某型功率和頻點(diǎn)可控的視頻發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：根據(jù)某型電視圖像發(fā)射機(jī)檢測儀的信號(hào)標(biāo)定及日常維護(hù)調(diào)試需要，研發(fā)了一種以鎖相環(huán)技術(shù)為核心，由單片機(jī)控制的低功耗、頻點(diǎn)及功率可控的視頻發(fā)射機(jī)(信標(biāo)機(jī))。給出了基于鎖相環(huán)芯片ADF4360的信標(biāo)機(jī)的設(shè)計(jì)方法及系統(tǒng)組成，闡述了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案。測試結(jié)果表明，由該方法設(shè)計(jì)的信標(biāo)機(jī)具有穩(wěn)定、可靠的變頻特性，且各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了要求。在實(shí)際使用過程中，操作人員可以方便地設(shè)置所需的頻點(diǎn)及功率點(diǎn)，人機(jī)界面友好，使得操作更為靈活方便，具有良好的性價(jià)比和市場前景。
關(guān)鍵詞：視頻發(fā)射；信號(hào)標(biāo)定；鎖相環(huán)；ADF4360

    某型電視圖像發(fā)射機(jī)檢測儀已經(jīng)研制成功并投入生產(chǎn)。由于發(fā)射機(jī)是被完全密封、加固的，因此對其主要的參數(shù)、指標(biāo)的檢測只能采用間接的方法，其中對其最重要的指標(biāo)——發(fā)射功率，更是只能以無線接收的方式，根據(jù)接收到信號(hào)的AGC進(jìn)行判斷，由于環(huán)境對無線信號(hào)的影響巨大，因此在檢測儀的日常使用、維護(hù)和調(diào)試中的標(biāo)定工作非常重要。目前市面上美國安捷侖和德國RS公司生產(chǎn)的射頻信號(hào)儀器雖然滿足使用要求，但價(jià)格昂貴，體積較大，不便于攜帶，因此很有必要設(shè)計(jì)一種針對型號(hào)專門使用的信標(biāo)機(jī)，以代替昂貴的進(jìn)口設(shè)備，降低裝備成本。下面著重介紹該型功率、頻點(diǎn)可控視頻發(fā)射機(jī)(信標(biāo)機(jī))的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。

1 系統(tǒng)組成
    信標(biāo)機(jī)作為標(biāo)定檢測儀的工具，不僅要求頻點(diǎn)和功率可調(diào)，可以完美的模擬待測型號(hào)的視頻發(fā)射機(jī)，而且還要具備頻點(diǎn)穩(wěn)定、功率線性化調(diào)節(jié)和參數(shù)顯示等功能。根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，視頻發(fā)射機(jī)采用模擬傳輸方式傳送圖像，由單片機(jī)、液晶屏、鍵盤、微型攝像頭、供電電源、調(diào)頻發(fā)射電路組成。其系統(tǒng)組成如圖1所示。

    其中，視頻發(fā)射單元里調(diào)頻發(fā)射電路中的頻率合成技術(shù)是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。目前的頻率合成技術(shù)中比較成熟的是鎖相環(huán)技術(shù)(PLL：Phase Lock Loop)。本方案采用的鎖相環(huán)技術(shù)，是以ADF4360芯片為核心。ADF4360芯片是美國ADI公司生產(chǎn)的一款高性能整數(shù)型鎖相頻率合成芯片，其內(nèi)部集成壓控振蕩器，內(nèi)含數(shù)字鑒相器、電荷泵、可編程參考分頻器R(14 bit)、可編程A(5 bit)預(yù)置、B(13 bit)計(jì)數(shù)器及雙模前置(P／P+1)分頻器。其工作頻率范圍是2 400～2 725 MHz，工作電壓為3．0～3．6 V，可編程雙模預(yù)分頻為8／9，16／17，32／33，輸出功率可編程范圍是-13～6 dBm，電荷泵電流可編程，并可編程反后沖脈沖寬度，能夠進(jìn)行模擬和數(shù)字鎖定檢測，具有硬件和軟件掉電模式，同時(shí)可三線并行傳輸。ADF4360的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于此芯片內(nèi)部包含VCO(壓控振蕩器)，因此只需外接環(huán)路濾波器即可組成一個(gè)完整的鎖相環(huán)路，設(shè)計(jì)簡單，成本較低。ADF4360芯片通過單片機(jī)的控制，輸出合適的分頻比，得到穩(wěn)定的頻點(diǎn)和功率，同時(shí)單片機(jī)控制在LED屏上實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)的數(shù)值，還設(shè)置了鍵盤的輸入操作，使用起來簡單方便。

    該型頻點(diǎn)和功率可控的視頻發(fā)射機(jī)(信標(biāo)機(jī))尺寸小巧，成本低廉，比常規(guī)信號(hào)源小的多，而且便于攜帶，可隨時(shí)在野外環(huán)境中給某型電視圖像發(fā)射機(jī)檢測儀提供穩(wěn)定可靠的標(biāo)定信號(hào)源，為實(shí)際工作的展開提供了極大的方便。圖3為視頻發(fā)射機(jī)(信標(biāo)機(jī))效果圖，圖4為機(jī)身按鍵標(biāo)示圖。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2．1 微型攝像頭
    微型攝像頭的主要作用是圖像信號(hào)的采集，輸出PAL格式的視頻信號(hào)。當(dāng)微型攝像頭完成對圖像信息的采集后，通過視頻信號(hào)送往調(diào)頻發(fā)射電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，最終將采集的視頻信號(hào)顯示在監(jiān)測儀的顯示界面上。
2．2 單片機(jī)控制電路
    單片機(jī)的功能主要分為兩方面，一方面定時(shí)查詢健盤信息，控制調(diào)頻發(fā)射電路的頻點(diǎn)，控制數(shù)控衰減器的衰減值，使信標(biāo)機(jī)輸出設(shè)定的頻點(diǎn)和功率信號(hào)；另一方面，控制液晶屏LED顯示相應(yīng)的頻點(diǎn)和功率值及其他相關(guān)信息。本方案所采用的單片機(jī)為美國ATMEL公司ATmega 128單片機(jī)作為主控制芯片，該單片機(jī)基于RISC結(jié)構(gòu)，具有快速、靈活、加密性強(qiáng)和易實(shí)現(xiàn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS／MHz，是普通的復(fù)雜指令集微處理器的10倍，可以緩減系統(tǒng)功耗和處理速度之間的矛盾。當(dāng)健盤發(fā)送變頻指令，單片機(jī)接收指令后改變ADF4360芯片上的各分頻比，從而得到所需的頻率，并且將該頻率值在LED上顯示出來。

2．3 調(diào)頻發(fā)射電路
    調(diào)頻發(fā)射部分主要負(fù)責(zé)對微型攝像頭采集到的模擬視頻信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制并發(fā)射出去。調(diào)頻發(fā)射電路的原理框圖如圖6所示，包括預(yù)加重電路、鎖相環(huán)調(diào)頻電路、功率放大電路和發(fā)射天線。其中鎖相環(huán)技術(shù)是本系統(tǒng)的核心。預(yù)加重電路先將視頻信號(hào)的低頻分量壓低并提高高頻分量，然后視頻信號(hào)與鎖相環(huán)路的誤差直流信號(hào)一起控制VCO使之產(chǎn)生需要的中心頻率，鎖相環(huán)路把VCO的輸出頻率分頻后與參考頻率分頻后的信號(hào)進(jìn)行鑒相，輸出誤差信號(hào)，通過低通濾波器后形成誤差直流信號(hào)；視頻信號(hào)對VCO控制產(chǎn)生的已調(diào)信號(hào)將送往功率放大器進(jìn)行功率放大，以提高信號(hào)的發(fā)射功率，增加傳輸?shù)木嚯x。系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)無線視頻傳輸?shù)奈⑿』偷凸?，并且傳輸距離要盡可能的遠(yuǎn)，所以在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候選擇了調(diào)頻調(diào)制方式，因?yàn)樵诠β?、頻率、天線效率、環(huán)境相同的情況下，調(diào)頻方式會(huì)比其他的調(diào)制方式(如調(diào)幅調(diào)制)傳輸?shù)酶h(yuǎn)。

    鎖相環(huán)調(diào)節(jié)電路的設(shè)計(jì)是本方案的核心都分，它應(yīng)滿足如下要求：
    1)視頻信號(hào)帶寬較大，因此要有比較大的調(diào)制頻偏；
    2)圖像信號(hào)對線性度的要求比較高，否則很容易發(fā)生圖像的畸變和扭曲；
    3)電路簡單，尺寸質(zhì)量等都必須符合微小型的要求。
    考慮到以上幾個(gè)因素，選用簡單、容易實(shí)現(xiàn)的直接調(diào)頻方式。
    直接利用變?nèi)荻O管進(jìn)行調(diào)頻的方法原理簡單、頻偏較大，但由于調(diào)制器是由普通的LC自激振蕩器和并聯(lián)的變?nèi)荻O管組成。所以有很多因素會(huì)引起振蕩頻率發(fā)生變化，這些因素包括變?nèi)荻O管的非線性、電源電壓的變動(dòng)、負(fù)載的變化、溫度等環(huán)境條件的變化、電路元器件老化、機(jī)械振動(dòng)等。為了消除以上這些導(dǎo)致中心頻率不穩(wěn)定的因素，除了注意電路和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)外，選用了鎖相環(huán)調(diào)頻的方式來穩(wěn)定中心頻率。ADF4360芯片的鎖相環(huán)調(diào)頻電路方框圖如圖7所示。

    其外部電路只需一個(gè)環(huán)路濾波器和一個(gè)參考輸入，所有功能均可通過控制字進(jìn)行配置。其輸出頻率范圍為F0-F6，采用3．3 V-3.6 V供電，擁有可編程的預(yù)分頻器，方便用戶改變其分頻比；輸出功率電平可調(diào)，方便改變輸出功率的大?。粚ν馔ㄐ挪捎煤唵蔚娜€串行接口，易于使用。該芯片廣泛用于無線手持設(shè)備、測試儀器、無線局域網(wǎng)和CATV設(shè)備中?；?strong>ADF4360的鎖相環(huán)電路原理圖如圖8所示。

    該芯片有兩個(gè)輸出端：RFoutA和RFoutB，二者相位相反。要想得到大的輸出功率，需對其進(jìn)行輸出匹配。輸出匹配的方法很多，最好的輸出匹配方法是將RFoutA和RFoutB結(jié)合起來輸出，如圖9所示。此電路可提供5 dBm的輸出功率。

2．4 功率放大電路
    由于壓控振蕩器輸出增益不大，如果直接用天線進(jìn)行發(fā)射的話，發(fā)射距離將會(huì)很近，所以必須加上功率放大電路以加大電路的發(fā)射功率，增加信號(hào)的傳輸距離。根據(jù)功率要求本方案采用一級(jí)驅(qū)動(dòng)放大，選用RF公司的RF2301，該芯片的放大增益為20 dB，集成VCO的輸出功率為-4dBm，放大以后的功率為18dBm(63mW)。其電路原理如圖10所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括鍵盤掃描子程序LED顯示子程序和鎖相環(huán)芯片控制子程序設(shè)計(jì)。其中鍵盤掃描子程序采用編程掃描方式，所有的程序采用匯編語言設(shè)計(jì)。鎖相環(huán)芯片控制子程序，其核心是數(shù)據(jù)處理算法的實(shí)現(xiàn)。相關(guān)程序流程圖如圖11所示。

4 結(jié)論
    該視頻發(fā)射機(jī)已經(jīng)經(jīng)過了系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)定要求，同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，頻率調(diào)節(jié)靈活方便，簡單實(shí)用，特別是戶外作業(yè)的使用更說明了該信標(biāo)機(jī)設(shè)計(jì)的便攜特性，目前已成功地應(yīng)用在某型圖像發(fā)射機(jī)檢測儀的日常維護(hù)中，取得良好的效果。