大功率UHF發射裝備用于發射電視信號而被載入了史冊,那臺由聯邦電話和無線電公司定制的發射機一直服役到1946年2月,它工作頻段為490MHz(后來是兆周)。但盡管如此,規范卻要求1kW的輸出功率,這對于25英尺長,12000磅重的發射機很難達到,其平均輸出功率只能達到600W。

    但這只是一個開始,隨后,紐約市及其周圍的許多廣播機構都紛紛開始試驗UHF發射機。這便產生了后來的UHF發射時代。

UHF時代來臨
    首臺正式UHF發射機由RCA公司在幾年后開發了出來。盡管它只是在高頻段VHF發射機的基礎上增加了一個tripler stage環節,但卻能輸出較大的功率。首臺UHF發射機在康涅狄格州的Bridgeport進行了實地試驗,并于隨后售出并運送至俄勒岡州的波特蘭,成為美國首個商業UHF電視臺——KPTV的核心設備。

    在那個十年的后幾年中,UHF一直堅持四極管技術路線,但輸出功率卻相對有限。功率速調管最初是針對對流層散射通訊開發的,它在上世紀60年代初以前并未通過認證能夠被運用于電視發射。

    通過了認證為功率速調管運用于電視廣播打開了綠燈,由于這種技術的表現出色,因此到上世紀60年代末已普遍取代UHF發射機中使用的四極管技術。這大大簡化了發射機的設計和運行。唯一的不足是功率速調管是個高能耗的技術,但上世紀60年代是個電力很廉價的時期,因此人們對此并不介意。

    電力短缺出現在上世紀70年代初,這促使發射機研發機構開始挑燈夜戰,尋找降低速調管功耗,提高效能的途徑。努力得到了回報,陽極脈沖調制(anode pulsing)、速調管多極降壓收集極速調管技術誕生了,發射機機身也進行了重新設計,所有這些都是為了能提高發射機的效能。

    電視發射機技術的另一個飛躍是將常規柵格真空管的核心部件和速調管的發射部分嫁接,這誕生了Klystrode。這種電子管帶來的不僅是高效能,而且有助于縮小四極管的尺寸,同時又具備速調管的輸出功率和可靠性。

老技術獲重生
    不久之后,一些上世紀30年代的電子管設計又重新被人們重視,Andrew Haeff發明的誘導輸出電子管技術獲得了UHF電視發射機廠家的關注。這種IOT技術將UHF發射機的能耗節省推上了一個新水平。

    固態技術證明能實現VHF的大功率發射,因此革新家們自然不會錯過將之運用于UHF發射領域的機會。首臺晶體管UHF電視發射機終于在上世紀80年代誕生了。其技術得到了優化,利用了LDMOS(laterally diffused metal oxide semiconductor)設備,實現了峰值輸出功率100kW的水平。

    晶體管發射機帶來了許多優勢——體積較小、易于冷卻、無需臨界調節,以及模塊化構造等。晶體管發射機一般都采用多個功率模塊構造,各模塊輸出功率疊加。如果一個模塊壞掉,可以將之取出,而不會對發射機的整體運行狀態造成嚴重影響。

    事實上,只有信號覆蓋邊緣地區的電視觀眾才可能會覺察到由于壞了一個功率模塊而出現的信號衰弱。與大多數固態發射機一樣,晶體管發射機的工作電壓也遠低于真空管發射機,使之工作更安全。同時,由于固態發射機很少需要技術人員的維護,因此也相當于是降低了成本。晶體管發射機一般都具有三個端口,一個是AC電源輸入口,另一個信號發射口,還一個是將信號饋送至天線的輸出口。

固態及DTV
    固態發射機隨著數字電視時代的到來而逐漸成為主流,因為它允許電視臺起初以低功率播出,并在將來需要時增大發射功率。在一些情況下,還要求固態發射機能超功率發射。另外,隨著能源價格的不斷上漲,低能耗和高效率也將是考慮的因素。然而,投資固態發射機仍是行得通的,因為它既可用作電子管發射機的備份,甚至是可用作大功率電子管發射機的驅動極。

    雖然固態發射機的功能強大,優勢明顯,但也沒能宣告真空管發射機技術的死亡。

    事實上目前幾乎所有的大功率電視發射機廠家都既提供VHF產品,也提供UHF產品。這是因為,一般而言,隨著輸出功率的走高,真空管放大器發射機較固態發射機具成本優勢,這主要體現在購買價格和運營成本方面。

    如前文所述,真空管發射機制造商一直孜孜不倦于改善發射效能,結果是誕生了系列多極降壓收集極感應輸出管產品,如ESC(energy saving collector)和CEA(constant efficiency amplifier)。這種技術較其前輩在運行效能方面有逾50%的提升。

    當然,世界上沒有免費的午餐。這種新一代的真空管在運行方面也存在著折中,其中包括供電系統的復雜性、非線性矯正的難度增加,以及設計和冷卻問題等。

多種選擇因素
    與美國的許多其他事情一樣,選擇有時也會成為問題。可供的選擇太多也是一個問題。

    總工程師或工程總監們在確定最適合他/她的單位需要的發射機產品時,需要評估許多因素。如可用的安裝空間即是一個大問題。此外,將來要操作、維護新發射機的工作人員的技能也是需要考慮的因素之一,這主要包括這些人員的工作經驗和對各種發射機操作、維護的熟練程度。如果選擇了真空管發射機,還要考慮選用什么類型的發射機最合適的問題。最后,發射機的冷卻方式也是需要考慮的一個重要因素,這包括是風冷、蒸餾水冷卻、乙二醇或油冷等。選擇的因素很多,這對于一些重大的采購項目來說,必須作出明智的選擇,因為一旦選定,你將在一段長時間內與其為伴,事實上,目前有許多發射機的服役年限都超過了30年。<

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