DX系列中波調(diào)幅發(fā)射機數(shù)字調(diào)制解析

崔立忠

【摘要】 現(xiàn)代中波波段調(diào)幅廣播發(fā)射機已全面采用數(shù)字化調(diào)制方式，本文從數(shù)字化的視角對DX系列數(shù)字調(diào)制發(fā)射機，進行詳細的解析，對理解，維護，管理數(shù)字調(diào)制發(fā)射機具有指導意義。

【關(guān)鍵詞】 數(shù)字調(diào)制 模/數(shù)轉(zhuǎn)換 數(shù)/模轉(zhuǎn)換 抖動信號 混疊濾波 過采樣

一、引言

當今的模擬中波波段的調(diào)幅廣播發(fā)射機已全面采用數(shù)字化調(diào)制方式，200KW以上的大功率機型主要以美國哈里斯公司生產(chǎn)的DX系列和法國湯姆遜公司生產(chǎn)的M2W及S7HP系列為代表。數(shù)字調(diào)制發(fā)射機以音頻信號數(shù)字化處理為核心，不同生產(chǎn)廠家，產(chǎn)品的主要區(qū)別在于形成模擬幅度調(diào)制波的數(shù)字實現(xiàn)方式：M2W及S7HP系列發(fā)射機采用移相模塊疊加的方法實現(xiàn)；DX系列發(fā)射機采用有權(quán)位二進制模塊和等壓模塊疊加的方式實現(xiàn)。模擬音頻信號送入DX系列發(fā)射機的模擬輸入板，經(jīng)過信號調(diào)理后送入模/數(shù)轉(zhuǎn)換板進行數(shù)字編碼為12比特數(shù)字音頻信號；數(shù)字音頻信號經(jīng)調(diào)制編碼板轉(zhuǎn)譯，合成器合成，帶通濾波器濾波，實現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換，完成標準模擬調(diào)幅波的重現(xiàn)，經(jīng)天線系統(tǒng)發(fā)送出去，實現(xiàn)調(diào)幅廣播發(fā)射機的調(diào)制發(fā)送功能。由于數(shù)字信號處理與傳輸?shù)馁|(zhì)量主要決定于信源，與模擬調(diào)制的信號逐級放大的傳輸方式不同，不易積累噪聲，發(fā)射機通過采用數(shù)字化的信號處理技術(shù)，取得了穩(wěn)定、優(yōu)異的性能指標。

下文以美國哈里斯公司生產(chǎn)的DX200發(fā)射機為例，針對其數(shù)字調(diào)制實現(xiàn)過程中的關(guān)鍵問題進行探討，DX200中波發(fā)射機數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)如圖1所示，將系統(tǒng)分為模/數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)兩大部分。

二、DX200發(fā)射機的模/數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

2.1 信號過取樣與抗混疊濾波器的應(yīng)用

信號數(shù)字處理的第一步是進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，模/數(shù)轉(zhuǎn)換是將時間上和數(shù)值上連續(xù)的模擬信號變?yōu)闀r間和數(shù)值上都離散的數(shù)字信號。根據(jù)取樣定理：有限帶寬的連續(xù)信號U（t），其頻譜的最高頻率為fc，對U（t）進行取樣，若保證取樣頻率fS≧2fc，那么，可由U（nTS）完全恢復出U（t），即U（nTS） 保留了U（t）的全部信息。滿足取樣定理的最低取樣頻率稱為奈奎斯特頻率。

取樣定理是數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)定理。通過傅立葉分析可以證明：U（nTS）的頻譜是連續(xù)信號頻譜的周期延拓，重復頻率為fS，當模擬信號之中存在頻率超過取樣定理要求的fS/2的噪聲、干擾等無用信號時，信號中fS/2以上的頻率成份沒有消失，而是對稱地映像到fS/2以下的頻帶中，并與原有頻率成分疊加，造成“頻譜混疊”?！邦l譜混疊”是數(shù)字信號處理中特有的現(xiàn)象，混疊會在頻域產(chǎn)生假頻率，在時域產(chǎn)生假信號，并與真實信號混在一起，無法在之后的信號處理過程中消除，因而無法恢復出原信號。

若U（t）不是有限帶寬的，則必須在模/數(shù)轉(zhuǎn)換之前，使用抗混疊濾波器，對U（t）作限帶濾波，以去掉fS/2以上的高頻成分，并依據(jù)有用信號頻帶，選擇合適的取樣頻率。

DX200發(fā)射機對輸入的模擬音頻信號采用12比特的數(shù)字量化，在模擬輸入板的音頻輸入第一級采用了貝塞爾濾波器進行抗混疊濾波。為不產(chǎn)生音頻畸變，需要濾波器具有較理想的線性度：即具有平直的幅頻特性和線性的相頻特性；對于抗混疊濾波器的要求，還需要阻帶具有陡峭的滾降特性，以取得干凈頻帶。DX200發(fā)射機使用過采樣來降低對抗混疊濾波器的技術(shù)要求。

過采樣是指在模/數(shù)轉(zhuǎn)換之中，使用超過奈奎斯特頻率的采樣頻率對模擬信號進行采樣。過采樣可以減少信號的頻域間距，方便抗混疊濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)。

2.2過采樣與量化誤差

模擬信號的數(shù)字化是使用有限多的量化電平來表示無限多的幅度值，數(shù)字系統(tǒng)的功能實現(xiàn)需要考慮實現(xiàn)成本和處理時間，而數(shù)字系統(tǒng)的處理精度有限，數(shù)字信號表示字長有限，這些都會造成信號量化電平與實際電平之間存在誤差—量化誤差，量化誤差是數(shù)字信號處理中的特有誤差。使用高精度的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器可以減少量化誤差，但是會造成系統(tǒng)的復雜和處理時間的延長及實現(xiàn)成本增加，掌握這些誤差對數(shù)字系統(tǒng)的影響，對管理和維護數(shù)字調(diào)制發(fā)射機很有必要。

通過過采樣得到一組樣值后，取平均值，是減小量化誤差，提高系統(tǒng)精確度的經(jīng)濟有效的方法。定義過采樣比率kOSR來表征過采樣的程度：kOSR= fS /2fc。過采樣可以保證在奈奎斯特頻率范圍內(nèi)，最小的量化臺階上增加有kOSR個采樣點，量化誤差幅值可以減小到原值的1/ kOSR。DX200發(fā)射機使用的過采樣技術(shù)，采樣頻率來自于發(fā)射機載波頻率的一次或二次分頻，范圍在410kHz～820kHz之間。按照音頻信號頻率范圍為0～20kHz計算，過采樣率比率kOSR=10～20，發(fā)射機的帶通濾波器可以起到求取平均值作用，提高了系統(tǒng)數(shù)字化的精確度。

對過采樣的兩點說明：

1、對高頻率大幅度信號：量化誤差與輸入信號具有很小的相關(guān)性，如圖2“t0～t1” 時間段所示，量化誤差可近似看作是白噪聲，在整個有用頻帶內(nèi)具有平均分布的功率譜密度，過采樣有效。

2、對低頻率，小幅度的信號：量化誤差波形近似跟隨輸入信號波形，相關(guān)性增強，如圖2“t2～t3”時間段所示，量化誤差以模/數(shù)轉(zhuǎn)換譜諧波的形式出現(xiàn)，非白噪聲譜，過采樣效果差?？梢圆捎锰岣吡炕粩?shù)和采用非均勻量化等措施提高量化精確度。為不增加系統(tǒng)復雜度，經(jīng)常采用在輸入信號上疊加一連續(xù)變化的信號，叫做“抖動信號”的方式來打破信號與噪聲的相關(guān)性，使得過采樣發(fā)揮效果，如圖2“t3～t4” 時間段所示。

DX200發(fā)射機采用了疊加頻率為70kHz的三角波函數(shù)作為“抖動信號”，為取得樣值，實現(xiàn)功能而不影響信號的動態(tài)范圍，三角波信號峰峰值應(yīng)等于1VLSB為最佳。

DX200發(fā)射機通過采用過采樣+抖動三角波+求取平均值的措施，理想情況下可使得量化誤差幅值減小到原值的1/kOSR，DX200發(fā)射機整體信噪比理論計算為：SNR （dB） = 6.02N+1.76+20lg kOSR =94dB～100dB，相當于15～16比特的量化精度。

2.3 采樣時鐘的抖動

DX200發(fā)射機的模/數(shù)轉(zhuǎn)換采樣時鐘是由發(fā)射機載波頻率或者載波頻率的二分頻構(gòu)成的，采樣時鐘的穩(wěn)定性也是影響系統(tǒng)量化誤差的重要因素，由于少量時鐘相位的抖動將引起模/數(shù)轉(zhuǎn)換對應(yīng)輸入信號上的采樣點的變動，并因此可能造成較大的誤差。模擬調(diào)制發(fā)射機非常關(guān)注載波頻率的長期穩(wěn)定度，關(guān)注因為外屆溫度、系統(tǒng)老化、機械振動等引起的頻率慢漂移；在管理與維護DX200數(shù)字調(diào)制發(fā)射機時，還應(yīng)重視保證載波頻率的短期穩(wěn)定度。

三、DX200發(fā)射機數(shù)/模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

調(diào)制編碼板+合成器+帶通濾波器構(gòu)成DX200發(fā)射機的數(shù)/模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。數(shù)字信號經(jīng)過調(diào)制編碼器轉(zhuǎn)譯為控制220個等壓大臺階（編號RF1～RF220）及4個二進制含權(quán)位小臺階（編號B9：1/2等壓臺階，B10：1/4等壓臺階，B11：1/8等壓臺階，B12：1/16等壓臺階）的射頻功放模塊開通與關(guān)斷的控制信號，射頻功放臺階模塊開通的數(shù)目取決于音頻信號而幅度，通過合成器進行電壓疊加合成。每級臺階都由射頻振蕩波構(gòu)成，因而形成具有模擬調(diào)幅波形狀的射頻臺階波，再經(jīng)過帶通濾波器濾除各類開關(guān)雜散頻率，形成標準模擬調(diào)幅波，饋送至天饋線系統(tǒng)發(fā)射。波形示意如圖3所示。

在DX200發(fā)射機維護過程中，經(jīng)常出現(xiàn)射頻功放模塊損壞的故障，少數(shù)模塊的故障不影響整體系統(tǒng)的運行，但射頻功放模塊的損壞，將引起數(shù)/模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)合成臺階的缺失，造成誤差。由于DX200發(fā)射機每個射頻功放模塊都有固定的編號及控制時序，每個射放模塊的編號不同，位置不同，構(gòu)筑調(diào)幅波形中開通的持續(xù)時間不同，波形中所占組份不同，損壞后給系統(tǒng)造成的誤差程度不同，從低端編號模塊到高端編號模塊，對誤差的影響由大到小。由于DX200發(fā)射機射頻功放模塊不是循環(huán)通斷的，因而不能在工作中自動補償損壞模塊帶來的電壓損失。

由于中波調(diào)幅廣播的聲音信號高調(diào)幅時段較少，當?shù)投司幪柹浞拍K出現(xiàn)故障時，應(yīng)按照機器說明，停機后，通過編碼設(shè)置，將位于高端編號的射放模塊替代低端編號的射放模塊工作。要特別注意二進制模塊故障對誤差造成的影響，因其含有權(quán)位，例如：二進制B12，1/16射放模塊損壞時，將等同于模/數(shù)轉(zhuǎn)換量化比特數(shù)減低為11位，理論上信噪比將減低6dB?？紤]最嚴重故障情況，當二進制臺階B9、B10、B11、B12都不能工作時（例如出現(xiàn)二進制臺階對應(yīng)的電源大保險損壞），將等同于量化比特數(shù)減低為8位，理論信噪比為SNR （dB） =49.92dB。因而對DX200發(fā)射機射放模塊故障的管理，應(yīng)該重視分析對發(fā)射機數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)實現(xiàn)效果的影響。

四、結(jié)語

數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用給模擬廣播發(fā)送行業(yè)帶開了跨越式發(fā)展，對數(shù)字技術(shù)的學習與專研應(yīng)是廣播發(fā)送設(shè)備維護人員的必修課程。DX200發(fā)射機中模/數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中音頻處理器平均調(diào)幅度的調(diào)整、音頻通路的反饋調(diào)整，貝塞爾濾波器、輸出帶通濾波器調(diào)整、三角波頻率與幅值調(diào)整以及載波頻率的穩(wěn)定性等是影響機器運行質(zhì)量指標的關(guān)鍵點，需要計劃維護，按時進行指標測試與狀態(tài)校準。數(shù)/模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中調(diào)制編碼板的故障，模塊故障，保險故障等，在進行故障應(yīng)急處理時應(yīng)考慮對機器數(shù)字化實現(xiàn)的影響。數(shù)字調(diào)制中波發(fā)射機信號的數(shù)字化處理技術(shù)與實現(xiàn)過程應(yīng)是調(diào)整、維護、管理工作的主體思路。

參 考 文 獻

[1] Harris Corporation Broadcast Communications Division. Quincy，Illinois U.S.A 62305-429 TECHNICAL MANAUAL 888-2001-891 DX-200A PLUS AIR COOLD TRANSMITTER 994-9798-401，2005

[2]魏瑞發(fā).數(shù)字化調(diào)幅發(fā)射機.北京：無線電臺管理局教育處編印，1999.10.

[3]Brad Brannon.采樣系統(tǒng)以及時鐘相位噪聲和抖動的影響， P.O.Box 9106 Norwood

[4]胡廣書.數(shù)字信號處理——理論、算法與實現(xiàn).2版.北京：清華大學出版社，2003.8