APP下载

DX系列中波调幅发射机数字调制解析

2016-08-17崔立忠

中国新通信 2016年14期
关键词:滤波器发射机误差

崔立忠

【摘要】 现代中波波段调幅广播发射机已全面采用数字化调制方式,本文从数字化的视角对DX系列数字调制发射机,进行详细的解析,对理解,维护,管理数字调制发射机具有指导意义。

【关键词】 数字调制 模/数转换 数/模转换 抖动信号 混叠滤波 过采样

一、引言

当今的模拟中波波段的调幅广播发射机已全面采用数字化调制方式,200KW以上的大功率机型主要以美国哈里斯公司生产的DX系列和法国汤姆逊公司生产的M2W及S7HP系列为代表。数字调制发射机以音频信号数字化处理为核心,不同生产厂家,产品的主要区别在于形成模拟幅度调制波的数字实现方式:M2W及S7HP系列发射机采用移相模块叠加的方法实现;DX系列发射机采用有权位二进制模块和等压模块叠加的方式实现。模拟音频信号送入DX系列发射机的模拟输入板,经过信号调理后送入模/数转换板进行数字编码为12比特数字音频信号;数字音频信号经调制编码板转译,合成器合成,带通滤波器滤波,实现数/模转换,完成标准模拟调幅波的重现,经天线系统发送出去,实现调幅广播发射机的调制发送功能。由于数字信号处理与传输的质量主要决定于信源,与模拟调制的信号逐级放大的传输方式不同,不易积累噪声,发射机通过采用数字化的信号处理技术,取得了稳定、优异的性能指标。

下文以美国哈里斯公司生产的DX200发射机为例,针对其数字调制实现过程中的关键问题进行探讨,DX200中波发射机数字调制系统如图1所示,将系统分为模/数转换系统和数/模转换系统两大部分。

二、DX200发射机的模/数转换系统

2.1 信号过取样与抗混叠滤波器的应用

信号数字处理的第一步是进行模/数转换,模/数转换是将时间上和数值上连续的模拟信号变为时间和数值上都离散的数字信号。根据取样定理:有限带宽的连续信号U(t),其频谱的最高频率为fc,对U(t)进行取样,若保证取样频率fS≧2fc,那么,可由U(nTS)完全恢复出U(t),即U(nTS) 保留了U(t)的全部信息。满足取样定理的最低取样频率称为奈奎斯特频率。

取样定理是数字信号处理的基础定理。通过傅立叶分析可以证明:U(nTS)的频谱是连续信号频谱的周期延拓,重复频率为fS,当模拟信号之中存在频率超过取样定理要求的fS/2的噪声、干扰等无用信号时,信号中fS/2以上的频率成份没有消失,而是对称地映像到fS/2以下的频带中,并与原有频率成分叠加,造成“频谱混叠”。“频谱混叠”是数字信号处理中特有的现象,混叠会在频域产生假频率,在时域产生假信号,并与真实信号混在一起,无法在之后的信号处理过程中消除,因而无法恢复出原信号。

若U(t)不是有限带宽的,则必须在模/数转换之前,使用抗混叠滤波器,对U(t)作限带滤波,以去掉fS/2以上的高频成分,并依据有用信号频带,选择合适的取样频率。

DX200发射机对输入的模拟音频信号采用12比特的数字量化,在模拟输入板的音频输入第一级采用了贝塞尔滤波器进行抗混叠滤波。为不产生音频畸变,需要滤波器具有较理想的线性度:即具有平直的幅频特性和线性的相频特性;对于抗混叠滤波器的要求,还需要阻带具有陡峭的滚降特性,以取得干净频带。DX200发射机使用过采样来降低对抗混叠滤波器的技术要求。

过采样是指在模/数转换之中,使用超过奈奎斯特频率的采样频率对模拟信号进行采样。过采样可以减少信号的频域间距,方便抗混叠滤波器的设计与实现。

2.2过采样与量化误差

模拟信号的数字化是使用有限多的量化电平来表示无限多的幅度值,数字系统的功能实现需要考虑实现成本和处理时间,而数字系统的处理精度有限,数字信号表示字长有限,这些都会造成信号量化电平与实际电平之间存在误差—量化误差,量化误差是数字信号处理中的特有误差。使用高精度的模/数转换器可以减少量化误差,但是会造成系统的复杂和处理时间的延长及实现成本增加,掌握这些误差对数字系统的影响,对管理和维护数字调制发射机很有必要。

通过过采样得到一组样值后,取平均值,是减小量化误差,提高系统精确度的经济有效的方法。定义过采样比率kOSR来表征过采样的程度:kOSR= fS /2fc。过采样可以保证在奈奎斯特频率范围内,最小的量化台阶上增加有kOSR个采样点,量化误差幅值可以减小到原值的1/ kOSR。DX200发射机使用的过采样技术,采样频率来自于发射机载波频率的一次或二次分频,范围在410kHz~820kHz之间。按照音频信号频率范围为0~20kHz计算,过采样率比率kOSR=10~20,发射机的带通滤波器可以起到求取平均值作用,提高了系统数字化的精确度。

对过采样的两点说明:

1、对高频率大幅度信号:量化误差与输入信号具有很小的相关性,如图2“t0~t1” 时间段所示,量化误差可近似看作是白噪声,在整个有用频带内具有平均分布的功率谱密度,过采样有效。

2、对低频率,小幅度的信号:量化误差波形近似跟随输入信号波形,相关性增强,如图2“t2~t3”时间段所示,量化误差以模/数转换谱谐波的形式出现,非白噪声谱,过采样效果差。可以采用提高量化位数和采用非均匀量化等措施提高量化精确度。为不增加系统复杂度,经常采用在输入信号上叠加一连续变化的信号,叫做“抖动信号”的方式来打破信号与噪声的相关性,使得过采样发挥效果,如图2“t3~t4” 时间段所示。

DX200发射机采用了叠加频率为70kHz的三角波函数作为“抖动信号”,为取得样值,实现功能而不影响信号的动态范围,三角波信号峰峰值应等于1VLSB为最佳。

DX200发射机通过采用过采样+抖动三角波+求取平均值的措施,理想情况下可使得量化误差幅值减小到原值的1/kOSR,DX200发射机整体信噪比理论计算为:SNR (dB) = 6.02N+1.76+20lg kOSR =94dB~100dB,相当于15~16比特的量化精度。

2.3 采样时钟的抖动

DX200发射机的模/数转换采样时钟是由发射机载波频率或者载波频率的二分频构成的,采样时钟的稳定性也是影响系统量化误差的重要因素,由于少量时钟相位的抖动将引起模/数转换对应输入信号上的采样点的变动,并因此可能造成较大的误差。模拟调制发射机非常关注载波频率的长期稳定度,关注因为外届温度、系统老化、机械振动等引起的频率慢漂移;在管理与维护DX200数字调制发射机时,还应重视保证载波频率的短期稳定度。

三、DX200发射机数/模转换系统

调制编码板+合成器+带通滤波器构成DX200发射机的数/模转换系统。数字信号经过调制编码器转译为控制220个等压大台阶(编号RF1~RF220)及4个二进制含权位小台阶(编号B9:1/2等压台阶,B10:1/4等压台阶,B11:1/8等压台阶,B12:1/16等压台阶)的射频功放模块开通与关断的控制信号,射频功放台阶模块开通的数目取决于音频信号而幅度,通过合成器进行电压叠加合成。每级台阶都由射频振荡波构成,因而形成具有模拟调幅波形状的射频台阶波,再经过带通滤波器滤除各类开关杂散频率,形成标准模拟调幅波,馈送至天馈线系统发射。波形示意如图3所示。

在DX200发射机维护过程中,经常出现射频功放模块损坏的故障,少数模块的故障不影响整体系统的运行,但射频功放模块的损坏,将引起数/模转换系统合成台阶的缺失,造成误差。由于DX200发射机每个射频功放模块都有固定的编号及控制时序,每个射放模块的编号不同,位置不同,构筑调幅波形中开通的持续时间不同,波形中所占组份不同,损坏后给系统造成的误差程度不同,从低端编号模块到高端编号模块,对误差的影响由大到小。由于DX200发射机射频功放模块不是循环通断的,因而不能在工作中自动补偿损坏模块带来的电压损失。

由于中波调幅广播的声音信号高调幅时段较少,当低端编号射放模块出现故障时,应按照机器说明,停机后,通过编码设置,将位于高端编号的射放模块替代低端编号的射放模块工作。要特别注意二进制模块故障对误差造成的影响,因其含有权位,例如:二进制B12,1/16射放模块损坏时,将等同于模/数转换量化比特数减低为11位,理论上信噪比将减低6dB。考虑最严重故障情况,当二进制台阶B9、B10、B11、B12都不能工作时(例如出现二进制台阶对应的电源大保险损坏),将等同于量化比特数减低为8位,理论信噪比为SNR (dB) =49.92dB。因而对DX200发射机射放模块故障的管理,应该重视分析对发射机数字调制系统实现效果的影响。

四、结语

数字技术的飞速发展和广泛应用给模拟广播发送行业带开了跨越式发展,对数字技术的学习与专研应是广播发送设备维护人员的必修课程。DX200发射机中模/数转换系统中音频处理器平均调幅度的调整、音频通路的反馈调整,贝塞尔滤波器、输出带通滤波器调整、三角波频率与幅值调整以及载波频率的稳定性等是影响机器运行质量指标的关键点,需要计划维护,按时进行指标测试与状态校准。数/模转换系统中调制编码板的故障,模块故障,保险故障等,在进行故障应急处理时应考虑对机器数字化实现的影响。数字调制中波发射机信号的数字化处理技术与实现过程应是调整、维护、管理工作的主体思路。

参 考 文 献

[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]魏瑞发.数字化调幅发射机.北京:无线电台管理局教育处编印,1999.10.

[3]Brad Brannon.采样系统以及时钟相位噪声和抖动的影响, P.O.Box 9106 Norwood

[4]胡广书.数字信号处理——理论、算法与实现.2版.北京:清华大学出版社,2003.8

猜你喜欢

滤波器发射机误差
浅谈有源滤波器分析及仿真
CIC插值滤波器的研究
浅析全固态中波发射机的防雷措施
隧道横向贯通误差估算与应用
隧道横向贯通误差估算与应用
DAM-10kW中波广播发射机原理与故障排除
DAM中波发射机日常维护研究
精确与误差
FIR滤波器线性相位特性的研究
压力表非线性误差分析与调整