（信号与信息处理专业论文）基于fpga的广播覆盖效果监测记录仪设计与研究.pdf

硕士论文基于f p g a 的广播覆盖效果监潮记录仪设计i j 研究 摘要 本文通过分析国内外广播覆盖效果监测记录装置的发展现状，针对我国当前广播 部门的要求和工程实际问题，研制了一种基于f p g a 技术的新型广播覆盖效果监测记 录装置。 论文完成了基本的硬件电路设计、f p g a 控制与转换电路的设计和主控计算机软 件设计。 硬件设计方面，根据广播系统中数据采集和处理的实际特点，采用收音模块对接 收到的广播信号进行接收、预处理等操作；采用f p g a 控制多路选择器的方式进行多 通道的切换；用f p c , a 控制双路a d ( m a x l l 0 8 ) 以及语音编解码芯片t l c 3 2 0 a d 5 0 c 进 行数据采集；同时使用f p g a 实现其他控制和转换功能；通讯部分f p g a 先用姒x 3 2 3 2 e 将t t l 电平转换为r 8 2 3 2 电平，然后与主控计算机连接，最后主控计算机通过m o d e m 与远程主机进行通讯。 f p g a 设计方面，系统通过对f p g a 的编程实现了a d 控制、f i f o 、分频、串并 转和异步串口u a r t 等功能。 主控计算机完成远程通信和参数计算等功能。 论文的最后总结了f p g a 调试方法的选择和注意事项，并且分析了系统的误差。 关键词：广播监测，覆盖效果，f p g a ，场强，调幅度 颂士论文 基于f p 6 a 的广播覆盖效果监测记录仪设计与研究 a b s t r a c t b ya n a l y z i n gt h es i t u a t i o n so fi n s p e a i n ga n dm c m o r i z 趣s y s t e mf o rr a f l j l oc o v e r a g e e f f e c to fh o m ea n da b r o a d ，a n da i m i n ga tt h ed e m a n do fb r o a d c a s td e p a r t m e n ta n dt h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，w ed e s i g n e dt h ee q u i p m e n tf o rr a d i oc o v e r a g ee f f e c tb a s e do n f p g a t h eh a r d w a r ef r a m ea n dt h em e t h o d st oi n s p e c ta n dc a l c u l a t et h ep a r a m e t e r sa g e m a i n l yd i s c u s s e di nt h i st h e s i s w i t hr e g a r d st ot h eh a r d w a r ed e s i g n ，w eu s e dr a d i o g r a mt or e c e i v ea n dp r e t r e a tw i t h b r o a d c a s t ；w eu s e df p g at oc o n t r o ls w t c h e r s ，w h i c h 锄r e a l i z em u l t i c o m m u t a t i o n ；w e u s e dm a x l l 0 8a n dt l c 3 2 0 a d 5 0 ct os a m p l es i g n a l s ；a n dw ea l s ou s e df p g a t or e a l i z e o t h e rc o n o o lf u n c t i o n ；t h ec o n t r o l l i n gc o m p u t e ：rr e a l i z es o f td e s i g n ；t h ec o m m u n i c a t i o n p a r to f t h i ss y s t e mp r o v i d e st h ei n t e r f a c et ot h eu s e r ，w ec 孤c o m m u n i c a t ew i t ht h er e m o t e c o m p u t e rt h r o u g hm o d e m w i t hr e g a r d st ot h es o f t w a r ed e s i g n ，w eh a v er e a l i z e dt h ec a l c u l a t i o no fp a r a m e t e r s a n dt h er e m o t ee o m m t m i c a t i o np a r ti ns o f t w a r ed e s i g n a tt h ee n do f t h i sp a p e r ，ia n a l y z et h ee r r o ro f t h i ss y s t e ma n dt h em e t h o d so fd e b u g k e y w o r d s ：b r o a d c a s ti n s p e c t i n g ，f i e l di n t e n s i t y ，d e g r e eo fa m p l i t u d e ， m o d u l a t i o n ，f p g a i l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：笾坌 御年7 ，月f 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 扛婶年7 月f 日 硕士论文基于f p 6 的广播覆盖效果监铡记录仪设计与研究 l 绪论 i i 广播监测技术简介 广播监测技术【i 】是指通过客观测量和主观评价，如实反映广播节目播出质量和 效果的过程。广播监测是广播电视事业的重要组成部分，是广播电视事业建设的基 础性工作，是行使广播电视政府管理职能的组成部分，是科学管理的现代化手段， 是自我监督机制的耳目和助手，是各级广播电视行政主管部门和电台技术质量评 比、评判的依据：是维护广播电视空中电波秩序、保护用户权益、改善广播电视覆 盖效果不可或缺的手段。 广播监测的主要作用是对覆盖效果进行监测，保证广大听众良好收听。广播 是一项系统工程，广播节目从采编到录制，从制作到播出，从传输、发射到接收， 由许多环节构成，在这诸多的环节中，每处都可能出现影响听觉质量的因素。由于 主观的、客观的、人为的、外在的各种因素的影响，可能出现播出差错造成停、 劣播情况。比如：值班员没有按时开机，节目没有及时播出去，出现迟播情况；节 目没有结束，而值班员提前误关机；发射机维修之后，高压未从假负载切换到天线， 造成信号没有发射出去等等。类似这样的情况，播出和发射部门都是不易发觉的， 这就需要依靠监测记录装置。监测记录装置能够及时、准确地反映广播从播出到接 收过程中出现的故障，反映服务区内的收听情况和广播的覆盖效果，为领导和主管 部门技术决策、科学管理提供可靠依据和准确数据【j j 。 1 2 国内外的研究现状 广播监测技术不只是单一的技术，而是为了完成特定的目标而采用的若干技术 的集成应用。总的来说，与监测技术的发展有关的主要有电子技术，计算机技术， 网络技术等。网络技术的发展使得远程数据传递成为可能，我们可以预见，未来随 着新工艺，新材料的不断发展，监测技术的表现形式将会出现新的变化。 由于国内外广播行业在运营体制，设备使用等方面均存在较大的差异，因此监 测在国内外的实际应用也是大不相同的。国外使用设备自动化程度非常高，已经全 面进入数字化，网络化时代，设备本身往往具备完善的自动化遥控，遥测功能，再 加上市场化运作的体系，各媒体只需各自负责，不需要第三方的监测，运行管理中7 政府介入不多，因此播出运行与监测往往是一体的。目前，德国、美国等国家在此 方面做得非常出色。 以德国的德国之声的广播监测工作为例( 4 1 ，德国之声的工程师经过4 年的研究， 1 硕t 论文基于f p g a 的广播覆盖效果监测记录仪设计与研究 研制出两套遥测、遥控监听系统：一种为i c o m 遥测、遥控监测系统；另一种为 r a d p h o n e 遥控监听系统。两种遥测、遥控监测、监听系统构成以德国之声本部 为中心辐射世界各地的监测网络，如图1 2 1 所示： 北京澳大利亚 图1 2 1 德国之声遥测、遥控监测、监听系统网 我国从五十年代起，就开始了广播监测工作。当时，只局限于部属的几个监测 台，主要监测中央直属发射台的播出质量和广播频段的频谱负荷。各省的监测工作 还没有普遍开展起来。 近年来，随着广播事业的迅速发展，对无线电频谱的管理和广播播出质量的监 测任务，越来越突出地显示出来。于是，广播监测工作开始从无到有、从小到大、 从简陋到完善、从主观监听到使用比较先进的自动化监测设备，一步步地发展起来。 但是，我国目前的广播监测业务还停留在人工静态地测量，主观评价的阶段， 各单位设备使用方面参差不齐，自动化程度不高是普遍现象。 1 3 本课题研究的意义 我国的广播事业已经建成了由调频广播( 波段8 8 m l - i z 1 0 8 m h z ) ，调幅广播( 波 段5 3 5 z 1 6 5 0 k h z ) 等组成的广播传输覆盖体系。随着数字化技术的发展，广 播电台除了大力进行播出的数字化改造，努力提高节目内容和节目形式的可听性 外，还希望提高播出信号的覆盖面，掌握信号的发射质量。然而随着广播信号覆盖 面的扩大，电台如何及时了解播出的信号质量，有效的进行播出监控，成为了各电 台目前工作中的难点，也是新时期广播业务发展中的一个新课题。 近年来，江苏省广播电视总台为了扩大信号覆盖面，在全省范围内增设了众多 的发射站点，特别是交通广播网实现了全省的同频广播，取得了良好的社会效益和 经济效益。不过，由于缺少有效的监督手段1 7 j ，往往不能及时地了解各地的广播信 号状态，需要人工进行实地巡检，或者通过各地的通讯员进行信号的监听，这些手 段不但成本高，而且不是连续监控，并不能全面地反映各地广播信号的实际情况。 本系统的研制就是为了解决这一问题而提出来的，它由监测中心和各市、县的监测 站组成，系统要求能够实现对广播的实时监控和信息发布，并为辅助决策提、供必要 2 硕士论文基于f p g 的广播覆盖效果监铡记录仪设计与研究 的条件。广播监测主要体现为实时测量各监测站的调幅度、场强等重要参数，同时， 需要及时、准确地反映广播从播出到接收过程中出现的故障，反映服务区内的收听 情况；在出现故障时，系统还需及时向转播站反馈，并能根据远程主机的要求传输 其所需的参数。从而获得全省广播覆盖效果的具体情况，实现对全省各地广播效果 的监测。 1 4 本课题的主要研究内容 本论文主要针对广播的特点进行广播覆盖效果监测记录仪的研制，解决现代监 测记录装置存在的问题和满足江苏广播电台的实际需要。本论文着重研究以下内 容： ( 1 ) 广播覆盖效果监测方法研究。 ( 2 ) 调幅、调频广播主要参数的采集和处理。 ( 3 ) f p g a 对调幅、调频信号的控制和转换功能。 ( 4 ) 监测记录仪远程通讯的实现。 硕士论文基于f p g 的广播覆盖效果监测记录仪设计与研究 2 广播监测系统原理概述 2 1 调幅、调频广播信号的特点 调幅广播的频率范围为5 3 5 k h z 1 6 5 0 z ，调频广播的频率范围为8 8 m h z 1 0 8 m h z i l l 。调幅、调频广播是将音频信号调制到载波频率上，通过发射机的天线 辐射到空中，在电台的覆盖范围内，都可以用收音机收到广播。 。 在我国，一般收音机灵敏度为3 m v m ，中级型为l m v m ，高级收音机为 0 1 m v m 。收音机调幅广播中频为4 6 5 k h z ，中波频率间隔为9 k h z ，带宽一般在 4 5 k h z 6 k h z 左右，而调频广播的中频为1 0 7 m h z ，频道间隔为2 0 0 k h z ，带宽 为1 5 0 k h z 2 0 0 舷，频偏为7 5 k h z 。 表2 1 1 是江苏省部分电台的频率对照表，由此可以看出，调幅广播之间的间 隔都是9 k h z 的倍数，调频广播是2 0 0 z 的整数倍。 表2 1 1 江苏省部分电台的频率对照表 电台名称频率 江苏人民广播电台经济台 5 8 5k h z 江苏人民广播电台综合台 7 0 2k h z 江苏文艺台 1 0 5 3k h z 江苏文艺台 9 7 5 删z 江苏音乐台 8 9 7 删z 江苏金色调频台 9 9 7 哪z 2 2 广播参数的测量原理与计算方法 2 2 1 场强的测量原理和计算方法 中短波广播的发射、接收的原理，一般人都明白，可是广播发射机所发射的空 中信号在某一处信号有多大，此处的收音机是否能收到，这就涉及到该点的场强及 场强测量问题，一般人是不关心的，但对于广播电台来说，他必须知道自己台的覆 盖范围、收听效果，所以必须进行场强测量【1 3 】。场强是调幅广播最重要的技术指标 之一，它的大小直接影响广播的收听效果。 4 硕士论文基于f l e a 的广播覆盖效果监测记录仪设计与研究 场强【5 1 是电场强度的简称，它是天线在空间某点处感应电信号的大小，以表征 该点的电场强度。其单位是微伏米( u v m ) ，为方便起见，也有用d b u v m ( o d b = l u v ) 。 场强的测量如图2 2 1 所示： 图2 2 1 场强的测量原理图 由此可见，场强与接收天线增益( g a ) 、接收天线有效长度1 e 、接收馈线损耗、混 频、中放及均值模块对均值电压的放大倍数以及均值检测电路输出的均值大小( y ) 有关。 当标准测量天线为半波对称振子时，天线有效长度1 e = 丌，忽略天线损耗， 天线最大接收电压( 在7 5 q 负载电阻上的终端电压) 为 v = 三e 兰 ( 2 2 1 ) 二刀 用d b 表示，接收电压电平为 v = e + 2 0 1 0 9 ( 兰) - - 6 ( 2 2 2 ) 万 则接收点场强为 一e = 一v - - 2 0 1 0 9 ( 生) + 6 石 = v + k ( 2 2 3 ) 式中，k 称为天线校正系数。 ， k = 6 - - 2 0 1 0 9 ( 2 )( 2 2 4 ) 万 式中，k 称为天线校正系数。 实际测量中，天线输出端和测试装置之间还需要接入平衡变换器和同轴电缆， 引入插入损耗。这些插入损耗也可一并计入天线校正系数中。由于在本设计中，天 线、接收馈线和放大倍数已经固定，因此，可以得出场强的计算公式： e = 2 0 1 9 v + c( 2 2 5 ) e 为场强( d b l a v m ) ； 矿为均值检测电路输出的音频直流分量( v ) ； c 为换算校正值( 在开机时通过按键输入) 。 5 硕士论文 基于f p ( ；a 的广播覆盖效果监测记录仪设计与研究 2 2 2 调幅度的测量原理和计算方法 调幅度【1 2 】是调幅信号测试过程中的一项重要指标，无论是对设计生产部门还是 运行使用单位来说都是非常重要的。它对广播覆盖面积信噪比、能源的利用率等各 方面都有直接的影响。在发射机的功率容量不变的前提下，能够正常收听广播区的 面积( 称为广播覆盖面积) ，随调幅度的增大而增大，在发射功率、收听距离等不变 的条件下，收听的效果( 主要指信噪比) 随着调幅度的增大而改善。在广播覆盖面积 和收听效果不变的条件下，随着调幅度的增大所需消耗的电能减小。调幅度与调幅 广播的效果、能耗有着密切的关系。 已调幅信号可以表示为 s ( t ) = a 。川t ) c o s 吐t( 2 2 6 ) 其中，a 。为载波振幅，致为载波角频率，f ( t ) 为调制信号。 可以证明，已调幅波经理想解调器解调以后，输出信号功率为s 0 = f 2 0 ) ，若f ( 0 为单 一频率的正弦波，a p f ( t ) = a e z o s q t ，则其解调后输出信号功率为 so = 厂2 0 ) = 小。2o o s 2 = 去4 2 所。2 ( 2 2 7 ) 对于实际的情况，f ( 0 为随机的音频信号，不可能写出确切的表达式。此时，可 定义平均调幅度瓦。在载波电平相同的条件下，若随机信号调制产生的已调幅波 与单频调制的已调幅波，两者经解调后输出的音频信号功率相等，则可认为随机信 号调制的已调幅波的平均调幅度就等于单频调制的调幅度。 根据定义，由式( 2 2 8 ) 可得 s o = 厂2 ( f ) = ：14 2 肌。2 ( 2 2 8 ) 或改写为 瓦：车厢 ( 2 - 2 2 9 ) m 。2 _ 、，。 【厶w 以c 可用式( 2 2 9 ) 来直接定义随机信号的平均调幅度。 2 3 广播监测系统的基本构成 随着广播事业的发展，广播的新型播出机制要求是：一方面主持人直播节目的 比例增大，使德节且播出的人为控制影响因素增大。另一方面，由于全天2 4 小时 播出。广播在各地方台的覆盖效果如何，是否有停播状况等，都需要采取措施，完 善和提高广播信号接收的监测和报警系统的功能，以保证广播播出的技术质量，确 保广播信号的覆盖率，正常进入千家万户。广播监测系统如图2 3 1 所示： 6 硕士论文基于f p g a 的广播覆盖效果监铡记录仪设计与研究 广 广播监测记录仪 图2 3 1 广播监测系统的构成 整个广播监测系统讲l 由两部分组成：远程控制中心和前端广播信号监测记录仪 部分。他们通过通信网络进行数据和命令的交换。通信网络是整个监测网的神经， 可以是独立的专网，也可以是互联网( 指国内具有互联功能，提供接入服务的广域 网1 。独立的专网是指线路自建或租用的专线。各地放置的广播监测记录仪负责实时 采集广播信号，处理接收的音频和载波信号，对参数进行计算。它能够进行全天2 4 小时无人状态下的自动监测报警，记录数据。而控制中心是高一级的智能化监管系 统中心，可以通过功能强大的图形化的控制界面，控制所有远程监测点的监测功能， 以及自动接收终端传回的监测数据，各监测点监测数据、图表可在中心进行打印， 作为监测报告的重要依据。 本论文针对前端广播监测记录仪的要求，主要研究智能型广播监测记录仪的设 计与实现。该记录仪能够实时接收上级监测系统的指令，对广播信号进行一对一的 监测，并对接收到的信号进行预处理，使其成为可以进行参数测量的信号，提取出 场强参数和调幅度参数送入主控计算机处理，对广播的覆盖效果进行监测，并记录 出现停播、劣播频段的相关信息。广播监测记录仪是实现对广播信号进行自动监测 的关键，是实现智能监测广播覆盖效果的主要组成部分。 7 硕士论文基于f p g a 的广播覆盏效果监测记录仪设计与研究 3 广播监测系统的设计方案 3 1 系统原理及框图 根据广播监测记录仪的功能，测试系统由四个部分组成，如图3 1 1 所示： i 收音及预处理部分卜_ ! 监测 单元 c p u 。i 示丰早浦；羽害i 律 采集 部分 部分 i 收音及预处理部分b 图3 1 i 广播监测系统的组成 收音及预处理部分：接收稳定、纯净的调幅和调频广播信号( 收音芯片可以通 过方便的操作，选择不同频段并具有记忆功能) ，然后对收音芯片接收的广播信号 进行放大、检波、滤波等处理，生成符合后续处理要求的低频语音信号，音频直流 分量和载波直流分量。 监测单元采集部分：完成对多通道、多模拟信号的采集，将模拟信号转换成数 字信号，以便于f p g a 的后续处理。 c p u 部分：c p u 单元是整个测试仪的核心器件，c p u 包括f p g a 和主控计算 机两部分，f p ( 3 a 实现a d 转化器的控制以及逻辑控制等功能；要具有足够多的v o 口，较侠的处理速度等；主控计算机完成参数计算等功能。 远程通信部分：远程通信主要有主控计算机来完成，完成监控单元与远程主机 的数据传输功能，包括系统有报警信号产生时主动向远程主机传输报警信息、响应 远程主机的呼叫等，并将系统目前故障参数传输给远程主机。 3 2 广播监测记录仪的设计 3 2 1 广播监测记录仪的设计要求 智能型广播监测记录仪就是用来监测广播台在各地的播出质量与覆盖效果，具 体设计要求如下： ( 1 ) 可同时对至少8 个广播信号进行监测，实时采集和处理广播信号。 8 硕士论文 一 基于f p 6 的广播覆盖效果监测记录仪设计与研究 ( 2 ) 准确取出场强、调幅度等参数，通过主控计算机计算参数，准确反映当地 广播信号覆盖情况。 ( 3 ) 具有停播监测功能，当监测到某个电台停播时，可及时存储停播电台的频 率和停播起始时间。 3 2 2 监测记录仪的收音板电路和监测系统框图 监测记录仪的单个收音板电路【9 】框图如图3 2 1 所示： 图3 2 1单个收音板电路框图 收音及预处理部分通过收音机模块将接收到的调幅信号进行混频、中频放大后 得到4 6 5 k 调幅的中频信号，调频信号经过鉴频后得到1 0 7 m 的中频调幅信号，手 动调谐收音芯片使接收a m 或f m 信号。该中频信号通过半波整流、取均值等操作 可以获得载波直流信号；同时经过检波、均值电路可获得音频信号和音频直流分量。 并将获得的三路信号送至后续处理电路处理。 监测系统框图如图3 2 2 所示，后续处理电路主要完成对八个收音及预处理通 道的采集和处理，它通过f p g a 来选择八个通道的信号依次送至采集电路( 每次一 个通道三路信号) 。f p g a 同时控制a d 的采集，且把采集后的数据送到主控计算 机进行参数计算并判断当前的工作状态，在出现故障时及时报警。 9 硕士论文基于f p ( ；a 的广播覆盖效果监测记录仪设计与研究 q 生 f p g a 4 k 双路a d 转换器， 图3 2 2系统框图 1 0 硕士论文基于f p 6 a 的广播覆盖效果监测记录仪设计与研究 4 广播监测记录仪的硬件设计 4 1 硬件设计准则 广播监测记录仪的硬件设计围绕其功能进行，同时要求遵循以下准则： ( 1 ) 硬件合理划分：系统的软硬件功能分配要根据系统的要求而定，提高硬件 功能的比例可以提高速度、减少所需的存储量，有利于监测和控制的实时 性。相反，提高软件功能的比例可以降低硬件的造价，提高灵活性和适应 性，但相应速度要下降，软件设计费用和所需的存储器容量要增加。划分 的原则是在满足系统实时性及可靠性的前提下，系统功能尽可能用软件来 实现。 ( 2 ) 简化设计：硬件设计时尽可能选用集成电路，少用分立元件，这样有利于 提高系统的集成度，减少元器件之间的连线、接点和封装数目，从而大大 提高系统工作的可靠性。 ( 3 ) 模块化设计：硬件设计根据预期实现的功能划分为若干功能模块，尽可能 选用模块化结构的典型电路，各模块间的联系力求松散，以便于硬件发生 故障时的检修。 ( 4 ) 防干扰设计：监测记录装置工作现场环境比较恶劣，在硬件设计时必须具 体分析可能的干扰来源，并采取相应的硬件抗干扰措施来抑制干扰，以增 强自身工作的稳定性。 4 2 各部分电路介绍 4 2 1 收音及预处理部分 ( 1 ) 收音机模块 收音模块是整个系统的信号接收部分，它的精度直接影响最终结果的准确性。 在选择收音机模块时必须考虑收音机的频率范围、频率间隔、灵敏度、频率调谐及 选择性等方面的指标。 在本设计中采用了日本先锋公司生产的f m a u 数字石英振荡接收机f - 2 0 8 ，该 接收机的调谐器部分的重要参数如下： ( d a m 测量的频率范围为5 3 5 9 n z 至1 6 5 0 k h z ，覆盖了整个中波范围，频率间 隔为9 圈眨：f m 测量的频率范围为8 7 5 m n z 至1 0 8 g 2 ，频率间隔为2 0 0 k h z 。 硕十论文基于f p g 的广播覆盖散果监铡记录仪设计与研究 a m 灵敏度为3 5 0 u v m ，能满足场强、调幅度等参数测量的要求；f m 灵敏度 为1 3 2 d b f ，能满足f m 调频指数的要求。 信噪比为5 1 d b ，可以为后续处理提供较纯净的信号。 具有良好的选择性。 o 采用环形天线，该天线具有方向性、天线系数固定等优点，使得寻找电台容 易。 在正常工作时，功耗为1 0 w - 在待机模式下，功耗仅为1 w 。 数字石英振荡接收器f _ 2 0 8 采用的核心芯片是b a l 4 5 0 s ，它是一块电调谐f m 删 接收器集成电路。其内部结构如图4 2 1 所示： 图4 2 1b a l 4 5 0 s 内部结构图 f - 2 0 5 的操作非常方便，它提供了多种调谐方式，使得电台的选择非常方便。 手动调谐方式。选择手动调谐方式后，操作人员可以通过t u n i n g 旋钮搜索 需要的电台。 圆自动调谐方式。选择自动调谐方式后，操作人员旋转t u n i n g 旋钮，收音机 就会根据旋转的方向自动选择最近的电台。 预置电台调谐方式。f - 2 0 8 支持对多达3 0 个电台的预置，并可使用4 个文字， 存储所选择的1 至3 0 个预置电台的名字。在预置电台调谐方式，通过s t a t i o n c a l l 按钮进行选择所需的电台。 广播监测记录仪首次在监测地点开始工作时，工作人员可以通过f 2 0 8 的操作 面板对要测试的频段进行设定和存储，这样下次再开机时测试仪即可自动接收设定 好的频段的广播信号，自动对该频率迸行监测。本设计引出进入b a l 4 5 0 s 的1 8 脚 的a m 中频信号和l 引脚的f m 中频信号，提供给下一步广播信号处理模块进行信 号的处理。 硕士论文基于f p g a 的广播覆盖效果监测记录仪设计与研究 ( 2 ) a m 中放模块 由于收音机模块内部中放检波之后，输出的语音信号不具有直流分量，不能用 于广播参数的计算，因此，本设计直接引出收音机模块内部的中频信号，并通过外 部中放、检波电路提取需要的信号。 外部中放检波模块的原理基本与收音机内部的中放检波模块相似，如图4 2 2 所示： 图4 2 2 外部中放检波模块原理框图 直接从收音枫模块内部引出中频信号必须考虑输出阻抗匹配的问题，本设计中 采用了电压跟随器进行阻抗匹配。电压跟随器的输入阻抗大，不会对中频信号产生 影响。放大器用宽频放大器a d 8 t 8 ，电压跟随器的原理图如图4 2 3 所示： 图4 2 3电压跟随器 由收音机混频输出的中频信号比较微弱( 一般为m ，级) ，为了保证检波以及后 续处理的准确性，我们在检波前必须对其放大( 一般放大到l 3 v ) 。中放模块采 用了宽带放大器a d 8 1 8 ，a d 8 1 8 由于具有功耗低、线性及相位畸变小、驱动能力 强等特点而被广泛使用。中放模块如图4 2 4 所示： 图4 2 4 中频信号放大器电路图 硕士论文基于f p 6 a 的广播覆盖效果监测记录仪设计与研究 由于收音机中频为4 6 5 k h z ，而语音的带宽一般为o 3 4 k h z 。因此中频信号 中的有效频段为4 6 1 6 4 6 8 4 k h z ，为了剔除其它频段的干扰信号我们采用了 l t p 4 6 5 a 型陶瓷滤波器，其主要参数如表4 2 1 所示： 表4 2 1l t p 4 6 5 a 型陶瓷滤波器的主要参数 型号中心频6 分贝选择性选择性阻带衰减插入 率偏差带宽 f o 一9 k h zf o + 9 k h zf o 1 0 0 五+ 1 0 0 衰耗 ( k h z ) ( k h z ) ( d b ) ( d b ) ( k - z ) ( d b ) l 1 陪4 6 5 a垃7 1 35 54 5 1 5 55 ( 3 ) f i v l 频幅处理电路 由于已调波信号在发送、传输和接收的过程中，不可避免地受到各种干扰。有 些干扰会使已调波信号的振幅发生变化，产生寄生振幅。调幅信号上叠加的寄生调 幅很难消除。由于调频信号原本是等幅信号，故可以先用限幅电路把叠加的寄生调 幅消除，使其重新成为等幅信号，然后再鉴频。 本设计中采用双晶体二极管瞬时限幅电路1 1 0 1 ，电路原理如图4 2 5 所示： 臣 z2 叫 马 + 码 一 岣 一厂 乡7 o ( b ) 图4 2 5双二极管瞬时限幅电路 由图( a ) 可见，当输入电压v i 的绝对值小于晶体二极管导通电压时，晶体 二极管截止：而当输入电压绝对值大于晶体二极管导通电压时，晶体二极管导通， 因此画出的吃随吒变化的特性有三段折线组成，如上图( b ) 所示。图中当iki 的两段折线斜率 远小于对应于ikl 的两段折线斜率，这样，当输入端作用到振幅大于的正弦 波时，输出电压波形就将近近似变为上、下顶部被削平的方块。 从限幅器出来的信号输入带通滤波器滤波】，带通滤波器调谐于载频，带宽于 1 4 硕士论文基于f p g 的广播覆盖果监测记录仪设计与研究 调频信号带宽相同，于是可以从宽度不同的信号中重新恢复等幅信号，消除了寄生 调幅的影响。该带通滤波器的电路如图4 2 6 所示： 一 图4 2 6 带通滤波器 图4 2 1 6 所示的为二阶压控电压源带通滤波器电路，图中r 1 3 、c 5 组成低 通网络，c 6 l ，r 1 5 组成高通网络，两者串联就组成了带通滤波器。根据带宽2 0 0 k h z 和中心频率1 0 7 m h z 可以配置各个电阻和电容值，配置后的结果如上图所示，为 了验证用m u l t i s i m 仿真，仿真结果如图4 2 7 所示： b a k l p a s s ； 一 、 ，一一 、 。 一一一 h q g 嘲 图4 2 7 带通滤波器仿真波形 可以看出中心频率在1 0 7 m ，滑动变阻器r 1 7 可以调节带通滤波器的中心频率。 该电路令r 1 7 = 8 7 k 。 经过带通滤波器后，f m 信号进行频幅转化，鉴频器使用双失诣回路鉴频器， 该电路如图4 2 8 所示： 斗隆 图4 2 8 双失谐回路鉴频器 硕士论文基于p p g 的广播覆盖效果监测记录仪设计与研究 双失谐回路鉴频器利用两个失谐l c 回路进行频幅转换，然后分别进行二极管 检波，输出是两个检波电压的差值。该电路的鉴频特性曲线如图4 2 9 所示。其中 a l ( w ) 、a 2 ( w ) 分别是次级两个l c 回路的鉴频特性曲线，实线为两个回路合成的鉴 频特性曲线。这里已假定两个检波器参数相同。若w 0 1 和w 0 2 位置合适。两回路 鉴频曲线中的弯曲部分互相补偿，相减后的鉴频特性不但线性好，而且线性鉴频范 围增大。 这种电路的主要缺点是调试比较困难，因为需要调整三个l c 回路的参数使 之满足要求。 _ ， 一i 甜， 幺 心 。 一心7 ， q ，7 一 j ：- 一卜一 图4 2 9 鉴频器的鉴频特性曲线 由于在鉴频电路输出端，噪声功率谱密度于频率平方成正比，即大部分噪声功 率分布在高频段，而话音、音乐等信号能量大部分却处于低频段，两者正好相反。 为了改善信噪比，可以在鉴频电路输出端采用具有低通性质的网络滤除高频段噪 声。但是这样一来，信号高频部分也同时受到衰减，产生了失真，所以需要在发射 机的调制电路前采用具有高通性质的网络提升调制信号的高频部分，从而使接收机 鉴频后信号的高频部分既不会产生失真，同时又达到抑制噪声功率的目的。这种方 法称为预加重、去加重技术，即发射时预先“加重”调制信号的高频分量，接受时 去除解调信号中“加重”了的高频分量。 “) 参数提取部分 a m 与f m 转化后的幅度信号送入检波电路，本设计采用了二极管检波的方 法，由于在检波之前进行了窄带滤波或限幅电路，因此，检波之后我们可以得到较 纯净的语音信号。而且该语音信号是具有直流分量的( 可以用于计算广播的重要参 数) 。且为了避免检波过程中非线性失真和负峰切割失真的影响，采用图4 2 1 0 组 成二极管检波电路。 1 6 项士论文基于f p g a 的广播覆盖效果监测记录仪设计与研究 图4 2 1 0包络检波电路 检波前的波形以及检波后音频信号的波形如图4 2 1 1 和图4 2 1 2 所示： 图4 2 1 l 检波前波形图 f 图4 2 1 2检波后音频信号波形图 为了符合后续处理的要求，在低通滤波之前加入放大电路，可以通过调节r i o 的值，改变输出电压的放大倍数，输出合适的音频信号，再经低通滤波得到直流分 量。放大器和r c 低通滤波电路的电路图如图4 2 1 3 所示： 硕士论文基于f p 6 的广播覆盖效果监测记录仪设计与研究 图4 2 1 3放大器及低通滤波电路 由于电台是否停播是通过该电台是否含有载波信号( 即a m ；4 6 5 k h z 的中频信 号，f m ：1 0 7 删z 的中频信号) 表现出来的。对于载波信号的检测，我们采用了半波 整流，提取直流分量的方法。本设计中采用l m 3 3 9 组成一个过零比较器，把交流 信号转换成方波信号。电路图如图4 2 1 4 所示： 图4 2 1 4过零比较器原理图 l m 3 3 9 是差分比较器，它的工作电压范围可以从2 v 到3 6 v 。此处采用5 v 供 电，因为整个数字电路的工作电压为5 v 。图4 2 1 5 是输入输出的波形图。 1 8 硕士论文基于f p 6 的广播覆盖效果监翻记录仪设计与研究 v i 八八八 t 、一 厂 厂 一 一 t 4 2 2 信号采集部分 图4 2 1 5过零比较器的输入输出波形图 ( 1 ) 多路选择器模块 本设计中用到3 个多路转换开关，每个多路开关选通一路信号，即三路信号， 其中包括音频信号，直流分量和载波直流信号。设计要求可以对至少8 路广播信号 进行监测，所以需要多路转换器完成该要求。在系统中由于调频信号中频为 1 0 7 m h z ，所以需要切换速度很快的模拟开关。本设计采用c i m 0 5 1 作为多路选择 器，用它来控制八个收音通道的切换。由于c d 4 0 5 1 是八通道双向的c m o s 模拟多 路选择器，通道开关频率为4 0 m i - i z ，能满足设计的要求。其引脚功能如表4 2 2 所 示： 表4 2 2c d 4 0 5 1 引脚功能说明 引脚类型功能 a ，b ，c i o 通道选择输入端 i n h i禁止端。高电平时，禁止通道接通，低电乎时，允许通道接通 x x 7 ，x i ，0 输入输出通道 v d d ，v s s 电源 ， c d 4 0 5 1 的通道选择输入端由f p g a 控制。分时选择其中一个通道选通，f p g a 与c d 4 0 5 1 的连接电路图如图4 2 1 6 所示： 1 9 硕士论文 基于f p g 的广播覆盖效果监测记录仪设计与研究 x 0 xa ，。 x l x 2c d 4 0 5 1 f p g a ) ( 3 x 4 i n l e n x 5 a a 0 x 6 b a l x 7 c a 2 ( 2 ) 单端转差分电路 图4 2 1 6c d 4 0 5 1 的硬件连接图 为了对无用信号起到很好的共模抑制作用，a d 5 0 c ( 语音采集芯片) 的模拟信 号在被转换成数字数据之前。都是经过差分处理过的，为了获得最大的动态范围， 其输入信号必须以电源中点为中心。a d 5 0 c t l s l 与外部模拟电路的接口并不十分复 杂，只需经滤波、放大，然后单端到差分转换即可，具体电路如图4 2 1 7 所示： f 图4 2 1 7 单端转差分电路 图中的运算放大器采用的是t i 公司生产的运算放大器t l c 2 2 7 2 ，其中第一级 2 0 硕士论文基于f p g a 的广播覆盖效果监测记录仪设计与研究 运放的作用主要是调节放大倍数和抑制共模噪声，而后面的运放则用于将单端信号 转换为差分信号，最后一级的设计用于保证在f l i t 上出现的噪声可大小相等、同相 位地出现在差分输入的两端。前面的运放用的是土5 v 供电，而后面的运放用的是 5 v 和地，这样的设计是为了保证进入a d 5 0 的信号都为正信号。由于a d 5 0 c ( 语 音采集芯片) 的差分输入引脚内部具有2 5 v 的偏置电路，因此，差分转换后输出 的差分信号以2 5 v 为中心。 差分转换前语音信号波形( 以正弦波为例) 如图4 2 1 8 所示： 。 j 5 v 厂、厂、。 l l ? 图4 2 1 8转换前正弦波 差分转换后语音信号波形以正弦波为例，如图4 2 1 9 所示： ( 3 ) a d 模块 v 图4 2 1 9转换后的差分波形( 含有2 5 v 的直流分量) a d 模块需要对当前通道输出的语音信号、载波检测信号及音频直流分量信号 进行采集。在本设计中，使用m a x l l 0 8 ”】对载波检测信号和音频直流分量信号进 行采集。而使用专用语音编解码芯片t l c 3 2 0 a d 5 0 c 对语音信号进行采集编码。 2 1 硕士论文基于f l e a 的广播覆盖效果监铡记录仪设计与研究 专用语音编解码a 巾模块 n c 3 2 0 a d 5 0 c 是一种具有许多优良特性的模拟接口电路芯片，它的主要特点 如下： 可采用单5 v 电源供电也可以采用5 v 模拟、4 ，2 v 数字双电源供电。 内含1 6 位精度的z 一a b c 和d a c 。 器件中a d c 为6 4 倍过采样。 具有8 5 d b 的最小信噪比。 带有内建抗混叠滤波器和s i n x l x 补偿。 输入阻抗高。 功耗最大为1 7 5 m w ，掉电方式时最大功率为2 0 r o w 。 动态范围为9 1 d 8 。 可配置成主机或从机方式，一个串行接1 2 1 可支持4 个a d 5 0 器件( 1 个主机，3 个 从机) 。 a d 5 0 c 有d w 和p t 两种形式的封装，本设计中采用了d w 封装的芯片。 在语音信号处理系统中，由于语音信号能量主要集中在0 - 3 4 0 0 h z 频带内，所 以采样频率一般为8 k h z 或者1 0 k h z 即可满足需要，本设计中采样频率为1 0 6 7 k h z 。 t l c 3 2 0 a d 5 0 c 的结构框图如下如图4 2 2 0 所示： ” 。 ， 。郊 器 w d v p t p # 图4 2 2 0t l c 3 2 0 a d s o c 结构框图 t l c 3 2 0 a d 5 0 c 中的可选项和电路配置可以通过串行口进行编程，这给使用带 来了极大方便。其中共有七个数据和控制寄存器可供使用其用途如下： 2 2 硕士论文基于f p g h 的广播覆盖效果监测记录仪设计与研究 寄存器0 ：空操作寄存器。 ， 寄存器l ：c o n t r o l i 寄存器。该寄存器用以控制软件复位、软件掉电、选择正常 或辅助模拟输入，数字反馈的选择，d a c 的1 6 位或1 5 位工作方式的选择、监视放 大器输出增益的选择及硬件或软件二次请求方式的选择等。 寄存器2 ：c o n t r o l 2 寄存器。用于控制一个抽取f i r 滤波器溢出的输出标志、 f l a g 的输出值、a l t - d a t a 输入端使能、为a d c 选择1 6 位方式或1 5 位方式及 使能模拟反馈。 寄存器3 ：c o n t r o l 3 寄存器。它控制f s 与f s d 之间延迟s c l k 的个数；通知 主器件有多少从器件将连在一起。 寄存器4 ：c o n t r o l 4 寄存器。用来控制输入输出放大器增益、采样率为f s = m c l k ( 1 2 8 x 或m c l k ( 5 1 2 x n ) 的选择、以及在m c l k 输入端使能外部采样时钟和 旁路内部p l l 等。 寄存器5 和寄存器6 ：保留寄存器，用于工厂测试。 对a d 5 0 c 的编程可通过f p g a 的串行口来进行。由于转换的数据和控制数据 是通过同一串行口进行传输的，所以，a d 5 0 c 中有首次通信和二次通信。首次通信 专用于转换数据的传送，二次通信则用来设置和读出寄存器的值。所有的寄存器都 在二次通信时编程，因此，完成4 个寄存器的编程需要4 个首次和二次通信。启动 二次通信有两种方法：一种是在芯片f c 引脚上加高电平；第二种是将1 5 位方式在 首次通信时的d i n 的l s b 位罨为l 。 从a d 5 0 c 输出的数字语音信号可由f p g a 进行处理，图4 2 2 6 为a d 5 0 c 与 f p g a 的接口电路。 8 m h z - - - 一 m c l k r e s e t r 、一 。 r e s e t l 一 7 f p g a q o t r ： d i n d 【n d o u t a d 5 0 c s c l ks c l k 图4 2 2 1a d 5 0 c 与f p g a 的接口电路 a d 5 0 c 的m c l k 引脚为其主时钟输入引脚，本设计采用了外部8 1 9 2 m 的晶 振为其提供时钟，a d