0 引言
我國地面數(shù)字電視標準要采用自主研發(fā)的DTMB/TDS-OFDM頻、時域處理技術，其支持高、標清電視的不同制式，支持室內、移動、便攜接收等三種接收方式，支持單頻網和多頻網兩種組網模式，可根據(jù)應用業(yè)務的特性和組網環(huán)境選擇不同的傳輸模式和參數(shù)。
地面數(shù)字電視射頻信號的信道功率是衡量網絡質量的重要測量指標，其大小直接決定信號的覆蓋范圍及某接收點是否能夠正常接收。本文介紹了一種測量地面數(shù)字電視射頻信號功率的檢測器，此檢測器能夠檢測數(shù)字信號的平均功率，真實反映信號的信道功率大小。
1 模擬、數(shù)字電視信道功率區(qū)別
模擬電視廣播，用峰值功率電平表征頻道信號的強弱。測量模擬電視發(fā)射機輸出信號功率電平時，使用頻譜儀對信號同步脈沖的峰值電平進行測量。因為這里集中了信號在頻道內的主要能量(超過98%)，所以可以認為對載波同步脈沖的測量可以代表信號在測量頻道內的電平值。
數(shù)字電視廣播用信道功率表征頻道信號的功率強弱。數(shù)字電視調制信號類似噪聲，信號在調制到射頻載波前被進行了隨機化處理。由于數(shù)字信號以噪聲形式出現(xiàn)，它更像隨機加入到頻域測試設備中的一組組脈沖，所以采用信道平均功率判斷信號強弱。
數(shù)字電視信號有較高的峰均比，如表1所示。如果測量中仍測其峰值功率電平，則測的的數(shù)據(jù)會與信道平均功率有較大誤差。因此，數(shù)字電視信號的測量應測其平均功率。
2 功率檢測器系統(tǒng)總體設計
數(shù)字電視射頻信號功率檢測器主要由3個部分組成：帶通濾波器、RF功率檢測模塊和系統(tǒng)控制與顯示模塊。其框圖如圖1所示。
數(shù)字電視發(fā)射機功率檢測器用ARM S3C4480X芯片作為其核心控制器，內部的寬帶濾波器用微帶線濾波器實現(xiàn)，RF功率檢測用專業(yè)的功率檢測芯片AD8362實現(xiàn)，模數(shù)轉換用雙通道、12位高速ADC芯片實現(xiàn)，顯示用128×64像素點單色LCD顯示器實現(xiàn)。
框圖中共有2組帶通濾波器+功率檢測模塊組合，分別用來檢測一個頻道的RF信號入、反射功率大小。若系統(tǒng)需要同時檢測多個頻道的RF入、反射功率，則可以增加帶通濾波器+功率檢測模塊組合及ADC模塊數(shù)量。
耦合而來的RF信號先進入數(shù)字電視射頻信號功率檢測器中的帶通濾波器(UHF波段特定中心頻率、帶寬8MHz)。經過濾波后，某一特定頻道的RF信號再送入功率檢測模塊，檢測后輸出信號強度模擬電平，該功率檢測模塊可以檢測數(shù)字信號的真有效值功率，檢測動態(tài)范圍高達60d B。ADC芯片將送來的RF功率強度模擬檢測電平轉換為數(shù)字信號輸出，該ADC芯片具有2個12位的高速逐次逼近型ADC模塊，采樣速率高達2MSP S。ARM控制器控制整個功率檢測器的功率檢測及顯示功能，ARM控制器接收ADC送來的數(shù)字信號，經運算處理后，最終將結果顯示在LCD顯示模塊上，ARM控制器采用16/32位ARM7TDMI內核，主頻66MHz，集成8KB高速緩沖器、外部存儲器控制器、LCD控制器等模塊。
3 硬件設計
3.1 輸入保護電路
在整個功率檢測器的輸入端，增加了輸入功率過載保護電路。當輸入的RF信號功率過大時，該保護電路將會自動限制輸入信號的功率，達到保護后級檢測電路不受損傷的目的。輸入過載保護電路由肖特基增強型PIN限幅器、射頻變壓器組成。當輸入RF功率低于門限電平時，信號能夠正常通過保護電路;當輸入RF功率達到或超過門限電平時，保護電路會自動將輸入功率限制在最大允許功率電平上，保證后級電路正常工作。該保護電路具有寬工作頻率200～1400MHz，低功率限制電平約6.05dBm，能夠滿足廣播電視頻段應用的需求。
肖特基增強型PIN限幅器采用ASML-5829，限幅器中有一PIN二極管和一肖特基二極管，兩二極管如圖反向并聯(lián)在輸入電路上，當RF信號低于限制門限，肖特基二極管上電流很小，導致PIN二極管的結電阻很大，RF信號便能無損耗地向后級傳輸;當RF信號增大到限制門限，肖特基二極管電流升高，導致PIN二極管結電阻減小，大部分RF信號入射功率經PIN二極管被反射回輸入源。射頻變壓器采用TC4-14+，次級初級繞阻比為4，因此變壓器即能起到放大信號的作用，又能起到阻抗匹配的作用。輸入過載保護電路在整個工作頻段內，插損最大約-2.8dB，回波損耗最小約-18dB。
3.2 功率檢測
3.2.1 均方根檢波器AD8362
AD8362是一個真有效值功率檢測器，其檢測輸出的線性直流電壓正比于輸入信號功率大小，輸出與輸入信號的峰均比無關，具有60dB測量范圍。它被用于各種不同高頻通信系統(tǒng)和對信號功率要求準確相應的儀器中。該芯片簡單易用，只要單5V電源供電和一些電容。它可以在任意低頻至2.7GHz頻率中工作，可以接受從1mV～1V有效值的信號輸入。被測信號的峰值因數(shù)可以高達6，超過了對CDMA信號精確測量的要求。AD8362能夠測量射頻信號的有效值功率，為理想的數(shù)字電視射頻信號功率檢測器。
AD8362具有以下特性：1)完全精準測量/控制系統(tǒng);2)精準的RMS轉直流(50Hz～2.7GHz);3)輸入動態(tài)范圍大于60dB(50 Ω下，-52～8dBm)：4)獨立的波形和調制(GSM/CDMA/TDMA等);5)線性的分貝輸出(50mV/dB);6)0.5dB偏差;7)不同溫度和供電下功能穩(wěn)定(4.5～5V在24mA，-40～+85℃);8)待機狀態(tài)1.3mW。
AD8362既能用于功放線性控制，也能用于射頻功率檢測。當用于功率檢測時，其VOUT腳與VSET腳應直連，此時輸出是正比于輸入rms對數(shù)值，斜率50mV/dB。當用于功放線性控制時，VOUT腳與VSET腳獨立，功放通過AD8362的VOUT輸出來改變自身的增益，達到功率輸出線性的目的。
3.2.2 功率檢測電路
AD8362提供測量模式和控制模式兩種工作模式。在控制模式下，AD8362可監(jiān)視可變增益功放的輸出，并通過設定VSET腳上的電壓，控制調節(jié)功放增益，使功放輸出到一個理想的目標值。當輸入大于VSET腳設定值，VOUT置邏輯高電平，當輸入小于VSET腳設定值，VOUT置邏輯低電平。在測量模式下，AD8362僅檢測RF的功率大小，VSET腳與VOUT腳短路。本設計采用測量工作模式，檢測電路如圖3所示。
AD8362的輸入可以是差分輸入或單端輸入，如果要配置為差分輸入模式，輸入電路前還需增加BALUN(非平衡轉平衡轉換器)，這里我們使用單端輸入模式。VOUT經過運放放大后送出檢測電壓值PWR_DET。當VSET腳與VOUT腳短路連接時，輸出電壓與輸入信號電平呈線性對數(shù)關系(斜率50mV/dB)，對于輸入信號為-60dBm(截距)時，VOUT輸出為0V。輸出電壓可用如下公式表示：
VOUT=(PIN-PZ)×50mV
PIN為輸入信號的功率，PZ(截距)為輸出為0V時的輸入信號功率，兩者單位均為dBm。通常PZ為-60dBm。
本設計中，VSET腳與VOUT腳并未直接短路連接，而是通過一個電阻相連，且在VSET腳上加了一個配置電壓(截距重定位電壓)。這樣，便可以增加輸出電壓公式中的斜率，以便更適應特定的功率檢測環(huán)境。當然，這樣的電路連接也會降低檢測的動態(tài)范圍。
由于VOUT、VSET連接改變，斜率有所變化。另一方面，由于阻抗失配和衰減等因素，測量可能會有誤差，因此，需要對測量電路的計算公式做校正，重新計算公式中的斜率(SLOPE)和截距(INTERCEPT)。校正方法是施加連個接近AD8362線性輸入范圍端點的已知信號電平，然后測量輸出電壓。根據(jù)AD8362線性范圍選擇兩個輸入信號電平為PIN1=-60dBm，PIN2=-30dBm，并分別測得電路輸出電平為VOUT1和VOUT2。則可以通過以下公式計算斜率和截距：
檢波器輸出給后級的雙路，12BIT ADC處理，將檢測直流電壓變?yōu)閿?shù)字信號經過SPI接口送至MCU主控制器。
3.3 系統(tǒng)控制
整個功率檢測器選用三星公司的16/32位RISC處理器S3C4480X(66MHz)作為系統(tǒng)控制器。S3C44BOX采用ARM7TDMI內核，0.25 μm工藝的CMOS標準宏單元和存儲編譯器，為手持設備和一般類型的應用提供了高性價比和高性能的微控制器解決方案。該處理器提供了豐富的內置部件：8KBcache、內部SRAM、LCD控制器、71個通用I/O接口、RTC、10位ADC、自動握手的2通道UART、I2C總線接口等。系統(tǒng)控制器執(zhí)行功率檢測程序，并控制檢測電路對射頻信號功率的采集，將功率檢測結果顯示在LCD模塊上。LCD模塊選用128×64像素的LCD屏，共能顯示4行中英文字符。且通過軟件控制，可以實現(xiàn)定時刷屏，這樣就能實時顯示射頻信號功率的檢測結果了。
4 軟件設計
功率檢測軟件執(zhí)行的流程如圖4所示。系統(tǒng)先初始化功率檢測模塊、ADC模塊、LCD模塊等，使所有模塊進入正常工作狀態(tài)。MCU采集射頻信號的入、反射功率檢測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行判斷是否超過測量線性范圍，如超過，則顯示超過測量范圍，此時可按“重新檢測”按鈕使系統(tǒng)重新檢測功率;如未超過，則由采集數(shù)據(jù)計算功率值的大小。系統(tǒng)對功率值繼續(xù)判斷其是否在設定門限范圍內，如超過，則顯示異常功率值大小及功率異常報警，此時仍可按“重新檢測”按鈕使系統(tǒng)重新檢測功率;如未超過，則顯示正常的功率值大小。如果檢測的功率值正常，
系統(tǒng)默認是按周期循環(huán)檢測，使維護人員能夠實時查看入、反射功率狀態(tài)，同時也可按“停止循環(huán)檢測”按鈕隨時停止循環(huán)檢測程序，使顯示保持當前狀態(tài)。
5 小結
本設計的數(shù)字電視射頻信號功率檢測器能夠準確實時測量地面數(shù)字電視射頻信號功率大小，并具有功率異常報警功能，為維護人員提供有效監(jiān)測手段，提高維護效率，保障安全播出。本檢測器檢測準確、結構簡單、運行穩(wěn)定，具有一定的應用前景。
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