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转播与发射
DX全固态中波发射机调制系统数字化
作者:沈聪 中央广播电视发射二台 日期:2010/9/9 15:00:48 人气: 标签:

 

摘要:本文简要阐述了基于可编程逻辑器件的DX全固态发射机调制系统数字化项目的目标和基本功能。这个项目符合当前我国广播电视系统数字化的大趋势,可以明显提升发射机系统的稳定性和电声指标。使用可编程逻辑器件作为系统的核心处理部分可以更好的提高系统的集成度和灵活性,满足更多的设计要求。

关键字:DX全固态中波发射机 调制系统 数字化 可编程逻辑器件

前 言

随着科学技术的飞速发展,数字音频技术的运用,各台站从卫星接收机接收的音频信号已经是数字音频AES/EBU信号,可以将数字音频信号直接送达发射机。但是当前DX全固态中波发射机的音频处理系统只适用于模拟信号源输入。如果要使用高质量的数字信号源,就必须要进行D/A转换。数字信号的质量优势会由于D/A过程中引入的不必要噪声以及失真而劣化。有鉴于此,我们对DX发射机现有的调制系统进行了数字化改造。改造后的系统优势在于:1.系统完全适应数字音频信号输入。2.处理过程使用数字信号处理技术,充分利用数字信号稳定,抗干扰能力强的优势,提升发射机信噪比,频响和失真指标。3.主要的处理工作放到了可编程逻辑器件中用软件来实现,减少了信号传输链路上的节点数目,提高了稳定性,简化了处理的过程,大大增加了系统的灵活性。在需要增加功能的时候,只需要对软件程序进行修改,便于功能的扩展。4.改造后的系统具有完全独立的知识产权。可以完全替代发射机原有的模拟音频信号输入板和A/D转换板。

1 整体功能介绍

本系统整体的功能可以概括为:AES/EBU数字音频直接输入到本系统,经过处理后生成音频调制信号经过调制编码板去控制发射机功放模块。直接在数字域中实现音频数据采集,采样率变换,发射机功率控制,发射机非线性补偿,电源纹波补偿等技术。提高发射机的三大电声指标,改善发射机播出质量。

整体框图如图1所示。

 
图1 系统整体框图

2 系统主要功能介绍

本次开发我们遵循的原则是:完全适应数字音频信号输入,数字域处理提升发射机电声指标,新系统与原系统在发射机控制方面完全兼容。针对以上三个目标,整个系统功能可以划分为以下三大部分。

(1)数字音频(AES/EBU)接口

数字音频信号的接收以及解码由数字音频阻抗匹配器件和AES/EBU接口芯片组成。其中,数字音频阻抗匹配器件主要完成的是对输入的平衡AES/EBU格式信号进行接收均衡,并保证110欧姆阻抗匹配,获得最好的接收幅度以及最小的抖动。经过接收均衡之后获得的AES/EBU信号被送入AES/EBU接口芯片中,由接口芯片对输入AES/EBU信号进行解格式化。经过这个部分的处理之后,本板既可以直接接收AES/EBU数字音频信号,又可以很好的对AES/EBU音频数据进行解码输出,达到了完全适应数字音频信号输入的目的。

(2)与发射机的控制通信

发射机控制包括具备调幅度、功率等级和功率微调等功能,具有功率反馈降功率控制功能,数字输入音频和输出音频检测功能,调制B-电源控制功能,电流取样和设备保护功能。本设计中完全实现使用数字处理的方式实现上述功能控制。同时,考虑到发射机工作中可能遇到的各种情况,本系统针对最高调制度、高中低三档不同功率等级设计了专门的数字拨码开关,可根据发射机工作具体需求调节调幅度的大小、设定每个功率等级时开机的功率值。另外,发射机保护功能(包括故障封锁输出和响应反馈降功率方面)在本系统中得到了一定的强化。由于是直接采用数字处理,本系统对故障的响应更为精确。在封锁输出或降功率时,可基本实现无延迟响应,以便更有效地保护发射机。以上处理过程不但实现了改造后的系统与原系统在发射机控制环节上功能一致的目的,而且新系统操作起来更为灵活,参数的设置更为精确。

(3)发射机电声指标处理

广播电视设备的研制,在实现基本功能的基础上,首先要保证设备的稳定性和可靠性,第二就是要保证设备的指标达到或超过国家行业相关标准。本项目的立项基本目标之一就是希望利用本系统使得发射机的三大电声指标较之于原模拟系统有一个较明显的提升,达到或领先于国际先进水平。

基于此目标,系统的设计过程大量借鉴了国际上信号处理的先进技术,并根据实际需求,创造性地使用了一些技术方法为我所用。

以下简要介绍针对发射机电声指标处理的几个设计。

(1)有理数倍采样率转换

AES3-1992标准规定专业广播音频设备所使用的采样率为32、48或92KHz,通常都是使用48KHz采样率对模拟音频信号进行模数转换。

简单的理论说明如下:

令一个连续的模拟音频信号为QUOTE。令其通过一个C/D(连续-离散)系统对它进行均匀时间间隔的采样,间隔为T,那么采样输出的数字序列可以简单地表示为QUOTE。

理论上,C/D转换器的特点在于其幅度的精度是无限的。因此,虽然信号QUOTE在时间上是离散的,但其在幅度上却是连续的。然而在实践中,实际设备不可能达到无限的精度。作为C/D转换器的一种近似,模拟-数字(A/D)转换器将每个幅度值量化到与实际模拟信号幅度最接近的有限的一组数值,这样,所产生的数字信号在时间和幅度上都离散。

由于存在了幅度上的离散处理(量化),A/D转换器在幅度上会形成一种量化台阶。那么在采样率和量化精度一定的情况下,随着输入信号QUOTE的频率升高,A/D转换中单位周期内的采样点数就越少,相邻输出数据之间的量化台阶就越大,其对应的与真实值之间的偏差就越大,这就是一种量化误差。在任何一个A/D转换系统中必然会存在这种误差,无法从根本上消除。但是如何将其控制在实际要求范围内则是需要考虑的问题。

图2

图2所示,此波形为使用泰克MSO4054示波器显示的一个1KHz的正弦信号使用1KHz采样率采样,并使用12量化后再经过一个DA芯片AD565后的重构波形。

图中能够看到,重构后的输出信号很接近于原始正弦信号。使用48KHz采样1KHz的正弦信号,相当于每个信号周期内有48个采样点。其相邻采样点之间的量化台阶较小,相应的量化误差也较小。

图3

图3所示,此波形为使用泰克MS04054示波器显示的一个8K的正弦信号使用48K采样率采样,并使用12量化后再经过一个DA芯片AD565后的重构波形。

这时,输出信号的波形变成了一个近似于方波的波形,信号波形出现了明显的畸变。使用48KHz采样8KHz的正弦信号,相当于每个信号周期内只有6个采样点,明显可以看出其相邻输出点之间的量化误差比1K信号的要大。如果将此信号直接驱动DX发射机的调制编码系统,输出的已调信号将会产生较明显的量化失真。如果在模拟域上消除这个失真,需要使用一组高阶低通滤波器进行处理。但是其实现过程较复杂,实现成本较高。

换一个思路,以上过程在数字域中进行处理,在不改变量化精度的前提下,在可编程逻辑器件中使用数字滤波器对AES/EBU中音频信号的采样率进行提升,令输出的调制信号更加接近于原始模拟信号,从而减小量化误差。这种方法实现相对简单、灵活,而且集成度高,处理效果好。

中波广播的频率范围在531KHz到1602KHz,每个发射机的载波频率不同,且基本不是数字音频采样率48KHz的整数倍,因此本项目中使用一种有理数倍的采样率变换方法,先将输入信号内插到比载波频率更高且整数倍的频率,然后使用整数倍抽取解决。该方法是项目中的一个技术创新点 

 
图4

图4所示8KHz正弦信号使用48KHz采样和12位量化后的数字信号,使用有理数倍采样率变换系统将采样率提升到5.04M(即105倍内插)后使用630KHz抽取后,经过D/A芯片AD565后的重构波形。

 综上所述,有理数倍的采样率转换是本项目的主要目标-直接使用AES/EBU音频信号进行发射机调制控制的关键技术点。使用好有理数倍的采样率变换,才能解决音频信号在信号采样率与发射机载波频率两个不同时钟域中传输处理所产生的量化失真或其它有损信号指标的影响。

(2)发射机系统非线性失真的线性化处理

 发射机体现出的失真应该由两方面的原因共同造成。第一是音频信号本身的失真;第二是发射机射频功放系统的非线性失真。考虑到音频信号源本身的失真非常小,那么,发射机的失真主要体现在射频功放系统的非线性失真。所以本项目的主要处理方向就放在了对发射机射频功放系统非线性失真的线性化处理上。

 本项目的另一大目标就是在数字域中实现发射机的线性化处理。考虑到DX发射机的结构,在这里考虑使用预失真的处理技术来改善发射机的非线性失真。

 针对DX发射机来说,其射频功放系统包含1个缓冲放大模块、1个前级放大模块、14个推动功放模块、220个等压功放模块、4个二进制功放模块,共240个。除了缓冲放大模块外,其它239个模块都是可以互换的,其结构完全一致。每个功放模块均采用8个IR公司的MOSFET,型号为IRFP360。模块的平均输出功率为1.45KW,额定最大输出功率为4.OKW。在实际工作中,DX发射机的非线性失真主要体现在高功率高调制度时,发射机输出已调信号的正负峰调制度不对称。

在设计中,针对非线性失真进行的预失真补偿办法为:在输入音频幅度上叠加上一定比例的本信号幅度,调整高调幅时的正峰偏小的问题,使发射机工作在高调幅度时也能达到音频正负峰的调幅度的基本一致。

(3)发射机系统噪声补偿

发射机的信噪比指标主要取决于最高调制度时输入信号的幅度和发射机本身噪声幅度的比值。考虑到最高调制度一定的情况下,如何更好地抵消发射机本机噪声是提升信噪比指标的重要方法。

DX发射机为全固态DAM发射机,不存在由于模块循环开关造成的电压误差叠加而产生的分频噪声,也不存在电子管热噪声等,其噪声主要由其整流电源系统产生。

DX发射机的整流电源系统为单一机柜,柜内设有可控硅三相全波整流器,其输出电压为:+250V/900A供220个等压模块;+125V/4A供二进制功放模块;+62V/1A供二进制功放模块。另外有一个三相变压器和硅二极管整流器,输出+125V,供前级和推动级功放模块。由低压整流器为缓冲放大器提供+35V电源。已知三相全波整流输出电源纹波基频为300Hz。同时包含了能量比较明显的3、5、7次谐波,对应为300Hz、 900 Hz、 1500 Hz、和2100 Hz。

DX发射机在不补偿电源纹波情况下,根据实际测量发现,发射机的信噪比在-55dB左右(相对于1000Hz,100%调幅,OdB)。因此为了提高发射机信噪比,必须在数字域进行纹波补偿。

本系统中的电源纹波补偿的核心理念为:反馈补偿。对取样电路反馈的模拟电源纹波信号进行高速A/D转换,将取样数据与主处理通道数据合并处理后输出。补偿后的输出数据经过调制后,可以有效地抵消发射机的电源纹波噪声,信噪比指标有了明显的提高。

(4)发射机的频率响应的处理

 在可编程逻辑器件中设计数字滤波器的一个很大的优势在于滤波器的频率响应和相位响应可以进行精确的分析和计算,只要器件的资源足够,理论上可以设计出任何类型的滤波器。

在本项目中,根据可编程逻辑器件的资源供设计使用了1个数字高通滤波器和2个数字低通滤波器。滤波器的系数均使用MATLAB进行设计仿真,保证其频率响应和相位响应完全符合设计要求。

经过上述处理,发射机的频响指标相比于模拟系统得到了明显的提升。

3 结束语

本文简单介绍了DX全固态中波发射机调制系统数字化项目实施的意义、目标和具体实施途径。结合广播设备开发的要求,说明了该项目在提升产品的稳定性、可靠性以及适应性上进行的努力,并根据发射机三大电声指标的测试,有针对性地阐述了项目中基于数字信号处理系统的具有一定创新性和独特性的处理方法。该项目目前已完成了产品的设计开发以及上机调试工作。

 

                                 稿件来源:广播电视信息2010第2期

 

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