穩(wěn)定DX系列中波發(fā)射機(jī)載波頻率的改進(jìn)措施

鄭玉東

國(guó)家新聞出版廣電總局501 臺(tái)，云南安寧 650302

1 概述

DX 系列中波發(fā)射機(jī)是從美國(guó)引進(jìn)的設(shè)備，在中國(guó)有著非常廣泛的應(yīng)用，是我國(guó)大功率中波發(fā)射機(jī)的主用機(jī)型。DX 系列中波發(fā)射機(jī)集成度高，效率高，工作穩(wěn)定，各大技術(shù)指標(biāo)都非常優(yōu)異，均優(yōu)于甲級(jí)，但是其頻偏指標(biāo)卻不盡如人意，甚至達(dá)不到丙級(jí)的要求，這樣DX 系列中波發(fā)射機(jī)的優(yōu)異性能大打折扣。為此我們對(duì)DX 中波發(fā)射的頻率源進(jìn)行改造，用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS）代替晶體振蕩電路，使其頻偏指標(biāo)小于1Hz,達(dá)到甲級(jí)的要求，從而使DX 中波發(fā)射機(jī)整體性能得到提高。

2 DX 系列中波發(fā)射機(jī)原用射頻源介紹

DX 系列中波發(fā)射機(jī)射頻源振蕩器原理圖如圖1(a)所示。該振蕩電路是石英晶體振蕩器，屬于典型的皮爾斯（Pierce）振蕩線路，工作在四倍或八倍載波頻率，輸出經(jīng)4 分頻或8 分頻后，成為發(fā)射機(jī)的載波頻率。晶體Y1 被安裝在套管型的烘箱R1 里，烘箱保持在70℃的溫度。由于石英晶體穩(wěn)定性和品質(zhì)因數(shù)Q 非常高，用它來(lái)控制振蕩器的頻率，可以使頻率穩(wěn)定度達(dá)到10-5-10-6 數(shù)量級(jí)，若采用恒溫控制，則會(huì)更高。

圖1 晶體振蕩器原理圖

圖1（b）是選頻電路等效圖，諧振頻率

因?yàn)镃q/(C0+CL)≤1,用二項(xiàng)式定理展開，取前兩項(xiàng)，

Cq 是動(dòng)態(tài)電容，容量非常小，受溫度影響較大。通過上面公式分析可知，振蕩電路頻率主要取決于晶體串聯(lián)諧振頻率ωq 和晶體Cq，而Cq 也是和ωq 相關(guān)聯(lián)的重要參數(shù)之一，所以說(shuō)Cq 是決定晶體振蕩器頻率穩(wěn)定性的最重要參數(shù)。DX 中波發(fā)射機(jī)振蕩器的晶體沒有恒溫控制，雖然使用烘箱，但電路簡(jiǎn)單，恒溫效果很不理想，隨著室內(nèi)環(huán)境溫度變化，烘箱溫度偏差較大，有時(shí)可達(dá)到十多攝氏度，這樣導(dǎo)致了Cq 和振蕩頻率的變化。經(jīng)我們多次對(duì)發(fā)射機(jī)射頻源頻率24 小時(shí)跟蹤測(cè)量，發(fā)現(xiàn)凌晨氣溫低時(shí)，頻率偏差為正值（最大+4Hz）,下午氣溫高時(shí)，頻率偏差為負(fù)值（最大-7Hz）。

按照廣播電影電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《中短波廣播發(fā)射機(jī)技術(shù)要求和測(cè)量方法》中的要求，中波發(fā)射機(jī)頻偏指標(biāo)甲級(jí)≤1Hz, 乙級(jí)≤3Hz，丙級(jí)≤5Hz，可以說(shuō)，DX 系列發(fā)射機(jī)頻偏指標(biāo)已經(jīng)不入級(jí)了，非常有必要對(duì)DX 中波發(fā)射機(jī)射頻源進(jìn)行改造。

3 直接數(shù)字頻率合成技術(shù)對(duì)穩(wěn)定中波發(fā)射機(jī)頻波頻率的改進(jìn)

直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（Direct Digital Frequency Synthesis簡(jiǎn)稱DDS），不僅不同于晶體振蕩器，也和傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)有著本質(zhì)的區(qū)別。傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)分為間接合成法（鎖相環(huán)PLL 合成法）和直接模擬合成法。間接合成法是利用鎖相環(huán)（PLL）技術(shù)對(duì)頻率進(jìn)行四則運(yùn)算，產(chǎn)生所需要的頻率，在國(guó)產(chǎn)中波發(fā)射機(jī)射頻源中有著廣泛的應(yīng)用；早期的直接模擬合成法是利用倍頻、分頻、混頻和濾波得到所需要的頻率。DDS是一種先進(jìn)波形產(chǎn)生技術(shù)，,從“相位”的角度來(lái)直接合成頻率，具有非常高的頻率準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，可以非常方便的輸出不同的頻率信號(hào)，而且可以控制波形的初始相位，通常將它視為第三代頻率合成技術(shù)。

3.1 DDS 的工作原理

圖2 DDS 結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 為DDS 結(jié)構(gòu)原理圖。由于正弦波信號(hào)為一個(gè)非線性的函數(shù)，想要通過電路直接得到一個(gè)正弦波信號(hào)，第一步要把正弦波信U=sinωt 的波形量化為數(shù)字信號(hào)，接著把ωt 作為地址參數(shù)，把U 作為需要讀取的數(shù)據(jù)參數(shù)，按一定的順序存到存儲(chǔ)器中。DDS 使用相位累加技術(shù)控制波形存儲(chǔ)器的地址，根據(jù)參考信號(hào)fc 的時(shí)鐘脈沖,N 位累加器將頻率控制字K 循環(huán)累加，把相加后的結(jié)果作為取樣地址送入波形表，最后從存儲(chǔ)器的波形表中找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。量化的波形數(shù)字信號(hào)經(jīng)過D/A變換得到模擬形式的正弦波輸出，由濾波器濾除高次諧波，即可得到由頻率控制字決定的正弦波。

3.2 直接數(shù)字頻率合成器AD9951

圖3 AD9951 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

我們采用的DDS 器件為Analog Devices 公司生產(chǎn)的AD9951。AD9951 是高集成度的DDS 集成電路，內(nèi)含可編程DDS 系統(tǒng)和快速比較器，能實(shí)現(xiàn)程序控制的頻率合成。AD9951 在準(zhǔn)確的時(shí)鐘頻率觸發(fā)下，輸出高可靠性，且頻率和相位由程序控制的正弦波。

AD9951 的主要性能如下：內(nèi)部時(shí)鐘頻率400 MHz；集成化14 位D/A 輸出；32 位頻率轉(zhuǎn)換字；良好的動(dòng)態(tài)性能；4～20倍可編程參考時(shí)鐘倍乘器；支持5 V 數(shù)字輸入；具有相位調(diào)整功能；可以在-40 度到+105 度工業(yè)溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。

圖4 中波直接數(shù)字頻率合成器原理圖

3.3 中波直接數(shù)字頻率合成器設(shè)計(jì)

圖4 是中波直接數(shù)字頻率合成器原理圖。硬件電路以AD9951 為核心部件。AD9951 需要一定的外部控制電路來(lái)完成其功能，由于 單片機(jī)性價(jià)比高，功能靈活，易于人機(jī)對(duì)話，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，而且編程方便，所以選用單片機(jī)AT89C52作為控制器件。

單片機(jī)功能有：片選(CS)、傳送頻率控制和相位控制數(shù)據(jù)、數(shù)字信號(hào)處理、I/O 信號(hào)控制等。AD9951 存儲(chǔ)器按照要求設(shè)置好后，產(chǎn)生預(yù)定頻率的正弦波，振幅為200 毫伏。合成的正弦波中含有一定的諧波成分，需要經(jīng)過濾波器濾波，最后得到干凈的信號(hào)，該信號(hào)送到放大器，放大到需要的幅度。

DDS 輸出頻率是發(fā)射機(jī)載波頻率的四倍，所以要四分頻處理，由于DX 系列發(fā)射機(jī)射頻源需要的是方波，故還要經(jīng)過波形整形，方可得到所需方波。

頻率合成器加電時(shí), 單片機(jī)AT89C52 啟動(dòng)AD9951，并立即對(duì)面板的顯示電路進(jìn)行初始化，正常后向AT89C52返回指令。單片機(jī)將內(nèi)部存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)送到面板指示，同時(shí)把指示的信息轉(zhuǎn)為頻率控制數(shù)據(jù)和相位控制數(shù)據(jù)，送到AD9951 中，輸出一定頻率的信號(hào)。最后執(zhí)行按鍵程序，若有鍵盤被有效按下，則單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的程序。

本系統(tǒng)中，關(guān)機(jī)斷電時(shí)的數(shù)據(jù)在下次開機(jī)時(shí)要重新調(diào)用，所以要能夠方便重新調(diào)用保存下來(lái)的頻率信號(hào)；另外，中波直接數(shù)字頻率合采用外接晶振，外接晶振的穩(wěn)定性決定了頻率合成器輸出頻率的精度和穩(wěn)定度，而實(shí)際使用的晶振是有一定誤差的，允許用戶根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行頻率校正并保。

因此，系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)的斷電保存非常重要。

該系統(tǒng)軟件采用混合語(yǔ)言在KEILC 軟件下編寫。計(jì)算頻率控制字的函數(shù)由匯編語(yǔ)言編寫，其他的用C 語(yǔ)言編寫。

程序采用模塊化編程，具體有：執(zhí)行各種初始化工作和循環(huán)判鍵工作的主程序，執(zhí)行用戶輸入所需各種頻率的鍵盤中斷管理程序，執(zhí)行掉電數(shù)據(jù)保存的通信程序，以及顯示程序，計(jì)算頻率控制字程序等。每個(gè)模塊由獨(dú)立的一個(gè)程序來(lái)完成。

4 主用、備用射頻源自動(dòng)切換電路設(shè)計(jì)

我們將DDS 合成器設(shè)置為發(fā)射機(jī)主用射頻源，晶振射頻源設(shè)置為備用射頻源，并且增加了主用、備用自動(dòng)切換電路，當(dāng)主用的DDS 頻率合成器因故障沒有輸出時(shí)，電路自動(dòng)切換到備用上，大大增加了發(fā)射機(jī)射頻源的可靠性，減少了停播時(shí)間。

圖5 射頻源自動(dòng)切換電路

圖5 為射頻源自動(dòng)切換電路圖。CD4066 是數(shù)控開關(guān)芯片，有輸入腳、輸出腳和控制腳。

當(dāng)控制腳為高電平時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)控制腳為低電平時(shí)，開關(guān)截止。CD4066 開關(guān)可傳輸模擬信號(hào)的上限頻率為40MHz，遠(yuǎn)大于中波頻段的上限。

當(dāng)數(shù)字頻率合成器輸出正常時(shí)，CR3、C15、R9 將U5-5腳鉗位在低電平，U5-4 腳輸出保持高電平，U5-15 腳輸出保持低電平，這樣U1 的1、2 腳導(dǎo)通，4、3 腳截止，選擇數(shù)字頻率合成器的輸出信號(hào)。一旦數(shù)字頻率合成器出現(xiàn)故障，U1的1、2 腳截止，4、3 腳導(dǎo)通，選擇晶體振蕩器的輸出信號(hào)。

5 結(jié)論

通過改造，將發(fā)射機(jī)主用載波射頻源改為直接數(shù)字頻率合成器，提高載波頻率穩(wěn)定性，將發(fā)射機(jī)原用晶振射頻源作為備用射頻源，主用和備用射頻源自動(dòng)切換，提高了發(fā)射機(jī)射頻源的可靠性。

改造后，經(jīng)測(cè)試，發(fā)射機(jī)工作穩(wěn)定，頻偏優(yōu)于甲級(jí)，各項(xiàng)指標(biāo)正常。在人為斷開主用射頻源信號(hào)的情況下，主備切換迅速，為確保DX 系列發(fā)射機(jī)的“三滿”播出提供有力的技術(shù)保障。

[1]高吉祥主編.高頻電子線路.1766，2003.

[2]DX型大功率中波發(fā)射機(jī)維護(hù)手冊(cè).國(guó)家廣播電影電視總局無(wú)線電臺(tái)管理局.

[3]TSD-10發(fā)射機(jī)原理圖.上海明珠廣播電視科技有限公司.