传媒大学数字调幅发射机.ppt
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1、第五节 数字调幅发射机中国传媒大学信息工程学院,一、概述广播发射机的技术发展主要体现在:高效率和高可靠性、数字技术含量越来越高。数字调幅系统,采用高速A/D转换器,数字编码器和功率相乘型D/A转换器,模拟声音信号经过数字处理,发射机最终发射的仍为模拟调幅信号,仍用普通的包络检波调幅广播收音机接收。,数字调幅发射机将传统发射机的主整电源、调制器和射频功率放大器合并为一个系统。数字调幅发射机由许多工作于开关状态的高效率射频功率放大单元组成,受编码信号的控制而开通或关断,开通的高频功率放大单元的输出电压串联叠加,达到需要的功率电平。,数字调幅发射机的工作过程可简要表达如下:音频调制信号经高速A/D转
2、换器变为数据流(连续的12比特数字序列),再经过调制编码器进行编码,变为很多个射频功率放大器的开通与关断的控制信号,某瞬时开通的射频功率放大器的数目取决于该时刻的音频调制信号;,开通的射频功率放大器的输出电压以串联的形式相叠加,产生出包络有量化台阶的调幅波,再经带通滤波器滤掉不需要的频谱成分,便得到与普通调幅波完全相同的射频已调波。因此,仍然使用普通的包络检波的接收机接收。,数字调幅技术一般用在中波广播发射机中,这是由于中波机的工作频率是固定的,数字调幅发射机要求的输出带通滤波器就可固定不变。,一、简单的数字调幅发射机 数字调幅发射机发展到实用的程度,经历了不断的认识与实践过程。,(一)、使用
3、n个比较器和n个射频放大器的数字调幅发射机 使用n个比较器和n个射频放大器,n个射频放大器的构成与次级输出电压都是完全相同的。,使用n个比较器和n个射频放大器的数字调幅发射机原理简图,工作原理是:在载波状态,有一半数量的比较器输出高电平“H”,促使一半数量的射频放大器导通,输出的射频电压通过射频变压器次级串联叠加,幅度对应于载波电压UC;,当m=100时,对应于调制正峰时刻(调幅峰点),全部电压比较器输出高电平“H”,全部射频放大器导通,输出的射频电压串联叠加,幅度对应于2UC;对应于调制负峰时刻(调幅谷点),全部电压比较器输出高电平“L”,全部射频放大器关断,输出的射频电压为0。,主要缺点:
4、需要的比较器与射频功率放大器的数量太多,否则,满足不了对声音质量的要求。例如,取n=123,则发射机输出信号的分解力为123个台阶,相当于大约7比特的分解力(27=128),而要达到良好的AM质量需要12比特的分解力才行,需要n=4096。由此可知,这种方案没有实际使用价值。,(二)、使用12比特A/D转换器和12个射频放大器的数字调幅发射机,使用12比特A/D转换器和12个射频放大器的数字调幅发射机原理简图,12比特A/D转换器将模拟信号(音频+直流)变为数字信号,数字信号的每一位各自直接控制对应的射频功率放大器的开通与关断。这12个射频功率放大器虽然结构一样,各个高频变压器的初级电压相同,
5、但它们次级的输出电压是不相等的(变压比不同)。对应于最高有效位变压比1:1,对应于最低有效位的变压比为2048:1。,这种方案的优点:仅使用12个RF功率放大器。主要缺点:1、由于RF功率放大器的数量少,则要求单个RF功率放大器的功率大,尤其是最高有效位控制的放大器。平均而言,要求每个放大器输出功率应起码不低于发射机载波功率的1/3(在100%调幅峰点,平均每个放大器输出功率为4PC/12=PC/3)。2、可能产生幅度很大的假信号(尖脉冲)。,由原理图可以看出,由于12个放大器的输出变压器的匝数比是不同的,如果“12”号放大器在输出变压器次级提供1V的射频电压的话,“1”号放大器则提供2048
6、V的射频电压。,在调制过程中,如果由于放大器特性不一致,开通与关断的步调不一致,最大可产生一个接近最大幅度1/2的负的假信号。,可能产生的假信号,(三)、使用12比特A/D转换器与调制编码器的数字调幅发射机,使用12比特A/D转换器与调制编码器的数字调幅发射机,经A/D转换得到的12比特序列中,7位最高有效位被编码成相应的控制信号,控制127个大台阶RF功率放大器的开通与关断,每个这样的放大器开通后,输出一个大台阶电压E;,5位最低有效位不经编码,直接作为控制信号,控制5个二进制台阶RF放大器的开通与关断,这5个放大器开通后,分别输出E/32、E/16、E/8、E/4和E/2的阶电压。若所有的
7、RF放大器全部开通,则串联叠加后的输出电压为127E,这相当于100%调幅峰点时刻。,这种发射机已经接近实用的程度。最大的假信号的幅度为E,约为最大输出的1/128。此外,RF放大器的数量也达到可接受的程度。,三、DX-10数字调幅广播发射机,DX-10中波数字调幅广播发射机原理方块图,发射机射频系统采用晶体振荡器射频源,其振荡频率经4-8次分频后变为发射机的工作频率,信号经过放大和分配,作为RF激励信号送到RF功率放大器。,音频调制信号经音频处理器处理后,送到A/D转换器,变为12比特的数字信号,再经过编码,变为RF放大器开通与关断的控制信号。,控制信号可分为两种:(1)由12比特序列中的6
8、个最高有效位,经过编码得到的所谓“大台阶数据”,控制42个大台阶等压RF功率放大器(每个开通时输出射频电压为E);,(2)、12比特序列中的6个最低有效位,不进行编码,直接控制6个二进制小台阶RF功率放大器(开通时输出射频电压分别为E/64、E/32、E/16、E/8、E/4、E/2),称为“二进制台阶数据”。,开通的RF放大器的输出电压经过合成器合成,形成包络具有量化台阶的双边带调幅波,再经中心频率为发射机载波频率的带通滤波器滤除不需要的频谱成分,就成为包络平滑的普通双边带调幅波。,(一)、音频处理器 音频处理器的作用是对音频调制信号进行预处理。,音频处理器原理方块图,在音频处理器中,音频(
9、AF)调制信号与一直流电压(DC)相叠加,变为单极性信号。音频信号决定调制电平(即决定高频已调波的边带功率),直流电压的大小决定载波电平,调整该直流电压的大小,就能调整发射机的载波功率。,(AF)+(DC)相叠加,变为单极性信号,当外电电压变化时,在音频处理器中将电源电压取样信号送入一个除法器控制其增益,实现对(AF+DC)的自动调整,从而使载波功率和边带功率都不受外电电压变化的影响。,音频处理器中的数字控制衰减器的控制信号是3位BCD码的数据信号,它来自发射机的功率电平控制板。数控衰减器给出的功率因子,以此进一步调节载波功率。例如,当发射机输出电路中电压驻波比过高,数控衰减器会自动调整功率因
10、子,使发射机输出功率降低,以利安全。,发射机最终输出功率取决于直流(AF+DC)与功率因子()的乘积。当数控衰减器处于最小衰减,即功率因子为0.999时,发射机的最大载波功率由直流电压DC限定。,在音频处理器中,有一个超音频振荡器,产生一个频率为70或72KHz的三角波,它受变化的大台阶数据信号同步。产生的低电平的三角波与前述的(AF+DC)相叠加,目的是使低电平调制信号有更高的分辨率。超音频频率成分将来可以被发射机输出网络的带通滤波器大大衰减。,音频处理器最终输出的信号包括三种成分:AF+DC+低电平超音频三角波。送入后面的A/D转换器进行模数转换。,(二)、A/D转换模块 A/D转换模块的
11、功能是将音频处理器送来的模拟信号变为12比特的数字信号序列。,A/D转换模块原理方块图,1、取样频率 取样频率越高,取样后的离散信号的瞬态变化越接近于模拟信号。取样信号的频率的最高极限受A/D转换时间限制。在 DX-10发射机中,当载波频率fc1400KHz时,取fs=fc/3。,2、严格的时间同步 为了减少RF功率场效应管导通损耗以及切断与开通转换期间的损耗,功率管的开通与切断是在射频激励信号的过零点时刻进行,即要求数字控制信号必须在该时刻出现。这就需要对A/D转换模块中的“跟踪与保持”电路、A/D转换电路和锁存器进行严格的时间控制而保持同步。,3、A/D转换过程 音频处理器送来的模拟信号先
12、由“跟踪与保持”电路实现对取样值的存储,然后再送入A/D转换器。“跟踪与保持”电路确保送入A/D转换器的信号在A/D转换进行期间保持不变,在本次A/D转换结束后,才开始下一次跟踪取样。每执行完一次A/D转换,A/D转换器的 输出被选通或锁存一次,直到下次转换。,因为在A/D转换进行期间其输出是不确定的,在此期间必须保持将上次转换结束输出的数据存储在锁存器中,直到本次转换完成后,锁存器再寄存一个新的数据。当发生不转换故障时,“转换误差鉴别电路”提供一个“数据清除”信号,送入调制编码器的锁存器,使锁存器的输出为零,从而使RF功率放大器全部关断,并给出状态显示。,4、A/D转换输出信号 12比特中的
13、高位1-6比特主级数据经调制编码器编码后,变为42个等压RF功率放大器的开通与关断的控制信号;12比特中的低位7-12比特二进制数据,不编码,直接控制相应的6个二进制加权放大器的通断。,此外,1-12比特数据经D/A变换及低通滤波,恢复出AF模拟信号,送入控制器中的“包络误差电路”,与发射机最终输出的RF已调波包络相比较,用来鉴别由于RF模块故障所引起的包络失真。,(三)、调制编码器,调制编码器原理方块图,12比特的7-12位数据不编码,直接控制6个二进制功率放大器。如果这6位数字为010101,则开通E/4、E/16和E/64的RF功率放大器,若这6位数字为111111,则开通全部的二进制功
14、率放大器,叠加后给出63E/64的射频电压输出。,12比特的1-6位数据送入6个只读存储器(ROM),经过编码变为42个等压RF功率放大器的开关控制信号。ROM1产生1-8号RF功率放大器的控制信号,ROM2产生9-16号RF功率放大器的控制信号,、,ROM6产生41-42号RF功率放大器的控制信号。,每个ROM的地址信号共8位,在DX-10发射机中,第7、8位不使用。在ROM1中地址信号从00000001到00001000(相当于十进制的1-8),依次送出1个、2个、3个、8个控制信号,对应开通1#、1#-2#、1#-3#、1#-8#RF放大器。,ROM1:,从001000到111111,意
15、味着调制信号大到使8个RF功率放大器开通后,一直增大,ROM1送出的控制信号始终保持为11111111,即保持1#-8#放大器始终开通。,当调制信号增大到001001(相当于十进制的9),ROM2开始送出一个控制信号,控制9#放大器开通,直到调制信号增大到010000(相当于十进制的16),ROM2送出8个控制信号,使9#-16#号放大器全部开通,再增大调制信号,9#-16#号放大器维持开通不变化。,ROM2:,ROM3-ROM6的关系可以按照上述方法推出。ROM6产生第41个与第42个控制信号,控制41#和42#放大器的开关。,ROM6:,一定数量的大台阶与二进制台阶输出电压相叠加,产生确定
16、的射频电压。例如,调制信号某时刻要求接通20个大台阶放大器,调制信号若再有一微小增量,就开通一个E/64小台阶放大器,若调制信号再有一微小增量,就再要求开通一个E/64小台阶放大器,这时会关断E/64小台阶放大器,而开通E/32小台阶放大器。,当调制信号一直微量增加,直到6个小台阶放大器全部开通后,若再有微量增加,又要求一个E/64小台阶放大器,那就全部关断6个小台阶放大器,而开通一个大台阶放大器(63E/64+E/64=E)。,在所有的大台阶和二进制台阶放大器都已开通的情况下(即调制信号变为),若调制信号再有一个微小的增量时(即调制信号变为),所有的二进制台阶放大器仍将关断,而已经再没有大台
17、阶放大器可开通了,这样在射频输出中将出现突然的63E/64的电压下跌,产生可能听得见的尖峰噪声。,解决的办法是使用ROM6提供的第43个控制信号,送入调制编码器中的“或门”电路,迫使6个二进制放大器的控制信号都为1而保持开通。此时,合成射频输出电压已被箝到最大可能的值。,如不这样处理,当调制信号增大时,6个二进制放大器将会开通-关断-开通-关断的不断循环,直到调制信号减小为止,这就会使射频输出顶部呈现63E/64的锯齿交错而产生难听的噪声。,根据以上分析可知,DX-10发射机功率合成后产生的最大可能的台阶组合总数为:42+63+4263=2751=211.426。由于6个小台阶放大器的存在,使
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