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[導(dǎo)讀]模擬電視廣播,用峰值功率電平表征頻道信號的強(qiáng)弱。測量模擬電視發(fā)射機(jī)輸出信號功率電平時(shí),使用頻譜儀對信號同步脈沖的峰值電平進(jìn)行測量。

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(qiáng)弱。測量模擬電視發(fā)射機(jī)輸出信號功率電平時(shí),使用頻譜儀對信號同步脈沖的峰值電平進(jìn)行測量。因?yàn)檫@里集中了信號在頻道內(nèi)的主要能量(超過98%),所以可以認(rèn)為對載波同步脈沖的測量可以代表信號在測量頻道內(nèi)的電平值。

基于ARM的數(shù)字電視射頻信號功率檢測器設(shè)計(jì)

數(shù)字電視廣播用信道功率表征頻道信號的功率強(qiáng)弱。數(shù)字電視調(diào)制信號類似噪聲,信號在調(diào)制到射頻載波前被進(jìn)行了隨機(jī)化處理。由于數(shù)字信號以噪聲形式出現(xiàn),它更像隨機(jī)加入到頻域測試設(shè)備中的一組組脈沖,所以采用信道平均功率判斷信號強(qiáng)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(huì)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(yīng)測其平均功率。

2 功率檢測器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

數(shù)字電視射頻信號功率檢測器主要由3個(gè)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(jī)功率檢測器用ARM S3C4480X芯片作為其核心控制器,內(nèi)部的寬帶濾波器用微帶線濾波器實(shí)現(xiàn),RF功率檢測用專業(yè)的功率檢測芯片AD8362實(shí)現(xiàn),模數(shù)轉(zhuǎn)換用雙通道、12位高速ADC芯片實(shí)現(xiàn),顯示用128×64像素點(diǎn)單色LCD顯示器實(shí)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(gè)頻道的RF信號入、反射功率大小。若系統(tǒng)需要同時(shí)檢測多個(gè)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。

基于ARM的數(shù)字電視射頻信號功率檢測器設(shè)計(jì)

耦合而來的RF信號先進(jìn)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(jīng)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(qiáng)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(dòng)態(tài)范圍高達(dá)60d B。ADC芯片將送來的RF功率強(qiáng)度模擬檢測電平轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出,該ADC芯片具有2個(gè)12位的高速逐次逼近型ADC模塊,采樣速率高達(dá)2MSP S。ARM控制器控制整個(gè)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(jīng)運(yùn)算處理后,最終將結(jié)果顯示在LCD顯示模塊上,ARM控制器采用16/32位ARM7TDMI內(nèi)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(shè)計(jì)

3.1 輸入保護(hù)電路

在整個(gè)功率檢測器的輸入端,增加了輸入功率過載保護(hù)電路。當(dāng)輸入的RF信號功率過大時(shí),該保護(hù)電路將會(huì)自動(dòng)限制輸入信號的功率,達(dá)到保護(hù)后級檢測電路不受損傷的目的。輸入過載保護(hù)電路由肖特基增強(qiáng)型PIN限幅器、射頻變壓器組成。當(dāng)輸入RF功率低于門限電平時(shí),信號能夠正常通過保護(hù)電路;當(dāng)輸入RF功率達(dá)到或超過門限電平時(shí),保護(hù)電路會(huì)自動(dòng)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(hù)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(yīng)用的需求。

基于ARM的數(shù)字電視射頻信號功率檢測器設(shè)計(jì)

肖特基增強(qiáng)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(dāng)RF信號低于限制門限,肖特基二極管上電流很小,導(dǎo)致PIN二極管的結(jié)電阻很大,RF信號便能無損耗地向后級傳輸;當(dāng)RF信號增大到限制門限,肖特基二極管電流升高,導(dǎo)致PIN二極管結(jié)電阻減小,大部分RF信號入射功率經(jīng)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(hù)電路在整個(gè)工作頻段內(nèi),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(gè)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(guān),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(zhǔn)確相應(yīng)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(dá)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(zhǔn)測量/控制系統(tǒng);2)精準(zhǔn)的RMS轉(zhuǎn)直流(50Hz~2.7GHz);3)輸入動(dòng)態(tài)范圍大于60dB(50 Ω下,-52~8dBm):4)獨(dú)立的波形和調(diào)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(jī)狀態(tài)1.3mW。

基于ARM的數(shù)字電視射頻信號功率檢測器設(shè)計(jì)

AD8362既能用于功放線性控制,也能用于射頻功率檢測。當(dāng)用于功率檢測時(shí),其VOUT腳與VSET腳應(yīng)直連,此時(shí)輸出是正比于輸入rms對數(shù)值,斜率50mV/dB。當(dāng)用于功放線性控制時(shí),VOUT腳與VSET腳獨(dú)立,功放通過AD8362的VOUT輸出來改變自身的增益,達(dá)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(shè)定VSET腳上的電壓,控制調(diào)節(jié)功放增益,使功放輸出到一個(gè)理想的目標(biāo)值。當(dāng)輸入大于VSET腳設(shè)定值,VOUT置邏輯高電平,當(dāng)輸入小于VSET腳設(shè)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(shè)計(jì)采用測量工作模式,檢測電路如圖3所示。

基于ARM的數(shù)字電視射頻信號功率檢測器設(shè)計(jì)

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(zhuǎn)平衡轉(zhuǎn)換器),這里我們使用單端輸入模式。VOUT經(jīng)過運(yùn)放放大后送出檢測電壓值PWR_DET。當(dāng)VSET腳與VOUT腳短路連接時(shí),輸出電壓與輸入信號電平呈線性對數(shù)關(guān)系(斜率50mV/dB),對于輸入信號為-60dBm(截距)時(shí),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(shí)的輸入信號功率,兩者單位均為dBm。通常PZ為-60dBm。

本設(shè)計(jì)中,VSET腳與VOUT腳并未直接短路連接,而是通過一個(gè)電阻相連,且在VSET腳上加了一個(gè)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(yīng)特定的功率檢測環(huán)境。當(dāng)然,這樣的電路連接也會(huì)降低檢測的動(dòng)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(huì)有誤差,因此,需要對測量電路的計(jì)算公式做校正,重新計(jì)算公式中的斜率(SLOPE)和截距(INTERCEPT)。校正方法是施加連個(gè)接近AD8362線性輸入范圍端點(diǎn)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(gè)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(jì)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(jīng)過SPI接口送至MCU主控制器。

基于ARM的數(shù)字電視射頻信號功率檢測器設(shè)計(jì)

3.3 系統(tǒng)控制

整個(gè)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(nèi)核,0.25 μm工藝的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲編譯器,為手持設(shè)備和一般類型的應(yīng)用提供了高性價(jià)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(nèi)置部件:8KBcache、內(nèi)部SRAM、LCD控制器、71個(gè)通用I/O接口、RTC、10位ADC、自動(dòng)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(jié)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(shí)現(xiàn)定時(shí)刷屏,這樣就能實(shí)時(shí)顯示射頻信號功率的檢測結(jié)果了。

4 軟件設(shè)計(jì)

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(jìn)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(jìn)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(shí)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(jì)算功率值的大小。系統(tǒng)對功率值繼續(xù)判斷其是否在設(shè)定門限范圍內(nèi),如超過,則顯示異常功率值大小及功率異常報(bào)警,此時(shí)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(rèn)是按周期循環(huán)檢測,使維護(hù)人員能夠?qū)崟r(shí)查看入、反射功率狀態(tài),同時(shí)也可按“停止循環(huán)檢測”按鈕隨時(shí)停止循環(huán)檢測程序,使顯示保持當(dāng)前狀態(tài)。

5 小結(jié)

本設(shè)計(jì)的數(shù)字電視射頻信號功率檢測器能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)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(bào)警功能,為維護(hù)人員提供有效監(jiān)測手段,提高維護(hù)效率,保障安全播出。本檢測器檢測準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定,具有一定的應(yīng)用前景。

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