韓大國(guó)

（安徽廣播影視職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，安徽 合肥230022）

我國(guó)于上世紀(jì)六十年代開(kāi)始使用中波同步廣播技術(shù)。改革開(kāi)放以來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，廣播事業(yè)也得到了極大的發(fā)展，中波廣播已發(fā)展成為我國(guó)重要的信息傳輸手段。尤其是上世紀(jì)九十年代，利用智能化的中波同步激勵(lì)器構(gòu)建了中波同步廣播單頻網(wǎng)，為我國(guó)的廣播事業(yè)快速發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保證。近年來(lái)數(shù)字技術(shù)在同步廣播技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用，使得中波同步廣播技術(shù)發(fā)生新的變化。本文就數(shù)字化中波同步廣播技術(shù)的應(yīng)用做一些介紹和探討。

1 DDS技術(shù)原理

DDS是直接數(shù)字頻率合成器（direct digital synthesizer）的縮寫(xiě)，是1971年美國(guó)學(xué)者J.Tierncy.C.M.Rader和B.Gold提出的，由于近年來(lái)的器件和技術(shù)的提高，DDS技術(shù)在頻率合成方面體現(xiàn)了優(yōu)越性能，得到了廣泛的應(yīng)用。

直接數(shù)字頻率合成器（DDS）由基準(zhǔn)時(shí)鐘、相位累加器、波形存儲(chǔ)器、D／A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器（LPF）五部分構(gòu)成，如圖1。

圖1 DDS的基本原理框圖

相位累加器由N位加法器N位寄存器構(gòu)成。每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘CLOCK，加法器就將頻率控制字與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，相加的結(jié)果又被送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端，以使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的作用下繼續(xù)控制字相加。這樣，相位累加器在時(shí)鐘作用下，不斷對(duì)頻率控制字進(jìn)行線性累加。其輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號(hào)的相位，相位累加器的溢出頻率就是輸出的信號(hào)頻率。如果用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器（ROM）的相位地址，這樣就可把存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器內(nèi)的波形抽樣值（二進(jìn)制編碼）經(jīng)查找表完成相位到幅值轉(zhuǎn)換.波形存儲(chǔ)器的輸出送到D／A轉(zhuǎn)換器。由D／A轉(zhuǎn)換器將信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出。

1.1 AD9859芯片

HQ－10型中波同步廣播激勵(lì)器是基于AD9859芯片構(gòu)成。AD9859外形圖如圖2。

圖2

內(nèi)部功能圖如圖3。

AD9859是ADI公司生產(chǎn)的高集成度的數(shù)字頻率合成器，它的內(nèi)核最高可以工作在400MHz。外部時(shí)鐘信號(hào)可以選擇直接輸入DDS內(nèi)核或者通過(guò)AD9859內(nèi)部的一個(gè)可編程的參考時(shí)鐘乘法器輸入內(nèi)核。AD9859內(nèi)部集成了一個(gè)高速高性能的10位DAC來(lái)產(chǎn)生數(shù)字化可編程的頻率高達(dá)200MHz的模擬正弦波形輸出，此正弦波可直接用作頻率信號(hào)源或經(jīng)內(nèi)部的高速比較器轉(zhuǎn)換為方波輸出。

圖3 AD9859功能結(jié)構(gòu)圖

AD9859支持多種時(shí)鐘模式并且支持差分或單端輸入時(shí)鐘，可以通過(guò)向相關(guān)寄存器內(nèi)寫(xiě)入控制字來(lái)使用片內(nèi)晶振或者鎖相環(huán)參考時(shí)鐘乘法器。而系統(tǒng)時(shí)鐘則是由CLKMODESELECT管腳的輸入與寄存器CFR1＜4＞、CFR2＜7：3＞中的數(shù)據(jù)來(lái)共同支配AD9859到六種工作模式中的一種來(lái)產(chǎn)生。

單頻工作模式是芯片默認(rèn)的工作模式。當(dāng)復(fù)位時(shí)，寄存器清零；當(dāng)工作時(shí)，用戶向寄存器中寫(xiě)入頻率控制字即可獲得DDS所需頻率點(diǎn)的單頻輸出。輸出電流幅度可由芯片內(nèi)的數(shù)字乘法器的幅度控制功能來(lái)調(diào)整。在單頻工作模式下，頻率控制字的值被儲(chǔ)存在寄存器FTW0中隨后被截?cái)嗨腿胂辔焕奂悠?。這個(gè)值被手動(dòng)修改，通過(guò)在I／O UPDATE時(shí)鐘脈沖到達(dá)時(shí)向FTW0中寫(xiě)入新的頻率控制字實(shí)現(xiàn)。相位調(diào)節(jié)則需要通過(guò)相位補(bǔ)償寄存器實(shí)現(xiàn)。

在AD9859中，重要的是有內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘的UPDATA CLOCK功能。輸入AD9859中的數(shù)據(jù)是和SYNC－CLK的信號(hào)同步的，這個(gè)信號(hào)通過(guò)SYNCCLK腳供給外部用戶。I／O UPDATE在SYNC－CLK的上升沿采樣。也就是說(shuō)當(dāng)數(shù)據(jù)輸入到AD9859的緩沖寄存器中時(shí)，并不會(huì)馬上按輸入指令開(kāi)始工作。只有當(dāng)一個(gè)SYNC－CLK時(shí)鐘信號(hào)上升沿到來(lái)且I／O UPDATE滿足條件時(shí)，AD9859的緩沖寄存器才按輸入指令開(kāi)始輸出數(shù)據(jù)到工作寄存器中。

在芯片內(nèi)部，SYSCLK被送入一個(gè)四分頻器來(lái)產(chǎn)生SYNC－CLK信號(hào)。當(dāng)反向計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到零的時(shí)候，DDS芯片自動(dòng)更新SYNC－CLK時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)SYNC－CLK管腳提供給用戶。這樣可以通過(guò)強(qiáng)制外部硬件遵從SYNC－CLK的時(shí)序來(lái)實(shí)現(xiàn)外部硬件和內(nèi)部時(shí)鐘的同步。從圖3.4可以看出在SYNC－CLK上升沿和I／O UPDATE高電平時(shí)，緩沖寄存器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到DDS芯片的工作寄存器中。SYNC－CLK及I／O UPDATE管腳為用戶提供了一個(gè)與系統(tǒng)時(shí)鐘SYSCLK之間不變的潛在聯(lián)系，也保證了當(dāng)一個(gè)新的頻率控制字或相位補(bǔ)償值產(chǎn)生時(shí)模擬波形輸出的連續(xù)性。圖4表明了I／O UPDATE的時(shí)序周期和同步性。

圖1 I／O UPDATE數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換圖

1.2 ARM微處理器

ARM微處理器對(duì)DDS進(jìn)行操作。AD9859是通過(guò)SPI方式來(lái)控制內(nèi)部的寄存器狀態(tài)的，基于ARM LPC2214只需對(duì) AD9859的SCLK，SDIO，IO／UPDATE，三個(gè)I／O口進(jìn)行操作，很容易把各種控制字寫(xiě)入AD9859的狀態(tài)寄存器中，從而產(chǎn)生所需的頻率。SCLK是控制字寫(xiě)入的時(shí)鐘口，SDIO是控制字寫(xiě)入口，IO／UPDATE用來(lái)更新寫(xiě)入的寄存器的控制字狀態(tài)。

AD9859的頻率輸出后，經(jīng)過(guò)一段橢圓濾波器濾波，再經(jīng)過(guò)AD8132全差分放大器進(jìn)行放大，然后經(jīng)過(guò)耦合線圈將兩路差分信號(hào)合成一路輸出合成頻率。

輸入10M標(biāo)準(zhǔn)參考信號(hào)為FPGA測(cè)頻的閘門(mén)時(shí)間，在閘門(mén)時(shí)間內(nèi)對(duì)輸入的待測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，所計(jì)的數(shù)值暫存在FPGA內(nèi)部。ARM與FPGA之間進(jìn)行串行通信，只需4個(gè)I／O口就將數(shù)據(jù)讀至ARM，這個(gè)通信方式類(lèi)似SPI的時(shí)序。

1.3 基于AD9859的中波同步廣播激勵(lì)器性能特點(diǎn)

（1）低噪聲和低漂移

DDS系統(tǒng)中合成信號(hào)的頻率穩(wěn)定度直接由參考源的頻率穩(wěn)定度決定，合成信號(hào)的相位噪聲與參考源的相位噪聲相同。HQ－10型中波同步廣播激勵(lì)器引入的由GPS信號(hào)產(chǎn)生的高精度高穩(wěn)定度的10MHz參考源，穩(wěn)定度達(dá)到1×10－11，所以合成信號(hào)頻率輸出穩(wěn)定度和相位噪聲的性能也極為優(yōu)異。這是一般數(shù)字鎖相環(huán)和模擬鎖相環(huán)頻率合成器所達(dá)不到的性能。

（2）輸出信號(hào)幅度平坦

DDS的最低輸出頻率是所有的時(shí)鐘頻率的最小分辨率或相位累加器的分辨率。乃奎斯特采樣定理保證了早直到該時(shí)鐘頻率一半的所有頻率下，DAC都可以再現(xiàn)信號(hào)。

（3）易于集成 易于調(diào)整

DDS中幾乎所有的部件都屬于數(shù)字信號(hào)處理器件，除DAC和濾波器外，無(wú)需任何調(diào)整，從而降低了成本，簡(jiǎn)化了機(jī)器結(jié)構(gòu)。

2 DDS技術(shù)構(gòu)成的HQ－10中波同步廣播激勵(lì)器

HQ－10中波同步廣播激勵(lì)器由GPS接收器、基準(zhǔn)源和DDS頻率合成器組成。

GPS接收器接收GPS信號(hào)，這個(gè)信號(hào)源由GPS衛(wèi)星發(fā)送，發(fā)送的是時(shí)間信號(hào)，這個(gè)時(shí)間信號(hào)源的換算為頻率指標(biāo)，頻率穩(wěn)定度為10－13，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸，被接收器接收。

在基準(zhǔn)源里，接收器將接收到時(shí)間碼信息轉(zhuǎn)換為頻率信息，這個(gè)過(guò)程有計(jì)算機(jī)控制，加上信號(hào)源甄別功能和信號(hào)源溯源中斷保持功能，使得輸出的基準(zhǔn)頻率穩(wěn)定度很高而且穩(wěn)定，這是一般基準(zhǔn)源難以做到的功能。值得一提的是，GPS信號(hào)眾所周知，時(shí)間信號(hào)源精度和頻率穩(wěn)定度很高，實(shí)際上，在服務(wù)過(guò)程中是不穩(wěn)定的，常受到各種自然和人為因素的干擾，在使用過(guò)程中有必要采取措施加以甄別和過(guò)濾，還要有精度（本文取精度和穩(wěn)定度同意）保持功能，保證基準(zhǔn)源輸出的頻率穩(wěn)定度連續(xù)穩(wěn)定。

在DDS頻率合成器中，利用DDS技術(shù)將高精度高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)源合成為各種頻率。

系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)方案框圖如圖5。本系統(tǒng)主要由系統(tǒng)控制部分、頻率合成部分和系統(tǒng)輸出部分組成。其中控制部分的主要任務(wù)是完成對(duì)DDS芯片AD9859YSV頻率控制字和控制信號(hào)以及選用的ARM芯片LPC2138和FPGA芯片EP1C3T144C8的控制信號(hào)和同步時(shí)鐘的引入。頻率合成部分則主要是是AD9859YSV通過(guò)輸入的頻率控制字FTW和選用的乘法器的倍頻系數(shù)來(lái)合成所需的頻率輸出。而輸出部分則完成濾波、放大和顯示的功能。其中利用運(yùn)算放大器AD8390實(shí)現(xiàn)DDS輸出波形的放大功能，利用鍵盤(pán)輸入控制四路DDS合成頻率的輸出通道以及輸出頻率大小的測(cè)量并及時(shí)送到液晶顯示。

圖5 DDS頻率合成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框架圖

3 中波同步廣播單頻網(wǎng)

中波同步廣播單頻網(wǎng)就是在不同地點(diǎn)的若干部發(fā)射機(jī)嚴(yán)格工作于同一頻率，播送同一廣播節(jié)目的廣播形式。就我國(guó)來(lái)說(shuō)已有若干地方的廣播電臺(tái)采用了這種方式，充分利用了寶貴的頻率資源，極大節(jié)約了頻率。但由于種種原因，單頻網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量得不到應(yīng)有的保證，其中技術(shù)因素是一個(gè)重要的原因。從技術(shù)來(lái)講，是很多人把中波同步廣播的概念移植到中波同步廣播單頻網(wǎng)所造成的。傳統(tǒng)的中波同步廣播是基于三頻組成中波同步廣播網(wǎng)，標(biāo)準(zhǔn)要求的中波同步廣播激勵(lì)器輸出的頻率穩(wěn)定度達(dá)到10－8即可，大多數(shù)的中波同步激勵(lì)器完全可以滿足要求。

但中波同步廣播單頻網(wǎng)的技術(shù)指標(biāo)與三頻中波同步廣播網(wǎng)的技術(shù)指標(biāo)有很大的不同。中波同步廣播單頻網(wǎng)是相鄰兩臺(tái)使用同一頻率發(fā)射，覆蓋區(qū)域有重疊，形成相干區(qū)，出現(xiàn)了特殊現(xiàn)象，對(duì)頻率技術(shù)指標(biāo)也提出了新的要求。在現(xiàn)代中波同步廣播單頻覆蓋網(wǎng)中，主要是兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)：同頻和同時(shí)延。有人認(rèn)為需要同調(diào)制，有實(shí)驗(yàn)證明，這是不必要的。

在中波同步廣播單頻網(wǎng)的運(yùn)行中，頻率相同是最重要的指標(biāo)。也就是說(shuō)，單頻網(wǎng)中運(yùn)行的兩個(gè)相鄰的發(fā)射臺(tái)要求使用相同頻率發(fā)射（實(shí)際上做不到）。通常發(fā)射機(jī)使用都是標(biāo)稱頻率發(fā)射，實(shí)際頻率跟標(biāo)稱頻率是有差別的。這種差別在中波同步廣播技術(shù)中一般用頻率的穩(wěn)定度來(lái)說(shuō)明，中波發(fā)射機(jī)頻率穩(wěn)定度一般要求10－5，三頻同步廣播要求發(fā)射機(jī)的頻率穩(wěn)定度為10－8，，單頻網(wǎng)頻率穩(wěn)定度的指標(biāo)有更高的要求。

穩(wěn)定度分為長(zhǎng)期、短期和瞬時(shí)。長(zhǎng)期一般只一天以上；短期指一天以內(nèi)；瞬時(shí)指秒級(jí)及以內(nèi)。對(duì)于同步廣播來(lái)說(shuō)至少用短期穩(wěn)定度才有意義。一般所說(shuō)的穩(wěn)定度都是指短期。在同步廣播實(shí)踐中，一般用穩(wěn)定度指標(biāo)加上相位噪聲指標(biāo)，來(lái)完整體現(xiàn)頻率指標(biāo)－穩(wěn)定度的含義。下面討論穩(wěn)定度的指標(biāo)來(lái)中波同步廣播的影響。

表1 同步方式和頻率的關(guān)系

表2 頻差在相干區(qū)的聽(tīng)覺(jué)表現(xiàn)

從以上的表中我們可以得出，相鄰發(fā)射機(jī)的頻率差小于0.001以下中波同步廣播單頻網(wǎng)才能較高質(zhì)量的運(yùn)行。以0.001Hz頻差我們來(lái)倒推發(fā)射機(jī)的頻率穩(wěn)定度要求，頻率穩(wěn)定度、頻差和標(biāo)稱頻率的關(guān)系為

中波廣播的頻率范圍是531—1602kHz，取中心頻率1000kHz為例計(jì)算，這時(shí)的δ為10－9，這是中波同步廣播單頻網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的最低頻率指標(biāo)要求。

中波同步廣播單頻網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，相鄰的兩個(gè)發(fā)射臺(tái)的覆蓋重疊區(qū)域，形成相干區(qū)。評(píng)價(jià)單頻網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量是以確定相干區(qū)的范圍大小以及在相干區(qū)的收聽(tīng)效果為原則的。相干區(qū)范圍大小的確定，一般以收聽(tīng)效果有同頻干擾而且收聽(tīng)音質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)得到3分為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行界定。收聽(tīng)效果因?yàn)橛幸苿?dòng)收聽(tīng)和固定收聽(tīng)兩種方式，主觀音質(zhì)評(píng)價(jià)既要結(jié)合兩種方式的收聽(tīng)效果進(jìn)行音質(zhì)效果的主觀綜合評(píng)價(jià)。單頻網(wǎng)相干區(qū)的的音質(zhì)評(píng)價(jià)，主要是收聽(tīng)時(shí)主觀聽(tīng)覺(jué)有衰落，我們希望同步衰落越慢越好。同步時(shí)，兩列電磁波在相干區(qū)域形成駐波，對(duì)于0.001Hz的頻差，其頻率的穩(wěn)定度為10－10，在相干區(qū)產(chǎn)生的衰落時(shí)間為1000秒，也就是說(shuō)在相干區(qū)收聽(tīng)節(jié)目，經(jīng)過(guò)250秒聲音的大小變化一次。這時(shí)在相干區(qū)收聽(tīng)，對(duì)于移動(dòng)接收，這或許可以忍受。但固定接收，這樣指標(biāo)難以接受。實(shí)驗(yàn)證明，為了單頻網(wǎng)的高質(zhì)量運(yùn)行，衰落時(shí)間需要提高一個(gè)量級(jí)，也就是說(shuō)，穩(wěn)定度需要提高一個(gè)量級(jí)，因此中波同步廣播單頻網(wǎng)頻率的穩(wěn)定度要求為10－10。

4 應(yīng)用

由于廣播信號(hào)發(fā)射傳輸和收聽(tīng)效果的特殊性，要求收聽(tīng)效果穩(wěn)定和可靠，收聽(tīng)質(zhì)量滿意（收聽(tīng)音質(zhì)的主觀評(píng)價(jià)分值在3分以上）。，在中波同步廣播單頻覆蓋網(wǎng)中，要求單頻網(wǎng)中運(yùn)行的發(fā)射機(jī)頻率穩(wěn)定度是10－10以上。頻率穩(wěn)定度達(dá)到此值，相干區(qū)的收聽(tīng)效果可以接受，穩(wěn)定度量級(jí)的穩(wěn)定使相干區(qū)域的范圍穩(wěn)定，最終形成的相干區(qū)域范圍穩(wěn)定和收聽(tīng)效果良好。在實(shí)踐中，中波同步廣播采用主從方式進(jìn)行同步，頻率穩(wěn)定度的穩(wěn)定跟基準(zhǔn)源的穩(wěn)定和壓控振蕩器的穩(wěn)定度有關(guān)?；鶞?zhǔn)源是取自GPS信號(hào)，GPS信號(hào)源受到各種因素干擾和制約，不能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。當(dāng)基準(zhǔn)源異常時(shí)，要求同步激勵(lì)器必須具有GPS授時(shí)信號(hào)可用性的甄別能力，確保溯源跟蹤的有效性。同時(shí)，要求內(nèi)置高穩(wěn)定度的振蕩器，GPS授時(shí)系統(tǒng)可用時(shí)，內(nèi)置振蕩器跟蹤GPS，被同步修正；不可用時(shí)，內(nèi)置振蕩器脫離跟蹤同步，進(jìn)入精度保持狀態(tài)，并且在一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，滿足單頻網(wǎng)對(duì)頻率精度的要求。

HQ－10中波同步廣播激勵(lì)器就是基于DDS技術(shù)，具有信號(hào)源甄別和精度保持功能的同步頻率源設(shè)備，滿足頻率穩(wěn)定度為10－10而且連續(xù)穩(wěn)定的要求，由此種技術(shù)支持的中波同步廣播單頻覆蓋網(wǎng)才能正常穩(wěn)定運(yùn)行，也才是真正意義上的中波同步廣播單頻覆蓋網(wǎng)。

［1］何大中.廣播電視技術(shù)手冊(cè)：第一分冊(cè)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1990.

［2］李琳，張爾揚(yáng).直接數(shù)字頻率合成技術(shù)及其應(yīng)用［J］.電聲技術(shù)，2002.05.

［3］胡宴如，耿蘇燕.高頻電子線路［M］.高等教育出版社，2008.12：100－101.

［4］葉為文，戚武，洪雷.自適應(yīng)相位制中波同步廣播及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［J］.廣播電視技術(shù)，1994.06：19－25.

［5］應(yīng)毓海，呂鵬.中波同步廣播技術(shù)［J］.廣播電視技術(shù)，2009.11：97－100.

［6］葉為文，等.ABU Technical Review No.161，NOVEMBERDECEMBER.

［7］李京.中波同步廣播應(yīng)用分析［J］.應(yīng)用科學(xué)，2008.02：57－65.

［8］國(guó)家廣播電影電視總局科技委無(wú)線專業(yè)委員會(huì)建議書(shū)8－4－1關(guān)于嚴(yán)格中波同步廣播技術(shù)要求確保中波同步廣播網(wǎng)安全運(yùn)行的建議（2007年，西安）［J］.

［9］張厥勝，鄭繼禹，萬(wàn)心平.鎖相技術(shù) ［M］.西安電子科技大學(xué)出版社，1994.06：10－27.