哈广DCM 10 kW中波广播发射机抖动信号发生器浅析

唐海航

哈广DCM 10 kW中波广播发射机的音频输入信号通过音频处理器送到模拟输入板上，再经低通滤波和阻抗变换后产生 “音频+直流”信号，其中音频幅度决定调制电平，而直流电平的大小控制发射机的载波功率大小。该信号经模数（A/D）转换后形成1个12位的数字音频信号，并经循环调制编码板编码后产生48个功放单元的开通与关断的控制信号。而在模拟输入板上还有一套音频优化电路，即抖动信号发生器，它是72 kHz的三角波振荡电路，它受变化的大台阶信号同步，将它叠加在“音频+直流”上能使低电平信号有更高的分辨率。

发射机音频模拟信号在经A/D转换变成数字信号时，只有其中等于量化单位整数倍的部分转换为数字信号，而剩余的小于一个量化单位的部分将被丢失，从而产生量化误差。为了减小这种量化误差，可以在“音频+直流”模拟信号上再叠加1个72 kHz的超音频三角波抖动信号。

在叠加了峰值等于一个量化单位的三角波抖动信号后，在三角波的每个周期内，只要有小于一个量化单位的剩余模拟信号存在，模拟信号都会有一小段时间因叠加了三角波抖动信号而使得剩余部分的幅度超出一个量化单位，此时模拟信号经A/D转换后也相应获得数字信号最低位，然后加“1”，再经D/A转换后的模拟信号在这个时间段会出现一个脉冲，脉冲的幅度等于一个量化单位，而脉冲的宽度则由无抖动信号时被丢失的剩余模拟信号大小决定，这样形成的脉冲称为PDM补偿脉冲。在经过发射机输出网络滤波后，PDM补偿脉冲中的超音频成分及其谐波分量将被滤除，而剩下的瞬时直流分量能够弥补二进制小台阶补偿的不足、减小量化误差和提高数字化数据的精度，这使得A/D转换器输出的是12位数据，而分辨率却能由12 bit提高到13～14 bit。

抖动信号发生器由运算放大器N3、N19、N5A及周围元件组成，如图1所示。

图1 抖动信号发生器

1 抖动信号发生器电路

模拟信号到数字信号（A/D）转换过程有一个固有的±1个数字单位量的不确定性。当输入的模拟信号变化时，由于这个不确定量，在两个阶梯之间可能存在一个开关作动落后或超前，这可能会产生一定量的低电平驻留噪声。“高频抖动”振荡器电路能通过引入一个小信号72 kHz的三角波在输入信号中使驻留噪声最小。这个信号的频率将在音频范围之外，同时信号足够小，因此它可在带通滤波器和输出网络中被衰减掉。

抖动信号发生器电路是由一个积分器（N3）和一个方波发生器（差分放大器N19）组成。差分放大器N19工作在开环状态，因此它的增益是非常高的。假设没有“大台阶同步”输入，反相输入端N19-2是在零电压。如果在同相输入端N19-3是稍稍有点正的信号，则输出N19-6将达+15 V电源电压。而N19-3若为稍负的电压，则输出将为-15 V电源电压。N19的输出被齐纳二极管VD11和VD12钳位在+6 V和-6 V（5.1 V的稳压击穿电压加上降在另一个管上的0.7 V的正向结电压）。其波形如图2中的Ua波形，是一个方波信号。

图2 抖动信号发生器波形图

2 积分电路

N19的输出电压加到电位器R41和N3-2端。当输入是+6 V时，输出信号N3-6将倾斜向下。当输入是-6 V时，N3的输出将开始倾斜向上。N3输出信号的变化速率将由R41和C62的时间常数所决定，因此调整R41将改变振荡器的频率。“高频抖动”振荡器在N3-6和TP10的输出信号是一个1 VP-P和频率72 kHz的三角波信号。其波形如图2中的Ub波形。电阻R39和R40形成一个分压器，其一端接于+6 V/-6 V电压（由齐纳二极管电压确定）而另一端接在振荡器输出电压上（三角波在+1～-1 V变化）。N19同相端的电位由R39、R40的阻值和两端的电压值决定，并随两端电压的变化而变化，其波形如图2中的Uc波形。在N3-6端的输出信号将引起N19-6开/关变化，形成高低电平，这个电平反过来将反馈到输入端N3-2（形成振荡器）。由R42和R43形成的电压分压器将TP10的“高频抖动”信号衰减成非常弱的电平信号。

由图1可知，由于VD11、VD12的箝位作用，VD11正端的输出固定为+6 V或-6 V，这个+6 V或-6 V的信号经过积分电路积分使得N3-6的输出Ub按一定斜率下降或上升，上升或下降的斜率则由R41、 C62的时间常数决定；而VD11正端输出翻转的时刻，就是N19的同相输入端N19-3的电位Uc随着N3-6的输出Ub下降或上升过零的时刻，也就是Ub上升到最大值或下降到最小值的时刻。由于流入理想运算放大器的电流为零，据此可以算出N19的同相输入端N19-3的电位Uc=0时，流过R39的电流与流过R40的电流是相等的，即Ua/R39=Ub／R40，所以N3-6输出抖动信号的幅值如下：

这就是说，输出抖动信号的幅度是由稳压管VD11、VD12方波信号幅值和电阻R39、R40的阻值决定的。而当三角波抖动信号的幅值和升、降斜率确定后，其频率也就确定了。所以，抖动信号频率就由VD11、VD12箝位输出的电压值，R39、R40的阻值，R41、C62的时间常数决定，通过调节R41的阻值，可以改变三角波抖动信号的斜率，从而改变抖动信号的频率，但不能改变抖动信号的幅度。最终输出的抖动信号由R42、R43组成的分压电路分压获得，通过调整R43的阻值可以调节抖动信号输出的幅度。

3 A/D大台阶同步信号

当模数转换板中最高六位码的数字音频信号发生变化时就产生一次大台阶变换。每当发射机的输出作大台阶变化时，大台阶同步信号发生器就产生一个幅度为±0.3 V的尖脉冲信号，即控制抖动信号发生器的大台阶同步信号。在TP11的同步脉冲经同相放大器N5A的缓冲后送入N19-3脚的反相输入端去同步抖动信号。当N5A无同步脉冲输入时，N3-6的输出为1 VP-P的三角波（频率为72 kHz）。当大台阶关闭时抖动信号正在上升期，此时大台阶同步脉冲会迫使三角波由上升变为下降；相反，当大台阶开启时，抖动信号正在下降期，此时大台阶同步信号会迫使三角波由下降变为上升。这个被大台阶同步信号改变的三角波抖动信号将对A/D转换时+/-1个数位的不确定性起补偿作用，从而减少由此而产生的低电平噪声。

4 结语

抖动信号是在音频信号上叠加了一个72 kHz的三角波，而且又与大台阶同步，当发射机从所有二进制台阶功放打开到所有二进制台阶功放关闭并开启下一个大台阶功放的过程变化时，它就会增加，并迫使A/D输入幅度以足够快的速度变大，以防止大台阶的来回开通关断。抖动信号72 kHz这个频率高于音频范围而且刚好能被输出网络的带通滤波器衰减掉，但它的频率和幅度不能太高。使用这种辅助数字增长技术，能使数字音频信号达到13～14比特，从而提高发射机噪声指标。