基于ARM的數(shù)字電視射頻信號功率檢測器設(shè)計(jì)

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，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。

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(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，該保護(hù)電路將會自動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，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，保護(hù)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(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。

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。

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，其VOUT腳與VSET腳應(yīng)直連，此時輸出是正比于輸入rms對數(shù)值，斜率50mV/dB。當(dāng)用于功放線性控制時，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。

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，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，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(shè)計(jì)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(yīng)特定的功率檢測環(huán)境。當(dāng)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(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。

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(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(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)定時刷屏，這樣就能實(shí)時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(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。