DX系列中波調(diào)幅發(fā)射機(jī)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(jī)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(jī)，進(jìn)行詳細(xì)的解析，對理解，維護(hù)，管理數(shù)字調(diào)制發(fā)射機(jī)具有指導(dǎo)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(dāng)今的模擬中波波段的調(diào)幅廣播發(fā)射機(jī)已全面采用數(shù)字化調(diào)制方式，200KW以上的大功率機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)方式：M2W及S7HP系列發(fā)射機(jī)采用移相模塊疊加的方法實(shí)現(xiàn)；DX系列發(fā)射機(jī)采用有權(quán)位二進(jìn)制模塊和等壓模塊疊加的方式實(shí)現(xiàn)。模擬音頻信號送入DX系列發(fā)射機(jī)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(jìn)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(shí)現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換，完成標(biāo)準(zhǔn)模擬調(diào)幅波的重現(xiàn)，經(jīng)天線系統(tǒng)發(fā)送出去，實(shí)現(xiàn)調(diào)幅廣播發(fā)射機(jī)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(jī)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(biāo)。

下文以美國哈里斯公司生產(chǎn)的DX200發(fā)射機(jī)為例，針對其數(shù)字調(diào)制實(shí)現(xiàn)過程中的關(guān)鍵問題進(jìn)行探討，DX200中波發(fā)射機(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)行取樣，若保證取樣頻率fS≧2fc，那么，可由U（nTS）完全恢復(fù)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(fù)頻率為fS，當(dāng)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”。“頻譜混疊”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(shí)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(fù)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)需要考慮實(shí)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(shí)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(fù)雜和處理時間的延長及實(shí)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(hù)數(shù)字調(diào)制發(fā)射機(jī)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(jì)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(diǎn)，量化誤差幅值可以減小到原值的1/ kOSR。DX200發(fā)射機(jī)使用的過采樣技術(shù)，采樣頻率來自于發(fā)射機(jī)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(jī)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(diǎn)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(qiáng)，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。可以采用提高量化位數(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(fù)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(jī)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(shí)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(jī)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(jī)整體信噪比理論計算為：SNR （dB） = 6.02N+1.76+20lg kOSR =94dB～100dB，相當(dāng)于15～16比特的量化精度。

2.3 采樣時鐘的抖動

DX200發(fā)射機(jī)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換采樣時鐘是由發(fā)射機(jī)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(diǎn)的變動，并因此可能造成較大的誤差。模擬調(diào)制發(fā)射機(jī)非常關(guān)注載波頻率的長期穩(wěn)定度，關(guān)注因?yàn)橥鈱脺囟取⑾到y(tǒng)老化、機(jī)械振動等引起的頻率慢漂移；在管理與維護(hù)DX200數(shù)字調(diào)制發(fā)射機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)維護(hù)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(yùn)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(jī)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(jī)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(bǔ)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(dāng)?shù)投司幪柹浞拍K出現(xiàn)故障時，應(yīng)按照機(jī)器說明，停機(jī)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(jìn)制模塊故障對誤差造成的影響，因其含有權(quán)位，例如：二進(jìn)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。考慮最嚴(yán)重故障情況，當(dāng)二進(jìn)制臺階B9、B10、B11、B12都不能工作時（例如出現(xiàn)二進(jìn)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(jī)射放模塊故障的管理，應(yīng)該重視分析對發(fā)射機(jī)數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)實(shí)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(xué)習(xí)與專研應(yīng)是廣播發(fā)送設(shè)備維護(hù)人員的必修課程。DX200發(fā)射機(jī)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(jī)器運(yùn)行質(zhì)量指標(biāo)的關(guān)鍵點(diǎn)，需要計劃維護(hù)，按時進(jìn)行指標(biāo)測試與狀態(tài)校準(zhǔn)。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(jìn)行故障應(yīng)急處理時應(yīng)考慮對機(jī)器數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的影響。數(shù)字調(diào)制中波發(fā)射機(jī)信號的數(shù)字化處理技術(shù)與實(shí)現(xiàn)過程應(yīng)是調(diào)整、維護(hù)、管理工作的主體思路。

參 考 文 獻(xiàn)

[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(jī).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(shí)現(xiàn).2版.北京：清華大學(xué)出版社，2003.8