DAM全固態(tài)中波廣播發(fā)射機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換原理分析

楊成林

(山西省廣播電視局忻州中波轉(zhuǎn)播臺(tái),山西 忻州 034000)

0 引言

DAM全固態(tài)數(shù)字調(diào)制廣播發(fā)射機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)的主要區(qū)別在于，DAM發(fā)射機(jī)把音頻信號疊加直流信號后，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,將模擬信號轉(zhuǎn)換成了復(fù)合音頻數(shù)字信號,經(jīng)調(diào)制編碼后精準(zhǔn)控制功率放大器的開通或關(guān)閉,將載頻和調(diào)制音頻包絡(luò)在功率合成器合成,把復(fù)合音頻數(shù)字信號再還原為載頻包絡(luò)信號,最后通過匹配網(wǎng)絡(luò)到發(fā)射天線。

實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)幅的最關(guān)鍵一步,就是將連續(xù)變化的模擬音頻，轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號,即A/D轉(zhuǎn)換,它是數(shù)字調(diào)幅的核心,下面以DAM-10kW全固態(tài)數(shù)字調(diào)制中波廣播發(fā)射機(jī)為例,對A/D轉(zhuǎn)換原理和主要電路作如下分析。

1 模數(shù)轉(zhuǎn)換概述

音頻+直流模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換板處理，變換成離散的數(shù)字信號后進(jìn)行編碼，利用發(fā)射機(jī)載波頻率(1/2載頻,或1/3載頻)間隔對輸入的模擬信號進(jìn)行分段,在分段的每一時(shí)刻對模擬信號進(jìn)行幅度取樣,取樣值再轉(zhuǎn)化為12位0和1組成的二進(jìn)制數(shù)值,共分四步即：取樣、保持、量化和編碼。完成A/D轉(zhuǎn)換后送往調(diào)制編碼板進(jìn)行編碼去控制48個(gè)功放的開/關(guān)。

2 取樣頻率的選擇

取樣定理：fp≥2fΩ。其中fp為取樣頻率,fΩ為音頻信號最大頻率,只有當(dāng)fp≥2fΩ時(shí),取樣頻譜的上、下邊帶和音頻頻率不會(huì)重疊,互不影響,否則會(huì)產(chǎn)生失真和噪聲.通常音頻的上限為20 kHz.取樣頻率大于40 kHz就能保證模數(shù)轉(zhuǎn)換要求,但為了A/D轉(zhuǎn)換過程與射頻信號同步,射頻過零時(shí)開/關(guān)功放,以減小開/關(guān)功放時(shí)產(chǎn)生的噪聲和場效應(yīng)管導(dǎo)通條件下開/關(guān)功放產(chǎn)生較大的前后沿?fù)p耗，所以用射頻頻率對音頻信號進(jìn)行采樣,不僅能達(dá)到轉(zhuǎn)換同步要求,而且遠(yuǎn)大于二倍音頻的射頻采樣頻率,取樣結(jié)果更接近模擬信號的瞬時(shí)變化。但它又受制于模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD1671的轉(zhuǎn)換速度，AD1671轉(zhuǎn)換時(shí)間為0.8 μs,可滿足中波低頻段的射頻轉(zhuǎn)換，對于較高射頻則用射頻的1/2或1/3頻率作為取樣頻率。實(shí)際應(yīng)用中對于射頻在820 kHz以下時(shí)，取樣頻率即為射頻頻率，射頻在820 kHz和1 400 kHz之間，取樣頻率為射頻的1/2,射頻在1 400 kHz以上時(shí)，取樣頻率為射頻的1/3，由跳線開關(guān)針對發(fā)射機(jī)工作射頻選擇。

3 取樣電路分析(見圖1)

取樣電路包括：信號合成、相位調(diào)整、電平轉(zhuǎn)換、分頻和波形變換五大功能電路。從射頻分配板輸入的載頻信號，輸入到A/D轉(zhuǎn)換板產(chǎn)生取樣脈沖信號，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，DAV信號延遲60 ns以及數(shù)據(jù)鎖存器時(shí)鐘等共延遲890 ns，與射頻驅(qū)動(dòng)激勵(lì)電流過零點(diǎn)不重合,對采樣脈沖信號的相位必須進(jìn)行補(bǔ)償處理。

圖1 取樣電路

載頻取樣信號一路取自射頻分配板，輸入到X3-1，另一路取自合成器輸出口，輸入到X8-1、X8-2再經(jīng)相移網(wǎng)絡(luò),前者為主取樣信號，根據(jù)頻率的不同，適當(dāng)選擇XT11后與主取樣信號在R16疊加，進(jìn)行相位補(bǔ)償。

相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)由R18及C100—C103，C108、C109及電感L5、L6組成，對射頻取樣信號的相位進(jìn)行補(bǔ)償，減少場效應(yīng)管損壞及開關(guān)時(shí)電能損失。

VD14、VD15及N12組成電平轉(zhuǎn)換電路，將正弦波射頻信號變換為方波信號(H≤5 V)，送到N29組成的分頻器進(jìn)行分頻,也直接送到XT10的5腳,射頻在820 kHz以下時(shí)，射頻頻率即為取樣頻率，N29的13腳和14腳分別輸出三分之一和二分之一載頻信號,經(jīng)反相器N12，輸入XT10的1腳和3腳，提供1/3和1/2射頻取樣信號，XT10根據(jù)射頻頻率選擇進(jìn)行連接。

射頻取樣信號經(jīng)分頻處理后，再經(jīng)C106、R78、R79組成的微分電路及V9、N17B、N17A組成的波形變換電路，輸出5 Vp-p脈沖寬度為20 ns～50ns的取樣啟動(dòng)脈沖，在TP6測試點(diǎn)，用示波器可以監(jiān)測波形。

4 A/D轉(zhuǎn)換電路(見圖2)

A/D轉(zhuǎn)換包含兩部分：采樣保持與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。由轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)鎖存器和線性延時(shí)器組成，如圖2。N1為高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換周期小于800 ns，輸入電壓范圍為0 V～5 V。N3和N4是數(shù)據(jù)鎖存器，鎖存N1送來的數(shù)字信號，K1、K3是線性延時(shí)器。N1的17腳輸入“ENCODE”(采樣脈沖)控制轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號，每個(gè)采樣脈沖是20—50ns的髙電平，啟動(dòng)一個(gè)A/D周期。N1的16腳是轉(zhuǎn)換結(jié)束“DAV”信號輸出端，是一個(gè)500 ns的正脈沖、300 ns的負(fù)脈沖。N1新的一個(gè)轉(zhuǎn)換周期開始時(shí)，上一周期的數(shù)字音頻信號被鎖存器N3和N4鎖存。

DAV負(fù)脈沖經(jīng)K3延時(shí)后,輸入到N3、N4的時(shí)鐘端，DAV上升沿觸發(fā)N3、N4，將N1送來的數(shù)據(jù)鎖存，N3和N4輸出的是當(dāng)前一個(gè)轉(zhuǎn)換周期的轉(zhuǎn)換結(jié)果，送到緩沖器N5、N6,緩沖處理后再送到調(diào)制編碼板,去控制功放的開/關(guān)。每一次轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，N1輸出“DAV”負(fù)脈沖信號,經(jīng)K1延時(shí)150 ns,分三路輸出，第一路送到故障檢測電路，用于監(jiān)測A/D轉(zhuǎn)換是否正常，第二路送到調(diào)制編碼板，是編碼鎖存器的數(shù)據(jù)選通信號。第三路再經(jīng)K3延時(shí)60ns,輸入到外部鎖存器N3和N4，進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入。

5 A/D轉(zhuǎn)換故障檢測電路(見圖2)

A/D轉(zhuǎn)換模塊N1的16腳輸出“DAV”信號，經(jīng)K1延時(shí)后送到轉(zhuǎn)換監(jiān)測電路N13A,用于監(jiān)測“DAV”是否正常，正常時(shí)N13A輸出高電平，輸出低電平信號時(shí)，視為轉(zhuǎn)換出錯(cuò)。時(shí)鐘信號輸入到N14A，時(shí)鐘信號正常時(shí)，其輸出為高電平，如果“DAV”信號和時(shí)鐘信號都正常，與門N15輸入和輸出皆為高電平，觸發(fā)器N14B亦輸出高電平，N15B輸出高電平，再輸入到比較器N11B的同相端，正常時(shí)比較器N11B輸出高電平，點(diǎn)亮綠燈VD21，否則當(dāng)時(shí)鐘信號或“DAV”信號任一錯(cuò)誤時(shí)，N15B輸出低電平轉(zhuǎn)換故障信號，送至調(diào)制編碼板，同時(shí)N11B輸出低電平，紅燈VD22發(fā)亮，顯示轉(zhuǎn)換出現(xiàn)故障。

6 大臺(tái)階同步電路(見圖2)

隨著復(fù)合音頻信號的變化，不斷有大臺(tái)階在開通或關(guān)閉，在開通或關(guān)閉大臺(tái)階的臨界點(diǎn)，轉(zhuǎn)換比較器中音頻在臨界值，由于比較器精度或信號穩(wěn)定度的原因發(fā)生輸出不確定現(xiàn)象，導(dǎo)致復(fù)合音頻信號轉(zhuǎn)換數(shù)字音頻時(shí)產(chǎn)生不確定信號，最終使大臺(tái)階的開通或關(guān)閉產(chǎn)生紊亂，產(chǎn)生噪聲。為了避免這種噪聲干擾，將高6位大臺(tái)階復(fù)合音頻信號正反饋處理，對復(fù)合音頻信號加強(qiáng)或削弱，避開上述臨界點(diǎn)，反饋過程中同時(shí)產(chǎn)生大臺(tái)階同步脈沖，去同步音頻處理板上三角波抖動(dòng)信號。同時(shí)在A/D板上的模擬信號入口，加入小的大臺(tái)階同步信號，以降低轉(zhuǎn)換期間最低位可能發(fā)生的轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤，使噪聲和寄生干擾降到最小。

圖2中，髙六位的大臺(tái)階數(shù)字音頻信號輸入到數(shù)模轉(zhuǎn)換器N22，將其轉(zhuǎn)換為模擬信號。經(jīng)N24和N25兩級電路放大，增加了輸出負(fù)載能力，消除了后級臺(tái)階的波形失真。R53和C93組成低通濾波器，濾除了采樣和其它高頻成分，然后信號被輸入到N26，進(jìn)行緩沖。一路通過電阻R70，提取一小部分大臺(tái)階同步信號，疊加到“音頻+直流”模擬信號中。信號的另一路到R55和C92，當(dāng)“大臺(tái)階”變化時(shí)進(jìn)行微分處理，產(chǎn)生脈沖信號，再送到倒相/緩沖器N27。N27輸出“大臺(tái)階同步”脈沖信號，輸出端6腳可檢測其脈沖，最后送到音頻處理板。

圖2 A34板相關(guān)電路原理簡圖

7 音頻還原電路(見圖2)

鎖存器N3和N4輸出的12位數(shù)字音頻信號，一路送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器N8，數(shù)字音頻信號重新轉(zhuǎn)換回模擬信號。N9是輸出放大器，N10是電流放大器，放大音頻成分包含72kHz抖動(dòng)信號，再經(jīng)低通濾波器濾除后，在監(jiān)測顯示板上和發(fā)射機(jī)輸出網(wǎng)絡(luò)端檢波音頻包絡(luò)進(jìn)行比較，檢測調(diào)制音頻包絡(luò)是否失真，如發(fā)射機(jī)顯示“包絡(luò)出錯(cuò)”則有可能功放等出現(xiàn)故障，提醒值機(jī)人員。

8 結(jié)束語

以上對DAM-10kW中波全固態(tài)數(shù)字發(fā)射機(jī)A/D轉(zhuǎn)換的基本原理、取樣量化、A/D轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換故障檢測、大臺(tái)階同步信號電路以及音頻還原電路的工作原理作了分析，A/D轉(zhuǎn)換是中波全固態(tài)數(shù)字發(fā)射機(jī)的技術(shù)核心，對掌握中波數(shù)字發(fā)射技術(shù)有很好的借鑒作用。