范寧潔
(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 西安 710018)
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基于高精度射頻信號(hào)的調(diào)頻廣播研究*
范寧潔
(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 西安 710018)
針對(duì)調(diào)頻廣播在信號(hào)輸出過程中易發(fā)生頻譜被干擾的問題,運(yùn)用直接數(shù)字頻率合成設(shè)計(jì)了一種高精度射頻信號(hào)源,采用了數(shù)字頻率合成、外部場(chǎng)效應(yīng)管和巴特沃斯濾波器分別設(shè)計(jì)了調(diào)頻廣播的控制模塊、倍頻模塊和濾波模塊。進(jìn)行測(cè)試分析結(jié)果表明:信號(hào)源系統(tǒng)輸出頻帶寬度可以達(dá)到370MHz,對(duì)電壓最大幅值干擾抑制效果可以達(dá)到50dBc;當(dāng)數(shù)字頻率合成輸出增益信號(hào)進(jìn)行平滑處理后的頻段最小頻率100MHz時(shí),外部噪聲干擾和諧波信號(hào)干擾抑制為35dB,該調(diào)頻廣播信號(hào)源的頻率穩(wěn)定度和精度都比較高。
調(diào)頻廣播; 高精度射頻;相位累加器; 直接數(shù)字頻率合成; 信息增益
Class Number TN934.82
隨著電子通信技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)測(cè)量精度的不斷提高,提高廣播傳輸頻率精度是調(diào)頻廣播信號(hào)傳輸?shù)囊粋€(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)[1~2]。通過提高廣播發(fā)射機(jī)調(diào)頻功率和信號(hào)傳輸精度兩種方式來提升人們對(duì)廣播的質(zhì)量要求,其中,提高調(diào)頻功率對(duì)配電系統(tǒng)穩(wěn)壓器的強(qiáng)抗電磁場(chǎng)干擾的能力具有較高的要求[3],而通過技術(shù)手段信號(hào)傳輸精度可以有效的避免了小區(qū)域內(nèi)的電磁場(chǎng)干擾問題[4~5]。高精度射頻技術(shù)作為提升調(diào)頻廣播的重要技術(shù)手段,利用信號(hào)源通過寬頻帶放大器的工作原理,有效地降低了射頻帶寬頻率信號(hào)傳輸過程中的噪聲,同時(shí)提高信息增益的性能[6]。本研究利用數(shù)字直接頻率合成技術(shù)設(shè)計(jì)了一種高精度射頻信號(hào)源,通過AOS外部頻倍場(chǎng)效應(yīng)管作為變頻器對(duì)廣播信號(hào)進(jìn)行信息增益,以巴特沃斯濾波器為原型器材設(shè)計(jì)了濾波控制器,最后運(yùn)用AD7008數(shù)字頻率合成芯片對(duì)設(shè)計(jì)的高精度射頻廣播進(jìn)行試驗(yàn)檢驗(yàn)。
2.1 基本原理
高精度射頻信號(hào)基本原理運(yùn)用數(shù)字直接頻率合成技術(shù)[7],其基本原理為:首先頻率調(diào)控器在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)構(gòu)建n位的相位累加器,將當(dāng)前的相位累加器數(shù)值和頻率控制器數(shù)值相加得到當(dāng)前相位值,并存儲(chǔ)在相位寄存器中[8];然后根據(jù)基準(zhǔn)時(shí)鐘調(diào)控當(dāng)前的相位值去觀察ROM信號(hào)波形變化,再將ROM中的信號(hào)波形的數(shù)據(jù)送到DAC轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)[9],最后通過低通濾波器濾波、平滑后輸出[10]。主要零部件由頻率控制器、相位累加器、基準(zhǔn)時(shí)鐘、相位寄存器、ROM波形表、DAC轉(zhuǎn)換器和低通濾波器七大部件組成,如圖1所示。
圖1 高精度射頻基本原理
假設(shè)基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率為ft,頻率控制器為Ω,則輸出的相位信號(hào)頻率fo為
fo=Ω×ft/2n
(1)
其中,在基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率ft確定的情況下,fo的數(shù)值取決于Ω的大小,且與Ω呈正比例關(guān)系,則頻率控制器Ω即為相位累加器增量的頻率步長(zhǎng),且頻率分辨率最小增量為
f=ft/2n
(2)
其中,f取值與相位累加器的位數(shù)Ω呈反比關(guān)系。因此,通過調(diào)整頻率控制器即可改變廣播的輸出信號(hào)頻率,而提高基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率ft可以提高相位寄存器輸出頻率的上限閾值,從而提高相位累加器的位數(shù)Ω的頻率分辨率。
2.2 高頻信號(hào)源結(jié)構(gòu)
將頻率控制器初始頻標(biāo)調(diào)整為64MHz,運(yùn)用外部變頻器將頻率調(diào)整到1GHz作為數(shù)字頻率合成模塊的基準(zhǔn)時(shí)鐘,運(yùn)用鍵盤可以直接調(diào)節(jié)數(shù)字頻率,并在顯示器上直觀地顯示出來。在數(shù)字頻率合成模塊經(jīng)過去噪濾波器將頻率信息進(jìn)行增益處理[11],同時(shí)PC終端通過ARM控制器將數(shù)字控制對(duì)信息頻率進(jìn)行信號(hào)緩沖處理[12],其中ARM控制器模塊控制亞倍頻率直接對(duì)數(shù)字頻率合成輸出增益信號(hào)進(jìn)行平滑處理[13],并輸出100MHz ~370MHz的高精度射頻信號(hào)。高頻信號(hào)源的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
圖2 高精度信號(hào)源系統(tǒng)圖
2.3 信號(hào)誤差分析
調(diào)頻廣播的誤差信號(hào)主要來源于三個(gè)方面:1) 相位累加器的高位頻率在尋找ROM正弦波形存儲(chǔ)器過程中,由于信號(hào)是周期性波動(dòng),且由式(1)可知基準(zhǔn)時(shí)鐘與數(shù)字頻率合成輸出信號(hào)呈現(xiàn)整數(shù)倍關(guān)系,則信號(hào)的雜散在相位截?cái)嗾`差中表現(xiàn)突出[14];2) ROM正弦波形位數(shù)與存儲(chǔ)波形量化值模擬幅度量化過程中的二進(jìn)制,由于信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)可以近似模擬為無限長(zhǎng)的二進(jìn)制ROM正弦波形信號(hào),則利用有限位的二進(jìn)制來近似幅度值的量化將帶來幅度量化誤差[15];3) D/A信號(hào)轉(zhuǎn)換的工作機(jī)制為線性轉(zhuǎn)換,且轉(zhuǎn)換前的ROM正弦波形信號(hào)與模擬輸出信號(hào)之間為比例對(duì)應(yīng)關(guān)系,而由于低通濾波器具有差分非線性和積分非線性的非線性特征,則ROM正弦波形信號(hào)經(jīng)過DAC后在低通濾波器中輸出信號(hào)具有DAC非線性誤差[16]。如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)信號(hào)誤差
3.1 控制設(shè)計(jì)
對(duì)數(shù)字頻率合成模塊的高精度射頻信號(hào)進(jìn)行控制模塊設(shè)計(jì),同時(shí)也要兼顧到控制濾波器的信號(hào)傳輸頻段濾波以及數(shù)控信號(hào)緩沖平滑處理。采用的32位頻率控制器,利用式(1)可以對(duì)頻率控制器進(jìn)行計(jì)算。將系統(tǒng)的基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率通過外部變頻器將頻率調(diào)整到1GHz,相位累加器位數(shù)n設(shè)置為32位,對(duì)應(yīng)查找ROM正弦波形表[17],計(jì)算頻率控制器的輸出頻率為Ω=4.29·fo,將該信號(hào)送入數(shù)字頻率合成器得到一個(gè)輸出頻率所對(duì)應(yīng)的高倍頻率,即所需高精度射頻信號(hào)源。將相位偏移器的數(shù)字頻率合成器位數(shù)設(shè)置為16位,計(jì)算出相位控制器[18]:
(3)
3.2 倍頻設(shè)計(jì)
數(shù)字頻率合成器輸出頻率的上限與基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率呈現(xiàn)正比例關(guān)系,考慮到本研究可以在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度射頻廣播效果,需要將調(diào)頻廣播的頻率設(shè)定在盡可能高的頻段中。在實(shí)際操作過程中,輸出頻率受到元器件性能和頻率傳播過程中的噪聲影響,最高頻段的輸出頻率達(dá)不到基準(zhǔn)頻率的50%,同時(shí)為了保證倍頻后信號(hào)的高精度精度和實(shí)驗(yàn)的可測(cè)性,因此設(shè)計(jì)中要將頻標(biāo)信號(hào)倍頻到1GHz作為數(shù)字頻率合成器的基準(zhǔn)時(shí)鐘。倍頻操作可分為兩種:內(nèi)部倍頻和外部倍頻,其中內(nèi)部倍頻可對(duì)數(shù)字頻率合成器直接進(jìn)行調(diào)頻處理,而外部倍頻可采用控制濾波器的信息增益實(shí)現(xiàn)。本研究考慮到數(shù)字頻率合成器內(nèi)部倍頻相位環(huán)的壓控振蕩引起的倍頻頻率輸出相位噪聲干擾,則采用外部頻倍的方式對(duì)外部場(chǎng)效應(yīng)管直接進(jìn)行倍頻處理。
3.3 濾波設(shè)計(jì)
數(shù)字頻率合成模塊的輸出的高精度射頻信號(hào)為ROM正弦波動(dòng)信號(hào),即階梯型的正弦信號(hào)。其中階梯階段包含外部噪聲干擾和控制濾波器在倍頻過程中產(chǎn)生的諧波信號(hào)干擾,則需要設(shè)計(jì)合適的濾波器來濾除一切噪聲感染且對(duì)信號(hào)進(jìn)行平滑波形處理。在實(shí)際使用的原件中,數(shù)字頻率合成集成芯片中的內(nèi)部濾波器為寬帶低通濾波器,但如果低通濾波器的帶寬超過了數(shù)字頻率合成模塊輸出頻率的倍頻時(shí),則無法消除對(duì)輸出的外部噪聲干擾和諧波信號(hào)干擾,同時(shí),在數(shù)字頻率合成過程中,最高輸出頻率包含了較少的采樣點(diǎn)且不利于實(shí)驗(yàn)對(duì)高精度射頻信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。為了方便獲取本研究輸出頻率的樣本獲取,選用低通濾波器對(duì)D/A信號(hào)轉(zhuǎn)換進(jìn)去捕獲,且低通范圍設(shè)置為100MHz~370MHz。
本設(shè)計(jì)以巴特沃斯濾波器為原型器材,由于高精度信號(hào)源要求在兩倍截止頻率處的幅度衰減達(dá)到20dB,則低通濾波器頻率帶寬經(jīng)過各元器件變換后對(duì)感抗元件的要求以及電路設(shè)計(jì)難度和可調(diào)性,最終選擇了4階巴特沃斯低通濾波器實(shí)際截止頻率和特征阻抗值的變換。根據(jù)歸一化巴特沃斯低通濾波器的各階元件參數(shù)值為
(4)
其中,n表示階數(shù),k=1,…,n。
4.1 材料選取
本研究選用A/D公司的高性能數(shù)字頻率合成器芯片AD7008來完成頻率合成模塊。AD7008支持32位頻率數(shù)字控制的輸入頻段,相位累加器可以達(dá)到32相位,且內(nèi)置10字節(jié)的高速DAC信號(hào)轉(zhuǎn)換器[19],同時(shí)AD7008芯片采用了正交90度的相移幅度調(diào)制器的ROM結(jié)構(gòu),使得數(shù)字頻率壓縮率可以高達(dá)256:1。通過對(duì)數(shù)字頻率合成的信號(hào)誤差分析可知,數(shù)字頻率合成器芯片AD7008可以有效地抑制數(shù)字合成的外部噪聲干擾和諧波信號(hào)干擾,結(jié)合32位頻率控制器模塊和外部頻倍場(chǎng)效應(yīng)管的信號(hào)倍頻處理,即可得到高精度射頻信號(hào)源??刂颇K由基于嵌入式ICE的ARM7500的芯片為核心構(gòu)成,將作為對(duì)高精度射頻信號(hào)源系統(tǒng)的單片機(jī)調(diào)頻廣播的控制模塊。
4.2 輸出電壓測(cè)試
本研究測(cè)試的倍頻頻段在100MHz~370MHz之間,調(diào)頻廣播輸出電壓幅值變化和數(shù)字信息增益范圍,即不同頻頻率值對(duì)應(yīng)的最大幅值和增益變化范圍,測(cè)試結(jié)果如表1所示。
表1 頻率輸出電壓測(cè)試
在倍頻頻段為100MHz~370MHz之間的輸出幅度信息增益變化以30dB的梯度遞增。高精度射頻的調(diào)頻廣播在測(cè)試中,對(duì)外部噪聲干擾和諧波信號(hào)干擾抑制效果可以達(dá)到50dBc,性能滿足高精度設(shè)計(jì)要求。
4.3 倍頻輸出信號(hào)測(cè)試
采用外部頻倍的方式對(duì)AOS外部場(chǎng)效應(yīng)管AO4616直接進(jìn)行倍頻處理,它具有高電阻、小噪聲、低功率、信息增益范圍大等優(yōu)點(diǎn),且可以控制多數(shù)載流子參與導(dǎo)電。由于頻段最大頻率370MHz諧波分量較多且倍頻后信號(hào)失真嚴(yán)重。因此,本研究對(duì)數(shù)字頻率合成輸出增益信號(hào)進(jìn)行平滑處理后的頻段最小頻率100MHz進(jìn)行倍頻測(cè)試使用數(shù)字頻率合成器內(nèi)部倍頻和外部場(chǎng)效應(yīng)管倍頻輸出信號(hào)頻譜圖對(duì)比,如圖4所示。
(a)內(nèi)部倍頻
(b)外部倍頻圖4 信號(hào)輸出頻譜
圖4中可見,內(nèi)部倍頻信號(hào)頻譜相對(duì)于外部倍頻信號(hào)頻譜的波動(dòng)幅度較大,且可以明顯看到外部倍頻器頻譜遠(yuǎn)優(yōu)于片內(nèi)倍頻至少35dB以上。這是由于內(nèi)部倍頻為單調(diào)諧回路且頻段范圍呈現(xiàn)線性放大,而外部倍頻為雙調(diào)諧回路且采用了兩級(jí)功率放。則說明了本研究選用外部場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)信息增益實(shí)現(xiàn)2×2×2×2的倍頻鏈滿足了調(diào)頻廣播的高精度要求。
本研究利用數(shù)字直接頻率合成技術(shù)設(shè)計(jì)了一種倍頻鏈?zhǔn)降母呔壬漕l信號(hào)源,運(yùn)用PC終端通過ARM控制器將數(shù)字控制對(duì)信息頻率進(jìn)行信號(hào)緩沖處理和平滑處理,并輸出100MHz ~370MHz的高精度射頻信號(hào),運(yùn)用AD7008數(shù)字頻率合成芯片,以巴特沃斯濾波器為原型器材設(shè)計(jì)了濾波控制器,對(duì)電壓最大幅值干擾抑制效果可以達(dá)到50dBc。通過AOS外部頻倍場(chǎng)效應(yīng)管作為變頻器對(duì)廣播信號(hào)進(jìn)行信息增益,對(duì)設(shè)計(jì)的高精度射頻廣播頻段最小頻率100MHz進(jìn)行內(nèi)部倍頻和外部倍頻的頻譜對(duì)比,外部噪聲干擾和諧波信號(hào)干擾抑制為35dB。因此,本研究對(duì)高精度射頻信號(hào)的調(diào)頻廣播設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。
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FM Broadcast Based on High Precision Radio Frequency Signals
FAN Ningjie
(Shanxi Vocational and Technical College, Xi’an 710018)
For FM radio spectrum has problems of interference-prone in signal output process, direct digital frequency synthesizer is used to design a high precision RF signal source, a digital frequency synthesizer, external FET and Butterworth filters are used to design FM radio control modules, multiplier module and filter module. Test results show that the source system output bandwidth is up to 370MHz, the maximum amplitude of the voltage interference suppression effect can be achieved 50dBc, when the minimum frequency 100MHz band digital frequency synthesizer output signal gain after smoothing, external noise and interference harmonic signal interference suppression is 35dB, frequency stability and accuracy of the FM radio signal source are high.
FM radio, high-precision radio frequency, phase accumulator, direct digital frequency synthesis, information gain
2016年5月5日,
2016年6月27日
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào):4053021)資助。
范寧潔,女,講師,研究方向:語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室及校園調(diào)頻廣播管理。
TN934.82
10.3969/j.issn.1672-9722.2016.11.035