哈廣DCM 10 kW中波廣播發射機抖動信號發生器淺析

唐海航

哈廣DCM 10 kW中波廣播發射機的音頻輸入信號通過音頻處理器送到模擬輸入板上，再經低通濾波和阻抗變換后產生 “音頻+直流”信號，其中音頻幅度決定調制電平，而直流電平的大小控制發射機的載波功率大小。該信號經模數（A/D）轉換后形成1個12位的數字音頻信號，并經循環調制編碼板編碼后產生48個功放單元的開通與關斷的控制信號。而在模擬輸入板上還有一套音頻優化電路，即抖動信號發生器，它是72 kHz的三角波振蕩電路，它受變化的大臺階信號同步，將它疊加在“音頻+直流”上能使低電平信號有更高的分辨率。

發射機音頻模擬信號在經A/D轉換變成數字信號時，只有其中等于量化單位整數倍的部分轉換為數字信號，而剩余的小于一個量化單位的部分將被丟失，從而產生量化誤差。為了減小這種量化誤差，可以在“音頻+直流”模擬信號上再疊加1個72 kHz的超音頻三角波抖動信號。

在疊加了峰值等于一個量化單位的三角波抖動信號后，在三角波的每個周期內，只要有小于一個量化單位的剩余模擬信號存在，模擬信號都會有一小段時間因疊加了三角波抖動信號而使得剩余部分的幅度超出一個量化單位，此時模擬信號經A/D轉換后也相應獲得數字信號最低位，然后加“1”，再經D/A轉換后的模擬信號在這個時間段會出現一個脈沖，脈沖的幅度等于一個量化單位，而脈沖的寬度則由無抖動信號時被丟失的剩余模擬信號大小決定，這樣形成的脈沖稱為PDM補償脈沖。在經過發射機輸出網絡濾波后，PDM補償脈沖中的超音頻成分及其諧波分量將被濾除，而剩下的瞬時直流分量能夠彌補二進制小臺階補償的不足、減小量化誤差和提高數字化數據的精度，這使得A/D轉換器輸出的是12位數據，而分辨率卻能由12 bit提高到13～14 bit。

抖動信號發生器由運算放大器N3、N19、N5A及周圍元件組成，如圖1所示。

圖1 抖動信號發生器

1 抖動信號發生器電路

模擬信號到數字信號（A/D）轉換過程有一個固有的±1個數字單位量的不確定性。當輸入的模擬信號變化時，由于這個不確定量，在兩個階梯之間可能存在一個開關作動落后或超前，這可能會產生一定量的低電平駐留噪聲。“高頻抖動”振蕩器電路能通過引入一個小信號72 kHz的三角波在輸入信號中使駐留噪聲最小。這個信號的頻率將在音頻范圍之外，同時信號足夠小，因此它可在帶通濾波器和輸出網絡中被衰減掉。

抖動信號發生器電路是由一個積分器（N3）和一個方波發生器（差分放大器N19）組成。差分放大器N19工作在開環狀態，因此它的增益是非常高的。假設沒有“大臺階同步”輸入，反相輸入端N19-2是在零電壓。如果在同相輸入端N19-3是稍稍有點正的信號，則輸出N19-6將達+15 V電源電壓。而N19-3若為稍負的電壓，則輸出將為-15 V電源電壓。N19的輸出被齊納二極管VD11和VD12鉗位在+6 V和-6 V（5.1 V的穩壓擊穿電壓加上降在另一個管上的0.7 V的正向結電壓）。其波形如圖2中的Ua波形，是一個方波信號。

圖2 抖動信號發生器波形圖

2 積分電路

N19的輸出電壓加到電位器R41和N3-2端。當輸入是+6 V時，輸出信號N3-6將傾斜向下。當輸入是-6 V時，N3的輸出將開始傾斜向上。N3輸出信號的變化速率將由R41和C62的時間常數所決定，因此調整R41將改變振蕩器的頻率。“高頻抖動”振蕩器在N3-6和TP10的輸出信號是一個1 VP-P和頻率72 kHz的三角波信號。其波形如圖2中的Ub波形。電阻R39和R40形成一個分壓器，其一端接于+6 V/-6 V電壓（由齊納二極管電壓確定）而另一端接在振蕩器輸出電壓上（三角波在+1～-1 V變化）。N19同相端的電位由R39、R40的阻值和兩端的電壓值決定，并隨兩端電壓的變化而變化，其波形如圖2中的Uc波形。在N3-6端的輸出信號將引起N19-6開/關變化，形成高低電平，這個電平反過來將反饋到輸入端N3-2（形成振蕩器）。由R42和R43形成的電壓分壓器將TP10的“高頻抖動”信號衰減成非常弱的電平信號。

由圖1可知，由于VD11、VD12的箝位作用，VD11正端的輸出固定為+6 V或-6 V，這個+6 V或-6 V的信號經過積分電路積分使得N3-6的輸出Ub按一定斜率下降或上升，上升或下降的斜率則由R41、 C62的時間常數決定；而VD11正端輸出翻轉的時刻，就是N19的同相輸入端N19-3的電位Uc隨著N3-6的輸出Ub下降或上升過零的時刻，也就是Ub上升到最大值或下降到最小值的時刻。由于流入理想運算放大器的電流為零，據此可以算出N19的同相輸入端N19-3的電位Uc=0時，流過R39的電流與流過R40的電流是相等的，即Ua/R39=Ub／R40，所以N3-6輸出抖動信號的幅值如下：

這就是說，輸出抖動信號的幅度是由穩壓管VD11、VD12方波信號幅值和電阻R39、R40的阻值決定的。而當三角波抖動信號的幅值和升、降斜率確定后，其頻率也就確定了。所以，抖動信號頻率就由VD11、VD12箝位輸出的電壓值，R39、R40的阻值，R41、C62的時間常數決定，通過調節R41的阻值，可以改變三角波抖動信號的斜率，從而改變抖動信號的頻率，但不能改變抖動信號的幅度。最終輸出的抖動信號由R42、R43組成的分壓電路分壓獲得，通過調整R43的阻值可以調節抖動信號輸出的幅度。

3 A/D大臺階同步信號

當模數轉換板中最高六位碼的數字音頻信號發生變化時就產生一次大臺階變換。每當發射機的輸出作大臺階變化時，大臺階同步信號發生器就產生一個幅度為±0.3 V的尖脈沖信號，即控制抖動信號發生器的大臺階同步信號。在TP11的同步脈沖經同相放大器N5A的緩沖后送入N19-3腳的反相輸入端去同步抖動信號。當N5A無同步脈沖輸入時，N3-6的輸出為1 VP-P的三角波（頻率為72 kHz）。當大臺階關閉時抖動信號正在上升期，此時大臺階同步脈沖會迫使三角波由上升變為下降；相反，當大臺階開啟時，抖動信號正在下降期，此時大臺階同步信號會迫使三角波由下降變為上升。這個被大臺階同步信號改變的三角波抖動信號將對A/D轉換時+/-1個數位的不確定性起補償作用，從而減少由此而產生的低電平噪聲。

4 結語

抖動信號是在音頻信號上疊加了一個72 kHz的三角波，而且又與大臺階同步，當發射機從所有二進制臺階功放打開到所有二進制臺階功放關閉并開啟下一個大臺階功放的過程變化時，它就會增加，并迫使A/D輸入幅度以足夠快的速度變大，以防止大臺階的來回開通關斷。抖動信號72 kHz這個頻率高于音頻范圍而且剛好能被輸出網絡的帶通濾波器衰減掉，但它的頻率和幅度不能太高。使用這種輔助數字增長技術，能使數字音頻信號達到13～14比特，從而提高發射機噪聲指標。