基于ARM的數(shù)字電視射頻信號(hào)功率檢測(cè)器設(shè)計(jì)

0 引言

我國(guó)地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)要采用自主研發(fā)的DTMB/TDS-OFDM頻、時(shí)域處理技術(shù)，其支持高、標(biāo)清電視的不同制式，支持室內(nèi)、移動(dòng)、便攜接收等三種接收方式，支持單頻網(wǎng)和多頻網(wǎng)兩種組網(wǎng)模式，可根據(jù)應(yīng)用業(yè)務(wù)的特性和組網(wǎng)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(hào)的信道功率是衡量網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的重要測(cè)量指標(biāo)，其大小直接決定信號(hào)的覆蓋范圍及某接收點(diǎn)是否能夠正常接收。本文介紹了一種測(cè)量地面數(shù)字電視射頻信號(hào)功率的檢測(cè)器，此檢測(cè)器能夠檢測(cè)數(shù)字信號(hào)的平均功率，真實(shí)反映信號(hào)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(hào)的強(qiáng)弱。測(cè)量模擬電視發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)功率電平時(shí)，使用頻譜儀對(duì)信號(hào)同步脈沖的峰值電平進(jìn)行測(cè)量。因?yàn)檫@里集中了信號(hào)在頻道內(nèi)的主要能量(超過98%)，所以可以認(rèn)為對(duì)載波同步脈沖的測(cè)量可以代表信號(hào)在測(cè)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(hào)的功率強(qiáng)弱。數(shù)字電視調(diào)制信號(hào)類似噪聲，信號(hào)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(hào)以噪聲形式出現(xiàn)，它更像隨機(jī)加入到頻域測(cè)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(hào)強(qiáng)弱。

數(shù)字電視信號(hào)有較高的峰均比，如表1所示。如果測(cè)量中仍測(cè)其峰值功率電平，則測(cè)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(hào)的測(cè)量應(yīng)測(cè)其平均功率。

2 功率檢測(cè)器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

數(shù)字電視射頻信號(hào)功率檢測(cè)器主要由3個(gè)部分組成：帶通濾波器、RF功率檢測(cè)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(cè)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(cè)用專業(yè)的功率檢測(cè)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(cè)模塊組合，分別用來檢測(cè)一個(gè)頻道的RF信號(hào)入、反射功率大小。若系統(tǒng)需要同時(shí)檢測(cè)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(cè)模塊組合及ADC模塊數(shù)量。

耦合而來的RF信號(hào)先進(jìn)入數(shù)字電視射頻信號(hào)功率檢測(cè)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(hào)再送入功率檢測(cè)模塊，檢測(cè)后輸出信號(hào)強(qiáng)度模擬電平，該功率檢測(cè)模塊可以檢測(cè)數(shù)字信號(hào)的真有效值功率，檢測(cè)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(cè)電平轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)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(cè)器的功率檢測(cè)及顯示功能，ARM控制器接收ADC送來的數(shù)字信號(hào)，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(chǔ)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(cè)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(hào)功率過大時(shí)，該保護(hù)電路將會(huì)自動(dòng)限制輸入信號(hào)的功率，達(dá)到保護(hù)后級(jí)檢測(cè)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(hào)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(jí)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(hào)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(hào)便能無損耗地向后級(jí)傳輸;當(dāng)RF信號(hào)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(hào)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(jí)初級(jí)繞阻比為4，因此變壓器即能起到放大信號(hào)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(cè)

3.2.1 均方根檢波器AD8362

AD8362是一個(gè)真有效值功率檢測(cè)器，其檢測(cè)輸出的線性直流電壓正比于輸入信號(hào)功率大小，輸出與輸入信號(hào)的峰均比無關(guān)，具有60dB測(cè)量范圍。它被用于各種不同高頻通信系統(tǒng)和對(duì)信號(hào)功率要求準(zhǔn)確相應(yīng)的儀器中。該芯片簡(jiǎn)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(hào)輸入。被測(cè)信號(hào)的峰值因數(shù)可以高達(dá)6，超過了對(duì)CDMA信號(hào)精確測(cè)量的要求。AD8362能夠測(cè)量射頻信號(hào)的有效值功率，為理想的數(shù)字電視射頻信號(hào)功率檢測(cè)器。

AD8362具有以下特性：1)完全精準(zhǔn)測(cè)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。

AD8362既能用于功放線性控制，也能用于射頻功率檢測(cè)。當(dāng)用于功率檢測(cè)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(duì)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(cè)電路

AD8362提供測(cè)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?cè)鲆婀Ψ诺妮敵?，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(cè)量模式下，AD8362僅檢測(cè)RF的功率大小，VSET腳與VOUT腳短路。本設(shè)計(jì)采用測(cè)量工作模式，檢測(cè)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(cè)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(hào)電平呈線性對(duì)數(shù)關(guān)系(斜率50mV/dB)，對(duì)于輸入信號(hào)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(hào)的功率，PZ(截距)為輸出為0V時(shí)的輸入信號(hào)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(cè)環(huán)境。當(dāng)然，這樣的電路連接也會(huì)降低檢測(cè)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(cè)量可能會(huì)有誤差，因此，需要對(duì)測(cè)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(hào)電平，然后測(cè)量輸出電壓。根據(jù)AD8362線性范圍選擇兩個(gè)輸入信號(hào)電平為PIN1=-60dBm，PIN2=-30dBm，并分別測(cè)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(jí)的雙路，12BIT ADC處理，將檢測(cè)直流電壓變?yōu)閿?shù)字信號(hào)經(jīng)過SPI接口送至MCU主控制器。

3.3 系統(tǒng)控制

整個(gè)功率檢測(cè)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(chǔ)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(cè)程序，并控制檢測(cè)電路對(duì)射頻信號(hào)功率的采集，將功率檢測(cè)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(hào)功率的檢測(cè)結(jié)果了。

4 軟件設(shè)計(jì)

功率檢測(cè)軟件執(zhí)行的流程如圖4所示。系統(tǒng)先初始化功率檢測(cè)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(hào)的入、反射功率檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷是否超過測(cè)量線性范圍，如超過，則顯示超過測(cè)量范圍，此時(shí)可按“重新檢測(cè)”按鈕使系統(tǒng)重新檢測(cè)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(duì)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(cè)”按鈕使系統(tǒng)重新檢測(cè)功率;如未超過，則顯示正常的功率值大小。如果檢測(cè)的功率值正常，

系統(tǒng)默認(rèn)是按周期循環(huán)檢測(cè)，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(cè)”按鈕隨時(shí)停止循環(huán)檢測(cè)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(hào)功率檢測(cè)器能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)測(cè)量地面數(shù)字電視射頻信號(hào)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(cè)手段，提高維護(hù)效率，保障安全播出。本檢測(cè)器檢測(cè)準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定，具有一定的應(yīng)用前景。