MDCL：不换设备，不降功率，电费减少三分之一——发射机技术内核（二）

上一篇讲了固态发射机的模块级效率已经到了90%——硬件层面的省电空间接近极限。但AM调制本身还藏着一个巨大的效率漏洞载波。载波的浪费AM调制有一个教科书级别的效率缺陷载波本身不携带任何信息。在标准双边带AM中所有音频信息都在上下两个边带里。载波只是一个恒定的基座让接收机的包络检波器能够工作。但这个基座吃掉了发射功率的大头。算一笔账。假设一台50kW的发射机在100%调制深度单音调制下工作载波功率50kW两个边带各12.5kW总功率75kW。载波占总功率的66.7%边带信息部分只占33.3%。但100%调制在实际广播中很少出现。普通语音节目的平均调制深度大约在30%-40%之间。调制深度30%时边带功率仅为载波功率的4.5%——也就是说一台50kW发射机在播语音节目时总发射功率52.25kW50kW载波 2.25kW边带其中96%是不携带任何信息的载波。真正用于传递声音的只有2.25kW。这个比例在所有功率等级上都成立。1kW的台是这样100kW的台也是这样。只是数字越大浪费的绝对值越触目惊心。MDCLModulation Dependent Carrier Level调制相关载波电平控制就是针对这个结构性漏洞的工程解决方案。它的思路很直接既然载波功率大部分时间都在做无用功那就在不影响接收的前提下动态降低它。不是一种技术是三种MDCL是一类技术的统称核心区别在于什么时候降低载波。目前主流的有三种模式AMC调制越深载波越低AMC(Amplitude Modulation Companding调幅压扩)由BBC在1985年首次提出并在英国MF网络上试验是目前部署最广泛、工程界最认可的MDCL模式。原理当音频幅度大高调制深度时同步降低载波和边带的功率最大可降低6dB功率减至25%。当音频安静或静默时载波恢复满功率。为什么听不出来因为人耳的掩蔽效应。高调制深度意味着当前音量大此时人耳对背景噪声的感知阈值大幅升高。MDCL造成的信噪比下降恰好被大音量掩盖。当节目进入安静段时载波回到满功率噪底不会上升接收机AGC也保持稳定锁定。AMC的压缩深度可调。实际部署中3dB是最常用的保守起点功率峰值降低50%6dB是激进设置功率峰值降低75%。大多数运营商反馈3dB压缩下完全无感知差异6dB在覆盖边缘可能有轻微影响。DCC调制越浅载波越低DCC(Dynamic Carrier Control动态载波控制)的逻辑与AMC相反当节目安静低调制深度或静默时降低载波当调制深度增大时恢复满功率。思路是安静时段不需要满功率载波来维持覆盖和信噪比适当降低不会被注意到。一台250kW的发射机在节目间隙可能只输出125kW降低3dB甚至62.5kW降低6dB。DCC的缺点是在弱信号区域可能被察觉。安静时载波骤降接收机AGC来不及跟踪噪底可能出现短暂的呼吸或泵浦效应。因此DCC更适合语音为主、调制密度较低的节目格式如新闻台、谈话台不太适合音乐台。DAM折中方案DAM(Dynamic Amplitude Modulation动态幅度调制)与DCC类似在低调制深度时降低载波但保持边带功率不变。技术实现介于AMC和DCC之间是一种较少被单独采用的模式。▲图注三种MDCL模式的载波-调制特性曲线。AMC在高调制时降低载波DCC在低调制时降低载波。灰色虚线为标准AM。省多少电实际部署数据以下数据来自多个国家和运营商的公开报告不是理论推算。美国国际广播局(IBB)——全球最大规模的MDCL部署案例。2010至2011年间在泰国、北马里亚纳群岛、斯里兰卡等地的19台短波/中波发射机上启用AMC模式随后扩展到47台。整个发射机队的年用电量从9800万kWh降至7500万kWh年省2300万kWh节省电费约217万美元。Crawford广播集团(美国)——6台5-50kW AM发射机使用AMC 3dB压缩。省电幅度在21%到40%以上之间取决于节目格式。其中加州KCBCNX50, 50kW月省电费约800美元。一个有趣的细节Crawford还发现MDCL降低了电力的需量电费demand charge——50kW发射机的峰值用电从85kW降至约54kW直接降低了按峰值计费的那部分电费。阿拉斯加公共广播——KDLG-AM(10kW)使用AMC模式省电27%从未收到过听众投诉。考虑到阿拉斯加的电价是美国本土的数倍节省的金额比例更可观。加拿大Touch广播——卡尔加里NX50使用AMC 3dB压缩省电接近37%年省9500加元。BBC(原始开发者)——在英国MF国家网络的50kW发射机上试验AMC省电20%-40%取决于节目内容。综合来看AMC模式的典型省电范围是20%-40%DCC在15%-30%之间。语音类节目调制密度低、静默段多省得更多重度音频处理的音乐台省得较少。一个针对国内的粗算一台100kW中波发射机系统效率90%输入功率约111kW每天播出18小时电费按0.7元/kWh计算AMC省电30%意味着年省约15万元人民币。这笔钱不需要任何硬件投入——MDCL在Nautel NX系列上是预装的免费软件功能在菜单里选一下就能启用。GatesAir的Flexiva系列也提供类似的PowerSmart/ACC功能。实际上目前所有主流中短波发射机制造商Nautel、GatesAir、Ampegon、Continental Electronics都在产品中内置了某种形式的MDCL。哪里不能用MDCL只适用于模拟AM广播。DRM数字广播使用OFDM调制不存在传统意义上的AM载波MDCL的前提条件消失。发射机从AM模式切换到DRM模式时MDCL自动失效。在AMDRM同播simulcast模式下MDCL仍然可以作用于模拟AM部分的载波但不影响DRM数字信号。这意味着在同播过渡期内模拟AM的电费消耗仍然可以通过MDCL优化。为什么不直接降功率这是最常被问到的问题。监管层面发射机的功率由牌照核定。直接降功率等于缩小覆盖区违反牌照条件。MDCL不同——它在调制峰值时AMC或安静时段DCC恢复到满功率牌照核定的覆盖范围在任何时刻都不受损。美国FCC在2011年专门发布规范明确使用MDCL的电台不受正常功率容限90%-105%的约束只要求在某个音频输入电平下或MDCL关闭时能达到满功率。技术层面MDCL是动态的功率降低只发生在心理声学允许的窗口内。直接砍功率是静态的、全时段的——信噪比在所有时刻都劣化包括最安静、噪底最敏感的段落。前者听不出来后者听得出来。覆盖层面直接降低载波功率3dB意味着地波覆盖半径缩减电场强度降低约30%。MDCL的AMC模式在安静时段维持满功率载波地波覆盖不受影响只在高调制大音量时段降低而此时接收机的信噪比余量最大。两层优化叠加上一篇我们看到固态发射机的系统效率90%管式机约55%——硬件层面省电约40%。MDCL从信号层面再省20%-40%。两层叠加一台50kW固态发射机AMC 3dB相比同功率管式机无MDCL总电力消耗约为后者的38%-48%——省掉一半以上的电。而且MDCL不需要额外硬件不影响覆盖不劣化音质。它可能是中波广播运营中投入产出比最高的单一优化措施。下篇预告DRM发射参数的工程选择——当我们从模拟AM走向数字DRM时MDCL解决的载波浪费问题彻底消失了DRM没有AM载波但一组新的参数决策摆到了面前。