DDS技術在構建中波同步廣播單頻網(wǎng)中的應用

韓大國

（安徽廣播影視職業(yè)技術學院 信息工程系，安徽 合肥230022）

我國于上世紀六十年代開始使用中波同步廣播技術。改革開放以來，隨著我國經濟的飛速發(fā)展，廣播事業(yè)也得到了極大的發(fā)展，中波廣播已發(fā)展成為我國重要的信息傳輸手段。尤其是上世紀九十年代，利用智能化的中波同步激勵器構建了中波同步廣播單頻網(wǎng)，為我國的廣播事業(yè)快速發(fā)展提供了堅實的技術保證。近年來數(shù)字技術在同步廣播技術中得到廣泛應用，使得中波同步廣播技術發(fā)生新的變化。本文就數(shù)字化中波同步廣播技術的應用做一些介紹和探討。

1 DDS技術原理

DDS是直接數(shù)字頻率合成器（direct digital synthesizer）的縮寫，是1971年美國學者J.Tierncy.C.M.Rader和B.Gold提出的，由于近年來的器件和技術的提高，DDS技術在頻率合成方面體現(xiàn)了優(yōu)越性能，得到了廣泛的應用。

直接數(shù)字頻率合成器（DDS）由基準時鐘、相位累加器、波形存儲器、D／A轉換器和低通濾波器（LPF）五部分構成，如圖1。

圖1 DDS的基本原理框圖

相位累加器由N位加法器N位寄存器構成。每來一個時鐘CLOCK，加法器就將頻率控制字與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，相加的結果又被送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端，以使加法器在下一個時鐘脈沖的作用下繼續(xù)控制字相加。這樣，相位累加器在時鐘作用下，不斷對頻率控制字進行線性累加。其輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號的相位，相位累加器的溢出頻率就是輸出的信號頻率。如果用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲器（ROM）的相位地址，這樣就可把存儲在波形存儲器內的波形抽樣值（二進制編碼）經查找表完成相位到幅值轉換.波形存儲器的輸出送到D／A轉換器。由D／A轉換器將信號轉換成模擬信號輸出。

1.1 AD9859芯片

HQ－10型中波同步廣播激勵器是基于AD9859芯片構成。AD9859外形圖如圖2。

圖2

內部功能圖如圖3。

AD9859是ADI公司生產的高集成度的數(shù)字頻率合成器，它的內核最高可以工作在400MHz。外部時鐘信號可以選擇直接輸入DDS內核或者通過AD9859內部的一個可編程的參考時鐘乘法器輸入內核。AD9859內部集成了一個高速高性能的10位DAC來產生數(shù)字化可編程的頻率高達200MHz的模擬正弦波形輸出，此正弦波可直接用作頻率信號源或經內部的高速比較器轉換為方波輸出。

圖3 AD9859功能結構圖

AD9859支持多種時鐘模式并且支持差分或單端輸入時鐘，可以通過向相關寄存器內寫入控制字來使用片內晶振或者鎖相環(huán)參考時鐘乘法器。而系統(tǒng)時鐘則是由CLKMODESELECT管腳的輸入與寄存器CFR1＜4＞、CFR2＜7：3＞中的數(shù)據(jù)來共同支配AD9859到六種工作模式中的一種來產生。

單頻工作模式是芯片默認的工作模式。當復位時，寄存器清零；當工作時，用戶向寄存器中寫入頻率控制字即可獲得DDS所需頻率點的單頻輸出。輸出電流幅度可由芯片內的數(shù)字乘法器的幅度控制功能來調整。在單頻工作模式下，頻率控制字的值被儲存在寄存器FTW0中隨后被截斷送入相位累加器。這個值被手動修改，通過在I／O UPDATE時鐘脈沖到達時向FTW0中寫入新的頻率控制字實現(xiàn)。相位調節(jié)則需要通過相位補償寄存器實現(xiàn)。

在AD9859中，重要的是有內部時鐘和外部時鐘的UPDATA CLOCK功能。輸入AD9859中的數(shù)據(jù)是和SYNC－CLK的信號同步的，這個信號通過SYNCCLK腳供給外部用戶。I／O UPDATE在SYNC－CLK的上升沿采樣。也就是說當數(shù)據(jù)輸入到AD9859的緩沖寄存器中時，并不會馬上按輸入指令開始工作。只有當一個SYNC－CLK時鐘信號上升沿到來且I／O UPDATE滿足條件時，AD9859的緩沖寄存器才按輸入指令開始輸出數(shù)據(jù)到工作寄存器中。

在芯片內部，SYSCLK被送入一個四分頻器來產生SYNC－CLK信號。當反向計數(shù)器計數(shù)到零的時候，DDS芯片自動更新SYNC－CLK時鐘信號通過SYNC－CLK管腳提供給用戶。這樣可以通過強制外部硬件遵從SYNC－CLK的時序來實現(xiàn)外部硬件和內部時鐘的同步。從圖3.4可以看出在SYNC－CLK上升沿和I／O UPDATE高電平時，緩沖寄存器中的數(shù)據(jù)轉移到DDS芯片的工作寄存器中。SYNC－CLK及I／O UPDATE管腳為用戶提供了一個與系統(tǒng)時鐘SYSCLK之間不變的潛在聯(lián)系，也保證了當一個新的頻率控制字或相位補償值產生時模擬波形輸出的連續(xù)性。圖4表明了I／O UPDATE的時序周期和同步性。

圖1 I／O UPDATE數(shù)據(jù)轉換圖

1.2 ARM微處理器

ARM微處理器對DDS進行操作。AD9859是通過SPI方式來控制內部的寄存器狀態(tài)的，基于ARM LPC2214只需對 AD9859的SCLK，SDIO，IO／UPDATE，三個I／O口進行操作，很容易把各種控制字寫入AD9859的狀態(tài)寄存器中，從而產生所需的頻率。SCLK是控制字寫入的時鐘口，SDIO是控制字寫入口，IO／UPDATE用來更新寫入的寄存器的控制字狀態(tài)。

AD9859的頻率輸出后，經過一段橢圓濾波器濾波，再經過AD8132全差分放大器進行放大，然后經過耦合線圈將兩路差分信號合成一路輸出合成頻率。

輸入10M標準參考信號為FPGA測頻的閘門時間，在閘門時間內對輸入的待測信號進行計數(shù)，所計的數(shù)值暫存在FPGA內部。ARM與FPGA之間進行串行通信，只需4個I／O口就將數(shù)據(jù)讀至ARM，這個通信方式類似SPI的時序。

1.3 基于AD9859的中波同步廣播激勵器性能特點

（1）低噪聲和低漂移

DDS系統(tǒng)中合成信號的頻率穩(wěn)定度直接由參考源的頻率穩(wěn)定度決定，合成信號的相位噪聲與參考源的相位噪聲相同。HQ－10型中波同步廣播激勵器引入的由GPS信號產生的高精度高穩(wěn)定度的10MHz參考源，穩(wěn)定度達到1×10－11，所以合成信號頻率輸出穩(wěn)定度和相位噪聲的性能也極為優(yōu)異。這是一般數(shù)字鎖相環(huán)和模擬鎖相環(huán)頻率合成器所達不到的性能。

（2）輸出信號幅度平坦

DDS的最低輸出頻率是所有的時鐘頻率的最小分辨率或相位累加器的分辨率。乃奎斯特采樣定理保證了早直到該時鐘頻率一半的所有頻率下，DAC都可以再現(xiàn)信號。

（3）易于集成 易于調整

DDS中幾乎所有的部件都屬于數(shù)字信號處理器件，除DAC和濾波器外，無需任何調整，從而降低了成本，簡化了機器結構。

2 DDS技術構成的HQ－10中波同步廣播激勵器

HQ－10中波同步廣播激勵器由GPS接收器、基準源和DDS頻率合成器組成。

GPS接收器接收GPS信號，這個信號源由GPS衛(wèi)星發(fā)送，發(fā)送的是時間信號，這個時間信號源的換算為頻率指標，頻率穩(wěn)定度為10－13，經過長距離傳輸，被接收器接收。

在基準源里，接收器將接收到時間碼信息轉換為頻率信息，這個過程有計算機控制，加上信號源甄別功能和信號源溯源中斷保持功能，使得輸出的基準頻率穩(wěn)定度很高而且穩(wěn)定，這是一般基準源難以做到的功能。值得一提的是，GPS信號眾所周知，時間信號源精度和頻率穩(wěn)定度很高，實際上，在服務過程中是不穩(wěn)定的，常受到各種自然和人為因素的干擾，在使用過程中有必要采取措施加以甄別和過濾，還要有精度（本文取精度和穩(wěn)定度同意）保持功能，保證基準源輸出的頻率穩(wěn)定度連續(xù)穩(wěn)定。

在DDS頻率合成器中，利用DDS技術將高精度高穩(wěn)定度的基準源合成為各種頻率。

系統(tǒng)總體硬件設計方案框圖如圖5。本系統(tǒng)主要由系統(tǒng)控制部分、頻率合成部分和系統(tǒng)輸出部分組成。其中控制部分的主要任務是完成對DDS芯片AD9859YSV頻率控制字和控制信號以及選用的ARM芯片LPC2138和FPGA芯片EP1C3T144C8的控制信號和同步時鐘的引入。頻率合成部分則主要是是AD9859YSV通過輸入的頻率控制字FTW和選用的乘法器的倍頻系數(shù)來合成所需的頻率輸出。而輸出部分則完成濾波、放大和顯示的功能。其中利用運算放大器AD8390實現(xiàn)DDS輸出波形的放大功能，利用鍵盤輸入控制四路DDS合成頻率的輸出通道以及輸出頻率大小的測量并及時送到液晶顯示。

圖5 DDS頻率合成系統(tǒng)硬件設計框架圖

3 中波同步廣播單頻網(wǎng)

中波同步廣播單頻網(wǎng)就是在不同地點的若干部發(fā)射機嚴格工作于同一頻率，播送同一廣播節(jié)目的廣播形式。就我國來說已有若干地方的廣播電臺采用了這種方式，充分利用了寶貴的頻率資源，極大節(jié)約了頻率。但由于種種原因，單頻網(wǎng)的運行質量得不到應有的保證，其中技術因素是一個重要的原因。從技術來講，是很多人把中波同步廣播的概念移植到中波同步廣播單頻網(wǎng)所造成的。傳統(tǒng)的中波同步廣播是基于三頻組成中波同步廣播網(wǎng)，標準要求的中波同步廣播激勵器輸出的頻率穩(wěn)定度達到10－8即可，大多數(shù)的中波同步激勵器完全可以滿足要求。

但中波同步廣播單頻網(wǎng)的技術指標與三頻中波同步廣播網(wǎng)的技術指標有很大的不同。中波同步廣播單頻網(wǎng)是相鄰兩臺使用同一頻率發(fā)射，覆蓋區(qū)域有重疊，形成相干區(qū)，出現(xiàn)了特殊現(xiàn)象，對頻率技術指標也提出了新的要求。在現(xiàn)代中波同步廣播單頻覆蓋網(wǎng)中，主要是兩個技術指標：同頻和同時延。有人認為需要同調制，有實驗證明，這是不必要的。

在中波同步廣播單頻網(wǎng)的運行中，頻率相同是最重要的指標。也就是說，單頻網(wǎng)中運行的兩個相鄰的發(fā)射臺要求使用相同頻率發(fā)射（實際上做不到）。通常發(fā)射機使用都是標稱頻率發(fā)射，實際頻率跟標稱頻率是有差別的。這種差別在中波同步廣播技術中一般用頻率的穩(wěn)定度來說明，中波發(fā)射機頻率穩(wěn)定度一般要求10－5，三頻同步廣播要求發(fā)射機的頻率穩(wěn)定度為10－8，，單頻網(wǎng)頻率穩(wěn)定度的指標有更高的要求。

穩(wěn)定度分為長期、短期和瞬時。長期一般只一天以上；短期指一天以內；瞬時指秒級及以內。對于同步廣播來說至少用短期穩(wěn)定度才有意義。一般所說的穩(wěn)定度都是指短期。在同步廣播實踐中，一般用穩(wěn)定度指標加上相位噪聲指標，來完整體現(xiàn)頻率指標－穩(wěn)定度的含義。下面討論穩(wěn)定度的指標來中波同步廣播的影響。

表1 同步方式和頻率的關系

表2 頻差在相干區(qū)的聽覺表現(xiàn)

從以上的表中我們可以得出，相鄰發(fā)射機的頻率差小于0.001以下中波同步廣播單頻網(wǎng)才能較高質量的運行。以0.001Hz頻差我們來倒推發(fā)射機的頻率穩(wěn)定度要求，頻率穩(wěn)定度、頻差和標稱頻率的關系為

中波廣播的頻率范圍是531—1602kHz，取中心頻率1000kHz為例計算，這時的δ為10－9，這是中波同步廣播單頻網(wǎng)運行時的最低頻率指標要求。

中波同步廣播單頻網(wǎng)運行時，相鄰的兩個發(fā)射臺的覆蓋重疊區(qū)域，形成相干區(qū)。評價單頻網(wǎng)的運行質量是以確定相干區(qū)的范圍大小以及在相干區(qū)的收聽效果為原則的。相干區(qū)范圍大小的確定，一般以收聽效果有同頻干擾而且收聽音質的綜合評價得到3分為標準進行界定。收聽效果因為有移動收聽和固定收聽兩種方式，主觀音質評價既要結合兩種方式的收聽效果進行音質效果的主觀綜合評價。單頻網(wǎng)相干區(qū)的的音質評價，主要是收聽時主觀聽覺有衰落，我們希望同步衰落越慢越好。同步時，兩列電磁波在相干區(qū)域形成駐波，對于0.001Hz的頻差，其頻率的穩(wěn)定度為10－10，在相干區(qū)產生的衰落時間為1000秒，也就是說在相干區(qū)收聽節(jié)目，經過250秒聲音的大小變化一次。這時在相干區(qū)收聽，對于移動接收，這或許可以忍受。但固定接收，這樣指標難以接受。實驗證明，為了單頻網(wǎng)的高質量運行，衰落時間需要提高一個量級，也就是說，穩(wěn)定度需要提高一個量級，因此中波同步廣播單頻網(wǎng)頻率的穩(wěn)定度要求為10－10。

4 應用

由于廣播信號發(fā)射傳輸和收聽效果的特殊性，要求收聽效果穩(wěn)定和可靠，收聽質量滿意（收聽音質的主觀評價分值在3分以上）。，在中波同步廣播單頻覆蓋網(wǎng)中，要求單頻網(wǎng)中運行的發(fā)射機頻率穩(wěn)定度是10－10以上。頻率穩(wěn)定度達到此值，相干區(qū)的收聽效果可以接受，穩(wěn)定度量級的穩(wěn)定使相干區(qū)域的范圍穩(wěn)定，最終形成的相干區(qū)域范圍穩(wěn)定和收聽效果良好。在實踐中，中波同步廣播采用主從方式進行同步，頻率穩(wěn)定度的穩(wěn)定跟基準源的穩(wěn)定和壓控振蕩器的穩(wěn)定度有關。基準源是取自GPS信號，GPS信號源受到各種因素干擾和制約，不能長期穩(wěn)定工作。當基準源異常時，要求同步激勵器必須具有GPS授時信號可用性的甄別能力，確保溯源跟蹤的有效性。同時，要求內置高穩(wěn)定度的振蕩器，GPS授時系統(tǒng)可用時，內置振蕩器跟蹤GPS，被同步修正；不可用時，內置振蕩器脫離跟蹤同步，進入精度保持狀態(tài)，并且在一個相當長時間內，滿足單頻網(wǎng)對頻率精度的要求。

HQ－10中波同步廣播激勵器就是基于DDS技術，具有信號源甄別和精度保持功能的同步頻率源設備，滿足頻率穩(wěn)定度為10－10而且連續(xù)穩(wěn)定的要求，由此種技術支持的中波同步廣播單頻覆蓋網(wǎng)才能正常穩(wěn)定運行，也才是真正意義上的中波同步廣播單頻覆蓋網(wǎng)。

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