調(diào)幅廣播調(diào)幅度監(jiān)測A/D采集卡設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

國家新聞出版廣電總局七三一臺 ?林大橋

【摘要】在廣播覆蓋“三滿”指標(biāo)中的調(diào)幅度監(jiān)測，以往都是通過人工手動來測量的，有些進(jìn)口儀器有自動測量調(diào)幅度的功能，但功能復(fù)雜，價(jià)格昂貴。文本介紹在原來測量發(fā)射機(jī)調(diào)幅度板的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了通過測量NRD545接收機(jī)中頻測量調(diào)幅度的A/D采集卡。

【關(guān)鍵詞】監(jiān)測;調(diào)幅度;A/D采集卡

1.概述

隨著廣播電視事業(yè)的迅猛發(fā)展，廣播電視監(jiān)測工作更是日新月異地發(fā)生著巨大變化，同時廣播監(jiān)測技術(shù)也有了很大提高。以往對調(diào)幅度的監(jiān)測都是通過人工手動來測量的，有些進(jìn)口儀器有自動測量調(diào)幅度的功能，如ESVN-40，但功能復(fù)雜，價(jià)格昂貴。我們在原來監(jiān)測發(fā)射機(jī)調(diào)幅度板的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了通過測量NRD545接收機(jī)中頻來測量調(diào)幅度的測量卡，通過對NRD-545接收機(jī)的中頻信號（455KHz，3dB帶寬16KHz）進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，測量板卡將測量結(jié)果將由RS232接口傳送至上位機(jī)。

2.接收機(jī)法調(diào)幅度測試原理

根據(jù)GY31-84調(diào)幅度的定義：用單一頻率的音頻信號對載波進(jìn)行調(diào)制的已調(diào)波，其最大或最小瞬時振幅與調(diào)制期間載波振幅差值再與調(diào)制期間載波振幅之比用百分比表示，既為發(fā)射機(jī)的調(diào)幅度。實(shí)際上是音頻幅度與載波幅度之比?？捎孟率絹肀硎荆?/p>

式中：mp =正峰調(diào)幅度;mn=負(fù)峰調(diào)幅度;A0=調(diào)制期間的載波幅度;amax=已調(diào)波的最大振幅;amin=已調(diào)波的最小振幅。

根據(jù)調(diào)幅度計(jì)算的基本公式，只要知道已調(diào)信號包絡(luò)的最大值和最小值，即可得出調(diào)幅度。利用高性能接收機(jī)從天線獲得調(diào)幅廣播信號，對其進(jìn)行濾波、放大以及AGC控制后，經(jīng)過二次變頻獲得中頻信號，對取得的中頻信號進(jìn)行檢波，將檢波信號送入A/D變換成數(shù)字信號。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。采用該方法可以將測量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲，也可以遠(yuǎn)程查看。通過對測量數(shù)據(jù)的自動統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)視，當(dāng)調(diào)幅度出現(xiàn)異常時，及時的給出報(bào)警，從而達(dá)到自動監(jiān)測的目的。

圖1 調(diào)幅度測試方框圖

對NRD-545接收機(jī)的中頻信號（=455KHz，3dB寬帶16KHz）進(jìn)行瞬時監(jiān)測，其調(diào)幅度為中頻信號檢波后的音頻電平幅度與直流電平之比。據(jù)此設(shè)計(jì)適合計(jì)算機(jī)控制的調(diào)幅度測量卡。該板可插入計(jì)算機(jī)中的任意AT總線插槽中，通過RS-232串口將數(shù)據(jù)傳給服務(wù)器處理。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 調(diào)幅度A/D采集卡系統(tǒng)框圖

由圖2可知，調(diào)幅度A/D采集卡將接收機(jī)的中頻信號檢波后，分別取出音頻分量和直流分量送入A/D變換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，送入單片機(jī)。單片機(jī)以一定的測量時間為間隔將音頻分量提取出最大值，這個最大值即可認(rèn)為是這個測量時間中的音頻的幅度值，以此幅度值除以直流電平既為這段測量時間中信號的調(diào)幅度值。

2.1 采樣率的選擇

根據(jù)仙農(nóng)采樣定理：采樣頻率大于或等于信號最高頻率的兩倍，則該信號在時域里完全可以由一系列采樣點(diǎn)所確定。當(dāng)然，采樣率越高，取得的最大值越精確。該板的采樣率為33KHz，對接收機(jī)來講，是接收機(jī)最高頻率的4倍。這個采樣率是由單片機(jī)的運(yùn)算速度決定的。

2.2 測量時間的選擇

測量時間，即在一定的時間段內(nèi)，以33KHz的采樣率進(jìn)行采樣，經(jīng)過對比，選出一個最大值，以此最大值作為這段時間內(nèi)的音頻的幅度值，用此最大值除以直流電平值，則得出一個調(diào)幅度值。這個調(diào)幅度值即可認(rèn)為是這段測量時間段的調(diào)幅度值。因?yàn)镹RD545接收機(jī)的中頻3dB寬帶是16KHz，發(fā)射機(jī)的頻率響應(yīng)是50Hz—8KHZ所以，要測量得信號的頻率響應(yīng)范圍是50Hz～8KHz，因此，測量時間取為20ms。這樣做是為了取出最低頻率（50Hz）的幅度值。由于廣播信號的復(fù)雜性，如果計(jì)算時間取長，其最大值將不代表這一段測量時間內(nèi)的音頻幅度;如果取得太短，50Hz信號的幅度將不能取出。因此，筆者認(rèn)為20ms的計(jì)算周期比較合理。從實(shí)際測量結(jié)果來看，這樣測完全可以反映出音頻的包絡(luò)變化。

3.調(diào)幅度A/D采集卡硬件組成

采用PC小板結(jié)構(gòu)，用PC機(jī)內(nèi)的電源供電。單片機(jī)采用89C51，單片機(jī)是電路板控制的核心，它不僅控制AD轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行，還控制著數(shù)據(jù)處理以及與上位機(jī)的通信。軟件采用匯編語言編程。A/D芯片采用四通道高速八位A/D變換器，其采樣速率可達(dá)400KHz，帶內(nèi)部采樣保持電路和微處理器接口電路。選用八位A/D是為了提高系統(tǒng)的運(yùn)算速度，在滿足精度要求的情況下降低成本。前級用超高速運(yùn)算放大器作程控放大器，放大倍數(shù)由單片機(jī)根據(jù)直流電平值自動調(diào)整，以充分利用A/D的動態(tài)范圍，其放大倍數(shù)分別為2，3，4，5，6，7，8，9。這樣的放大量能使接收機(jī)的中頻輸出滿足調(diào)幅度測量的要求。

NR545接收機(jī)提供的455KHz中頻信號，經(jīng)過一個由1μF電容和10K電阻組成的一階無源高通濾波電路（f=15Hz，高頻成分通過）清除信號攜帶的直流分量，經(jīng)過此濾波電路后，信號將分送給AD8130進(jìn)行13dB的放大，作調(diào)幅度的測量。

信號經(jīng)AD8130進(jìn)行前級放大后，需經(jīng)過一個由0.1μF電容和1K電阻組成的一階無源高通濾波電路來濾除信號在放大過程中所引進(jìn)的直流分量（電容隔直，頻率高于1.6KHz的信號通過）。此部分電路原理圖如圖3所示：

圖3 中頻信號放大電路

放大后的信號進(jìn)入由OPA27組成的精密半波整流電路得到信號的正半周。此時，信號一路通過一個由OPA27組成的二階低通濾波電路得到調(diào)幅信號的音頻包絡(luò)，送至A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī);另一路經(jīng)過簡單的由10K電阻和10μ電容組成的一階低通濾波得到直流載波，送入單片機(jī)的ADC0口，在其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。電路圖如圖4所示。通過編程實(shí)現(xiàn)在一定時間間隔內(nèi)取出包絡(luò)的最大值和直流電平，并傳給單片機(jī)。

由OPA27組成的二階低通濾波器的截止頻率為：f=37.5KHz。在截止頻率的選擇上，應(yīng)保證在此帶寬中有用信號不會衰減，同時濾掉高頻信號。由10K電阻和10μ電容組成的無源低通濾波器的截止頻率為：f=1.6Hz。

4.誤差分析

系統(tǒng)誤差主要來自以下兩個方面：

（1）A/D變換帶來的誤差：由于A/D采樣采用8位A/D，即0—5V電壓的量化臺階是255級，考慮到100%調(diào)幅的情況，直流電平的最大值不能超過127，否則正峰將被切削，這時的計(jì)算誤差是1/127=0.8%。當(dāng)直流電平為1.25V時，對應(yīng)的數(shù)值為64，這時的計(jì)算誤差是1/64=1.56%。本系統(tǒng)選取直流電平大于1V時開始計(jì)算，程控放大器的控制范圍是1.25V～2.5V，當(dāng)直流電平為1V時的對應(yīng)數(shù)值是51，這時的計(jì)算誤差是1/51=2%，即系統(tǒng)的最大計(jì)算誤差是2%。這是由A/D變換帶來的最大誤差。

當(dāng)輸入信號較小時，接收機(jī)的信噪比下降，輸出的中頻信號變?nèi)?，中頻信號的信噪比更差，這時測量出的調(diào)幅度值誤差較大，因此，當(dāng)射頻信號較弱時，調(diào)幅度板不進(jìn)行測量。

（2）采樣誤差是由于采樣沒有采到最大值而引起的誤差。以8KHz為例，對8KHz的正弦波，如果以33KHz的采樣率進(jìn)行采樣，則每個周期可以采樣4點(diǎn)，它們離最大點(diǎn)的距離為360度/4/2=45度，這時的數(shù)值是Sin（90°±45°）=0.707，而最大值是1。所以，其最大誤差是30%。由于每個測量周期中要采樣666點(diǎn)，有160點(diǎn)在最大值附近，只要采樣點(diǎn)在90°±11°內(nèi)，其計(jì)算誤差就小于2%，按平均分布計(jì)算，有39點(diǎn)可能采到最大值;實(shí)際上，高音頻出現(xiàn)峰值的次數(shù)多，低音頻出現(xiàn)峰值的次數(shù)少，因此，采樣誤差在這里可以忽略。

5.小結(jié)

測試儀的軟件部分采用C/S模式，服務(wù)器端固定于工控機(jī)，用于控制板卡工作以及原始資料的采集處理計(jì)算，而客戶端通過TCP協(xié)議與客戶端交互，完成主要的數(shù)據(jù)處理存儲等功能。設(shè)計(jì)好的調(diào)幅度A/D采集卡在調(diào)幅度測試儀中的測試結(jié)果與采用進(jìn)口儀器測試的結(jié)果在調(diào)幅度的變化趨勢上是一致的，并且數(shù)據(jù)相差很小，達(dá)到了預(yù)期的效果。

參考文獻(xiàn)

[1]馬友本等主編.廣播電視監(jiān)測技術(shù).國家廣播電影電視總局監(jiān)測中心編印.

[2]崗位培訓(xùn)教材.廣播接收與監(jiān)測.國家廣播電影電視總局無線電臺管理局.

作者簡介：林大橋（1973-），男，福建龍巖人，工程碩士，國家新聞出版廣電總局七三一臺高級工程師。