針對(duì)適配器板的電路研究

王艷

摘? 要：適配器板電路是DAM系列中波發(fā)射機(jī)的核心組成部分，它既是載波信號(hào)的發(fā)生器，同時(shí)又完成了對(duì)輸入音頻模擬信號(hào)的數(shù)字調(diào)制。適配器板電路的引入，代替了DAM發(fā)射機(jī)原有的DDS頻率合成器，模擬輸入板和A/D轉(zhuǎn)換板。提高了DAM發(fā)射機(jī)的集成度，使發(fā)射機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)得到了簡化，降低了發(fā)射機(jī)的復(fù)雜程度，降低了設(shè)備的維護(hù)量。適配器板采用大規(guī)模集成電路器件FPGA，通過編程軟件完成了音頻模擬信號(hào)的數(shù)字化調(diào)制，提高了信號(hào)的抗干擾能力，提高了整機(jī)的技術(shù)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：FPGSA;同步信號(hào);轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤

中圖分類號(hào)：TN722 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 電路實(shí)現(xiàn)的功能

音頻數(shù)據(jù)信號(hào)和DRM基帶信號(hào)通過隔離變壓器后進(jìn)入數(shù)字信息接收芯片，AES/EBU數(shù)字信號(hào)經(jīng)芯片的解碼后輸出I2S格式的數(shù)字音頻流，送到FPGA進(jìn)行信號(hào)處理。低通濾波并經(jīng)增益放大后的音頻模擬信號(hào)被模數(shù)變換器變換后輸出音頻數(shù)字流（格式I2S）至FPGA處理。

1.1 RF激勵(lì)監(jiān)測信號(hào)

監(jiān)測電路由檢波二極管及其附屬RC支路組成，電路檢測RF輸出脈沖是否存在。當(dāng)RF激勵(lì)脈沖消失時(shí)，輸出為低電平，顯示射頻激勵(lì)“故障”;而只有RF激勵(lì)脈沖存在時(shí)，才能使監(jiān)測輸出端出現(xiàn)高電平，將顯示射頻激勵(lì)“正?！?。

1.2 同步信號(hào)

在VSWR過高的情況下，所有的功放模塊被快速關(guān)閉。因?yàn)橹C振電路的作用，“浪涌”電流將持續(xù)在輸出網(wǎng)絡(luò)和RF功率合成器的副線圈中流動(dòng)，進(jìn)行n個(gè)RF循環(huán)。為了保證在此種條件下功率管不被損壞。PA模塊中的三極管的開/關(guān)動(dòng)作將與這些“浪涌”電流同相位，這將由適配器板上的同步電路來完成。

1.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

適配器板輸出的“音頻+直流”信號(hào)是一個(gè)12 Bit的字節(jié)，這個(gè)信號(hào)被編碼調(diào)制信號(hào)作用后作為控制RF功放模塊的開/關(guān)控制信號(hào)。發(fā)射機(jī)的功率放大級(jí)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)數(shù)模變換器，它輸出音頻調(diào)幅的功率信號(hào)。按發(fā)射機(jī)的功率“升、降”按鈕來控制“音頻+直流”的直流部分，對(duì)功放級(jí)的RF模塊進(jìn)行開/關(guān)控制。

1.4 數(shù)字調(diào)制器

發(fā)射機(jī)的幅度調(diào)制按以下3個(gè)步驟進(jìn)行：“音頻+直流”信號(hào)由適配器板將輸入的音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換而成，經(jīng)模/數(shù)變換后輸出一個(gè)12比特?cái)?shù)字字節(jié)的數(shù)字音頻信號(hào)。調(diào)制編碼電路將適配器板輸入的數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制功放級(jí)RF模塊開/關(guān)的控制信號(hào)。調(diào)制編碼電路輸出的開關(guān)控制信號(hào)操縱功放模塊的開/關(guān)，每個(gè)被開啟的功放模塊輸出的功率在功率合成器中進(jìn)行電壓合成，輸出帶有臺(tái)階分量的調(diào)幅波信號(hào)，發(fā)射機(jī)末級(jí)的帶通濾波器將離散的臺(tái)階分量濾除，使臺(tái)階信號(hào)變成光滑的已調(diào)波信號(hào)。

1.5 外部射頻激勵(lì)的輸入、輸出與切換

用于并機(jī)廣播的射頻輸入、輸出。當(dāng)同機(jī)房的二臺(tái)發(fā)射機(jī)需要并機(jī)工作時(shí)，作為主機(jī)的發(fā)射機(jī)，將在其適配器的外部輸出接口輸出RF激勵(lì)信號(hào)，送到副機(jī)適配器的外部接口，作為副機(jī)RF激勵(lì)信號(hào)，滿足了并機(jī)工作時(shí)，雙機(jī)RF信號(hào)同頻同相的目的。其輸入和輸出電平均為TTL電平。當(dāng)有高精度的同步激勵(lì)信號(hào)或調(diào)幅立體聲廣播的外部RF激勵(lì)信號(hào)輸入時(shí)，進(jìn)行RF激勵(lì)信號(hào)的切換，將輸入的RF信號(hào)作為主激勵(lì)信號(hào)，而本板產(chǎn)生的RF激勵(lì)信號(hào)將自動(dòng)成為備份。

2 電路構(gòu)成

適配器電路主要由4個(gè)部分構(gòu)成：FPGA部分，射頻部分，輸入與控制部分，電源部分。具體電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 FPGA部分

適配器板的核心工作部分是FPGA，它負(fù)責(zé)音頻調(diào)制信號(hào)的處理，載頻信號(hào)的生成，控制輸出功率，對(duì)輸出功率的變化進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)整。

2.2 DDS頻率合成

DDS頻率合成由載波輸出，外部同頻率輸入和外同步及RF采樣電路組成。10 MHz溫補(bǔ)晶振輸出的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)入FPGA，在FPGA中對(duì)10 MHz時(shí)鐘進(jìn)行緩沖和分配后輸出，通過低相噪鎖相環(huán)后輸出參考時(shí)鐘。當(dāng)外同步輸入端口，有10 MHz外同步信號(hào)輸入時(shí)，經(jīng)高速比較器整形后送入FPGA，自動(dòng)替代適配器自帶的參考時(shí)鐘。外同頻輸入端口，輸入的同頻信號(hào)經(jīng)緩沖電路進(jìn)行偏置及限幅后送入FPGA，在FPGA內(nèi)部進(jìn)一步整形和緩沖，自動(dòng)替代適配器DDS的輸出，為發(fā)射機(jī)提供射頻激勵(lì)。FPGA實(shí)現(xiàn)多路時(shí)鐘的緩沖、驅(qū)動(dòng)和分配，還對(duì)數(shù)字鎖相環(huán)芯片進(jìn)行參數(shù)配置，驅(qū)動(dòng)部分LED指示燈。在適配器中存在一個(gè)高速雙路數(shù)模轉(zhuǎn)換器，一路用于FPGA內(nèi)部的DDS模塊輸出，對(duì)輸出信號(hào)緩沖整形輸出載頻信號(hào)，另一路用于還原音頻調(diào)制信號(hào)，檢測包絡(luò)輸出和提供B-調(diào)制信號(hào)[1]。

2.3 輸入部分（由4個(gè)模塊組成）

2.3.1 模擬輸入通道

適配器輸入600Ω的平衡音頻信號(hào)，由無源濾波器濾除邊帶成分，同時(shí)防止了音頻過沖。差動(dòng)放大器允許輸入的最大音頻信號(hào)幅度為5 V。濾波后的信號(hào)經(jīng)差動(dòng)放大電路放大后輸出的音頻信號(hào)被加載在一個(gè)固定的直流電平上，生成的“音頻+直流”信號(hào)，該信號(hào)被模/數(shù)變換，濾波后的平衡信號(hào)經(jīng)儀表放大器（典型的差動(dòng)放大器）后，輸出的音頻信號(hào)疊加固定的靜態(tài)直流電平上，送到音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。模擬音頻信號(hào)在音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行∑-△調(diào)制和數(shù)模轉(zhuǎn)換，輸出串行的數(shù)字音頻流，由FPGA進(jìn)行后續(xù)處理。

2.3.2 數(shù)字輸入通道

AES/EBU格式的音頻數(shù)據(jù)信號(hào)分為2種，一種是經(jīng)數(shù)字基帶編碼調(diào)制器編碼后的數(shù)字信號(hào)（AES_DRM）、另一種是音頻數(shù)據(jù)信號(hào)（AES_DSB）[2]。AES_DRM信號(hào)送入適配器板后，經(jīng)過隔離變壓器后送到數(shù)字音頻接收芯片，AES數(shù)字音頻流被接收，解碼并轉(zhuǎn)換為TTL電平的串行數(shù)字音頻，送到FPGA中進(jìn)行信號(hào)處理，紅綠雙色發(fā)光二極管做為AES轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤指示燈。AES_DSB信號(hào)送入適配器，經(jīng)過另一路隔離變壓器后送到數(shù)字音頻接收芯片接收AES數(shù)字音頻流，解碼并轉(zhuǎn)換為TTL電平的串行數(shù)字音頻，送到FPGA中進(jìn)行信號(hào)處理，同樣采用雙色二極管作為AES轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤指示燈。數(shù)字音頻接收芯片是一款專業(yè)的高性能AES傳輸芯片，具備極高性能的采樣率和轉(zhuǎn)換能力及傳輸能力，擁有極低的抖動(dòng)和失真，能夠完整無失真接收AES信號(hào)（采樣率44.1 kHz和48 kHz）。

2.3.3 功放電壓采樣和功率控制

該模塊對(duì)功放電源進(jìn)行分壓和采樣，對(duì)各種因素造成的功放電壓波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，降低發(fā)射機(jī)輸出功率的浮動(dòng)，降低輸出包絡(luò)波型的失真。FPGA將控制系統(tǒng)輸入的功率控制12位BCD碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)功率的輸出控制。

高壓電源取樣來自電源取樣板，送入適配器板的電壓約為5 V。信號(hào)分為兩路，一路經(jīng)隔直電容濾除直流成分后，送入交流增益運(yùn)算放大器，通過調(diào)節(jié)放大器輸入端的電位器可以改善音頻低端的失真度。另一路經(jīng)直流增益運(yùn)算放大器送出，通過調(diào)節(jié)放大器輸入端的電位器調(diào)節(jié)直流增益。兩路信號(hào)合為一路信號(hào)后經(jīng)運(yùn)放和倒相后輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸出數(shù)據(jù)為串行輸出，后送入FPGA進(jìn)行處理。適配器板將輸入的電流取樣信號(hào)整形后由運(yùn)算放大器放大輸出至比較器，比較器的另一個(gè)輸入端是“過流”保護(hù)門限的參考電壓信號(hào)。

2.3.4 特殊功能控制接口

通過該接口可以改變發(fā)射機(jī)的最大輸出功率，調(diào)整載波頻率，切換工作模式等。

2.4 電源部分

適配器板的工作電壓有+1.2 V、+2.5 V、+3.3 V、+5 V、+9 V和±15 V。其中+15 V的輸入由非穩(wěn)壓的+22 V經(jīng)穩(wěn)壓塊穩(wěn)壓而得，+9 V由+15 V經(jīng)穩(wěn)壓塊穩(wěn)壓而得;-15 V由輸入的非穩(wěn)壓-22 V經(jīng)5穩(wěn)壓而得;+5 V由輸入的非穩(wěn)壓+8 V穩(wěn)壓而得，+5 V穩(wěn)壓后得到+2.5 V、+3.3 V，+3.3 V穩(wěn)壓后得到+1.2 V。

3 電路的常見故障

3.1 報(bào)“轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤”

模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作需要一個(gè)參考信號(hào)，這個(gè)參考信號(hào)來自對(duì)RF驅(qū)動(dòng)的采樣，當(dāng)這個(gè)采樣信號(hào)不存在或者不正確，將導(dǎo)致模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，報(bào)出“轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤”故障，此時(shí)適配器板電路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“功放關(guān)閉”指令，而功放電源（+250V）仍然能加上，但不會(huì)產(chǎn)生射頻輸出。

3.2 音頻THD（失真）故障

測量適配器數(shù)模變換器電路解調(diào)出的音頻信號(hào)的失真情況，信號(hào)的采樣是一個(gè)來自模數(shù)變換器上實(shí)際重現(xiàn)的音頻采樣信號(hào)。如果在適配器板出現(xiàn)任何失真，應(yīng)該在此表現(xiàn)出來。在適配器板的RF TEST點(diǎn)接上失真分析儀就可測量。如果失真存在于這里，查找音頻信號(hào)源、適配器板。如果此處不存在失真，失真可能存在于調(diào)制編碼板、功率放大器或輸出網(wǎng)絡(luò)中。

3.3 升功率時(shí)有跳變現(xiàn)象

按“升功率”鍵，用萬用表測量適配器板輸出的“音頻+直流”的直流信號(hào)，應(yīng)有0～-3.5 V連續(xù)變化的直流電壓，這個(gè)電壓發(fā)生跳變，就會(huì)產(chǎn)生輸出功率跳變的現(xiàn)象。此故障一般出在控制板或適配器板上，檢查控制板輸出的12位數(shù)字控制信號(hào);它如果正常，問題在適配器板上。

4 結(jié)語

適配器板電路提高了發(fā)射機(jī)整機(jī)的集成度，為數(shù)字廣播的的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。但是適配器板本身相對(duì)非常復(fù)雜，采用了大量的數(shù)字電路，對(duì)設(shè)備維護(hù)人員的技術(shù)水平要求相應(yīng)提高，希望該文可以為提高發(fā)射臺(tái)設(shè)備維護(hù)人員的技術(shù)水平有所幫助。

參考文獻(xiàn)

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[2]王慧慧，徐偉掌，候亞輝，等. DRM系統(tǒng)信道編碼原理及軟件實(shí)現(xiàn)[J]. 北京廣播學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版（3）：37-42.