哈廣DCM 10 kW中波廣播發(fā)射機(jī)抖動(dòng)信號(hào)發(fā)生器淺析

唐海航

哈廣DCM 10 kW中波廣播發(fā)射機(jī)的音頻輸入信號(hào)通過音頻處理器送到模擬輸入板上，再經(jīng)低通濾波和阻抗變換后產(chǎn)生 “音頻+直流”信號(hào)，其中音頻幅度決定調(diào)制電平，而直流電平的大小控制發(fā)射機(jī)的載波功率大小。該信號(hào)經(jīng)模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換后形成1個(gè)12位的數(shù)字音頻信號(hào)，并經(jīng)循環(huán)調(diào)制編碼板編碼后產(chǎn)生48個(gè)功放單元的開通與關(guān)斷的控制信號(hào)。而在模擬輸入板上還有一套音頻優(yōu)化電路，即抖動(dòng)信號(hào)發(fā)生器，它是72 kHz的三角波振蕩電路，它受變化的大臺(tái)階信號(hào)同步，將它疊加在“音頻+直流”上能使低電平信號(hào)有更高的分辨率。

發(fā)射機(jī)音頻模擬信號(hào)在經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)時(shí)，只有其中等于量化單位整數(shù)倍的部分轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，而剩余的小于一個(gè)量化單位的部分將被丟失，從而產(chǎn)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(hào)上再疊加1個(gè)72 kHz的超音頻三角波抖動(dòng)信號(hào)。

在疊加了峰值等于一個(gè)量化單位的三角波抖動(dòng)信號(hào)后，在三角波的每個(gè)周期內(nèi)，只要有小于一個(gè)量化單位的剩余模擬信號(hào)存在，模擬信號(hào)都會(huì)有一小段時(shí)間因疊加了三角波抖動(dòng)信號(hào)而使得剩余部分的幅度超出一個(gè)量化單位，此時(shí)模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后也相應(yīng)獲得數(shù)字信號(hào)最低位，然后加“1”，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)在這個(gè)時(shí)間段會(huì)出現(xiàn)一個(gè)脈沖，脈沖的幅度等于一個(gè)量化單位，而脈沖的寬度則由無抖動(dòng)信號(hào)時(shí)被丟失的剩余模擬信號(hào)大小決定，這樣形成的脈沖稱為PDM補(bǔ)償脈沖。在經(jīng)過發(fā)射機(jī)輸出網(wǎng)絡(luò)濾波后，PDM補(bǔ)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(shí)直流分量能夠彌補(bǔ)二進(jìn)制小臺(tái)階補(bǔ)償?shù)牟蛔?、減小量化誤差和提高數(shù)字化數(shù)據(jù)的精度，這使得A/D轉(zhuǎn)換器輸出的是12位數(shù)據(jù)，而分辨率卻能由12 bit提高到13～14 bit。

抖動(dòng)信號(hào)發(fā)生器由運(yùn)算放大器N3、N19、N5A及周圍元件組成，如圖1所示。

圖1 抖動(dòng)信號(hào)發(fā)生器

1 抖動(dòng)信號(hào)發(fā)生器電路

模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)（A/D）轉(zhuǎn)換過程有一個(gè)固有的±1個(gè)數(shù)字單位量的不確定性。當(dāng)輸入的模擬信號(hào)變化時(shí)，由于這個(gè)不確定量，在兩個(gè)階梯之間可能存在一個(gè)開關(guān)作動(dòng)落后或超前，這可能會(huì)產(chǎn)生一定量的低電平駐留噪聲?！案哳l抖動(dòng)”振蕩器電路能通過引入一個(gè)小信號(hào)72 kHz的三角波在輸入信號(hào)中使駐留噪聲最小。這個(gè)信號(hào)的頻率將在音頻范圍之外，同時(shí)信號(hào)足夠小，因此它可在帶通濾波器和輸出網(wǎng)絡(luò)中被衰減掉。

抖動(dòng)信號(hào)發(fā)生器電路是由一個(gè)積分器（N3）和一個(gè)方波發(fā)生器（差分放大器N19）組成。差分放大器N19工作在開環(huán)狀態(tài)，因此它的增益是非常高的。假設(shè)沒有“大臺(tái)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(diǎn)正的信號(hào)，則輸出N19-6將達(dá)+15 V電源電壓。而N19-3若為稍負(fù)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(wěn)壓擊穿電壓加上降在另一個(gè)管上的0.7 V的正向結(jié)電壓）。其波形如圖2中的Ua波形，是一個(gè)方波信號(hào)。

圖2 抖動(dòng)信號(hào)發(fā)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(dāng)輸入是+6 V時(shí)，輸出信號(hào)N3-6將傾斜向下。當(dāng)輸入是-6 V時(shí)，N3的輸出將開始傾斜向上。N3輸出信號(hào)的變化速率將由R41和C62的時(shí)間常數(shù)所決定，因此調(diào)整R41將改變振蕩器的頻率?！案哳l抖動(dòng)”振蕩器在N3-6和TP10的輸出信號(hào)是一個(gè)1 VP-P和頻率72 kHz的三角波信號(hào)。其波形如圖2中的Ub波形。電阻R39和R40形成一個(gè)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(hào)將引起N19-6開/關(guān)變化，形成高低電平，這個(gè)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(dòng)”信號(hào)衰減成非常弱的電平信號(hào)。

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(gè)+6 V或-6 V的信號(hào)經(jīng)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(shí)間常數(shù)決定；而VD11正端輸出翻轉(zhuǎn)的時(shí)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(shí)刻，也就是Ub上升到最大值或下降到最小值的時(shí)刻。由于流入理想運(yùn)算放大器的電流為零，據(jù)此可以算出N19的同相輸入端N19-3的電位Uc=0時(shí)，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(dòng)信號(hào)的幅值如下：

這就是說，輸出抖動(dòng)信號(hào)的幅度是由穩(wěn)壓管VD11、VD12方波信號(hào)幅值和電阻R39、R40的阻值決定的。而當(dāng)三角波抖動(dòng)信號(hào)的幅值和升、降斜率確定后，其頻率也就確定了。所以，抖動(dòng)信號(hào)頻率就由VD11、VD12箝位輸出的電壓值，R39、R40的阻值，R41、C62的時(shí)間常數(shù)決定，通過調(diào)節(jié)R41的阻值，可以改變?nèi)遣ǘ秳?dòng)信號(hào)的斜率，從而改變抖動(dòng)信號(hào)的頻率，但不能改變抖動(dòng)信號(hào)的幅度。最終輸出的抖動(dòng)信號(hào)由R42、R43組成的分壓電路分壓獲得，通過調(diào)整R43的阻值可以調(diào)節(jié)抖動(dòng)信號(hào)輸出的幅度。

3 A/D大臺(tái)階同步信號(hào)

當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換板中最高六位碼的數(shù)字音頻信號(hào)發(fā)生變化時(shí)就產(chǎn)生一次大臺(tái)階變換。每當(dāng)發(fā)射機(jī)的輸出作大臺(tái)階變化時(shí)，大臺(tái)階同步信號(hào)發(fā)生器就產(chǎn)生一個(gè)幅度為±0.3 V的尖脈沖信號(hào)，即控制抖動(dòng)信號(hào)發(fā)生器的大臺(tái)階同步信號(hào)。在TP11的同步脈沖經(jīng)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(dòng)信號(hào)。當(dāng)N5A無同步脈沖輸入時(shí)，N3-6的輸出為1 VP-P的三角波（頻率為72 kHz）。當(dāng)大臺(tái)階關(guān)閉時(shí)抖動(dòng)信號(hào)正在上升期，此時(shí)大臺(tái)階同步脈沖會(huì)迫使三角波由上升變?yōu)橄陆?；相反，?dāng)大臺(tái)階開啟時(shí)，抖動(dòng)信號(hào)正在下降期，此時(shí)大臺(tái)階同步信號(hào)會(huì)迫使三角波由下降變?yōu)樯仙?。這個(gè)被大臺(tái)階同步信號(hào)改變的三角波抖動(dòng)信號(hào)將對(duì)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)+/-1個(gè)數(shù)位的不確定性起補(bǔ)償作用，從而減少由此而產(chǎn)生的低電平噪聲。

4 結(jié)語(yǔ)

抖動(dòng)信號(hào)是在音頻信號(hào)上疊加了一個(gè)72 kHz的三角波，而且又與大臺(tái)階同步，當(dāng)發(fā)射機(jī)從所有二進(jìn)制臺(tái)階功放打開到所有二進(jìn)制臺(tái)階功放關(guān)閉并開啟下一個(gè)大臺(tái)階功放的過程變化時(shí)，它就會(huì)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(tái)階的來回開通關(guān)斷。抖動(dòng)信號(hào)72 kHz這個(gè)頻率高于音頻范圍而且剛好能被輸出網(wǎng)絡(luò)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(shù)字增長(zhǎng)技術(shù)，能使數(shù)字音頻信號(hào)達(dá)到13～14比特，從而提高發(fā)射機(jī)噪聲指標(biāo)。