（电磁场与微波技术专业论文）嵌入式数字图像码流无线传输系统中的发射单元.pdf

硕士学位论文 嵌入式数字图像码流无线估辅系统中的发射单元 摘要 嵌入式数字图像码流无线传输系统因其独特的研发背景、广泛的实用性和 广阔的市场前景被上海市科委审定通过，由电子物理研究所研制。该系统包括 发射单元和接受单元两部分。发射单元作为整个系统中的前端，对整个系统起着 重要的作用。在发射单元部件的研究中采用了新的技术，简化了电路，降低了成 本，提高了系统性能。本文将详细阐述。本文的主要内容： 前言主要简述嵌入式数字图像码流无线传输系统的选题背景及国内外的研 究动态。 第一章对数字图像码流无线传输系统做简单的介绍，揭示课题的意义和市 场前景，然后分析发射单元在整个系统中的位置、发射单元的组成。 ，第二章主要介绍发射单元中的重要部件，锁相式频率合成源的理论和实现， 这是本课题的一个创新点。 第三章主要介绍线性功放的研制，包括功放的理论、仿真和实现方法。 第四章介绍发射单元中的其他器件- j - 变频器、带通滤波器的研制。 最后给出整个系统研制体会，得出结论，提出一些不足之处，给出解决的 办法。 戈键字：发射单j j ：段矧1 i r p l l ) ：功率放大嚣。 硕士学位论文 嵌入式数字图像码流无线传输系统中的发射单元 a b s t r a c t b e c a u s eo fi t su n i q u er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tb a c k g r o u n d 、t h ew i d e s p r e a d u s a b l ea n db r o a dm a r k e tp r o s p e c t t h ee m b e d d e dd i g i t a li m a g ec o d ef l o ww i r e l e s s t r a n s m i s s i o ns y s t e mp a s s e dt h ee x a m i n a t i o na n da p p r o v m e n tb yt h es h a n g h a is c i e n c e c o m m i r c e e a n dd e c i d e dt od e v e l o p eb yt h ee l e c t r o ni n s t i t u t eo fp h y s i c s 1 1 l i ss y s t e m c o n c l u d et h ea c e t su n i ta n dt h ee m i s s i o nu n i t t h ee m i s s i o nu n i tt a k et h ef r o n d p o s i t i o ni nt h eo v e r a l ls y s t e m ，a n dp l a yt h ev i t a lr o l et ot h eo v e r a l ls y s t e m w eu s e d t h en e wt e c h n o l o g yi nt h ee m i s s i o nu n i t ，s i m p l i f i e dt h ee l e c t r i cc i r c u i t ，r e d u c e dt h e c o s t e n h a n c e dt h es y s t e mp e r f o r m a n c e n i sa r t i c l ew i l le l a b o r a t ei nd e t a i l 1 1 1 i s a r t i c l em a i nc o n t e n t ： t h ef o r e w o r dm a i ns u m m a r i z eb a c k g r o u n da n dt h ed o m e s t i ca n df o r e i g n r e s e a r c ht e n d e n c yo ft h i st o p i c ：t h ee m b e d d e dd i g i 诅1i m a g ec o d ef l o ww i r e l e s s t r a n s m i s s i o ns y s t e m f i r s tc h a p t e rm a k e st h es i m p l ei n t r o d u c t i o nt od i g i m li m a g ec o d ef l o ww i r e ! e s s t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，p r o m u l g a t e st h et o p i ct h es i g n i f i c a n c ea n dt h em a r k e tp r o s p e c t ， t h e na n a l y s i sl a u n c hu n i ti no v e r a l ls y s t e mp o s i t i o n ，e m i s s i o nu n i tc o m p o s i f i o n i ns e c o n dc h a p t e rm a i n l yi n t r o d u c e si m p o r t a n tp a r to ft h ee m i s s i o nu n i t ，t h e o r y a n dr e a l i z a t i o no fp h a s e l o c k e dt y p ef r e q u e n c ys y n t h e s i ss o u r c e t h i si sai n n o v a t i o n s p o t n l et h i r d c h a p t e rm a i n l y i n t r o d u c el i n e a r p o w e ra m p l i f e r i n c l u d et h e d e v e l o p m e n t ，t h et h e o r y , t h es i m u l a t i o na n dt h er e a l i z a f i o nm e t h o d i nf o u r t hc h a p t e ri n t r o d u c ee m i s s i o nu n i to t h e rc o m p o n e n tf r e q u e n c yc h a n g e r a n db a n d p a s sf i l t e rd e v e l o p m e n t f i n a l l yp r o d u c e s t h eo v e r a l l s y s t e md e v e l o p m e n te x p e r i e n c e ，d r a w st h e c o n c l u s i o n p r o p o s e ds o m ed e f i c i e n c y , p r o d u c et h es o l u t i o n k e yw o r d s ：e m i s s i 。n ! ! n i l ；p h a s e 。l o c k e di i n k ( p t ，l | ：p o w e ra m p l i f i e r v i 硕士学位论文 嵌入式数字图像码流无线传输系统中的发射单元 引言 当人们解决了“温饱”之后，“安全”问题则变成人们最突出关心的大事。 世界上不断发生的局部战争以及多种复杂的社会负面因素，潜在地酝酿着多种极 不安全的因素和犯罪活动，而且，犯罪手段e l 趋现代化、智能化。在人民的生命 和财产受到威胁的时候安全问题变的更加突出，防范措施变的尤为重要。 在各种防范措施中，技术防范是社会公共安全防范体系中技术含量最高、 发展最快的大分支，它涉及到“入侵报警、电子巡更、电视监控、出入口控制、 楼宇可视对讲、证件防伪”等多种领域，在其中，电子监控是安全防范技术 系统的重要组成部分，是现代综合安防系统中的三大要素之。电子监控技术 发展得如此迅猛，以致在社会的各行各业，几乎都能找到电视监控的应用实例。 电子监控系统作用的日益突出，这是因为图像( 视频信号) 本身具有可视、 可记录及信息量大的特点：它通观全局，一目了然，判断事件具有极高的准确性， 它是报警复核、动态监控、事件控制、信息记录的有效手段。电子监控已经发壤 到第三代一一全数字化监控系统。作为全数字化监控系统的一个分支数字无 线监控系统更因为其优越的独特新能被广泛应用。 由于事件的不可预见性，除尽量避免事件发生外，一+ 个首要任务是：对 已发生的突发事件顺利实施应急救援和实时监控。数字无线监控系统是信息和刚 络技术的应用，是应急救援预案设置工作的一项重要内容，是保证突发事件应急 指挥和处理所必须的硬件。只有在个有效、高速、安全的现代信息网络上才能 实现快速反应，从而达到应急指挥和监控的目的。 数字无线监控系统的建设，主要目的是用于应急指挥中心对移动车辆用应 急数据、语音和图像双向实时传输。使指挥机关和领导能在指挥中心或在办公室 中甚至首长车内看到实时传输的现场图像，如亲临现场，及时了解重大突发事件 现场实况，作出准确的分析判断，达到实时指挥，提高决策系统的快速准确性， 增强快速反应能力、指挥能力和突发事件的处置能力。 硕士学位论文嵌入式数字图像码流无线传输系统中的发射单元 下图是交通无线监控系统图 图，交通无线监控系统 因此保证信息的可靠、安全和实时快速传输是该系统的核心要求。无线数 字监控通信系统研究和应用，对于提高应急指挥快速反应能力，打击恐怖活动， 打击各种犯罪，维护 - i - 安定，保障人民生活安全，有效处理各种突发事件，具 有重要的社会意义。 目前，在监控系统中国内外已经有模拟的无线传输系统，数字无线传辕系 统已经在研究当中，数字无线传输系统与模拟的无线传输系统相比，它有着更卓 越的性能，和更低的使用成本。 数字码流无线传输系统有两个重要的子系统组成：发射系统和接收系统。 发射系统是把有摄像头摄人的信号经过上变频，放大滤波过后由天线发射出去。 接收系统是把天线接收到的信号经过放大，下变频，滤波后由显示器显示出来。 发射系统作为整个系统中的重要单元，对整个系统的影响是不言而喻的， 它是整个收发系统的前端，它发射信号的好坏影响到整个系统的功能，所以在研 制过程中，尽量采用先进的技术，使整个发射单元具有更高的性能，同时也要兼 顾市场的承受能力，不遗余力的减少成本。 发射的系统的关键部件是：本振源和功率放大器。本振源的研制是本课题 的关键? 它必须具备：无杂波、高稳定、快速可调协。本振源的种类很多，一散 确：晶体振荡器源，介质振荡器源、还狗锁相技术实现冉勺合成源等，它们各衰鱼 硕士学位论文 嵌入式数字图像码流无线传输系统中的发射单元 己的特点。我们在研制过程中使用锁相式结构，且结合最新的技术采用i2 c 总线 结构，用单片机来实现。不但电路简单，性能优良，而且能做到低成本。功率放 大器也是其中的重要部件，它要把上变频后的信号进行放大到一定的功率才能接 受，对数字发射系统的功放必须能使信号放大且不能引入大的噪声，不能使信号 失真。此外在发射系统单元中还用到混频器和带通滤波器。 发射单元的中的各个部件都是经过优化仿真，反复调试后研制出来的，具有良好 的性能，保证了整个系统的性能，且价格低廉，有利于无线监控系统的大量普及。 硕士学位论文嵌入式数字图像码流无线传输系统中的发射单元 第一章嵌入式数字图像码流无线传输系统的发射单元 1 。1 嵌入式数字图像码流无线传输系统 1 1 1 系统研发背景 二十一世纪的中国已经进入小康社会，当人民解决了基本的生活问题，生 命和财产安全问题贝q 变成人们最突出关心的大事。现在社会，虽然日际环境是和 平和稳定的，但是局部战争和恐怖活动比较猖獗，违法犯罪还时有发生，潜在地 酝酿着多种极不安全的因素和犯罪活动，而且，犯罪手段日趋现代化、智能化。 社会公共安全防范体系涉及人防、物防和技防( 技术防范) 三大部分。美国是目 前世界上技防水平最高的国家，即便如此，仍避免不了2 0 0 1 年“g 1 1 ”灾难性 事件的发生，这说明，安全防范不可能有一劳永逸的模式。“9 1 1 ”带给我们的 震憾和教训是深刻的，它对安防行业提出了更高的要求，同时也使善良的人们深 刻地认识到安全防范的重要性。 我国正面临千载难逢的发展机遇： 加入世贸组织，北京2 0 0 8 年申奥成功，主办上海世博会，东、西部大开发 全国的城镇化与快速城市化建设等。城市治安的好坏，直接关系到国家经济的持 续发展和投资商的青睐，全面提升安全防范的技术手段，正是为国家经济发展， 起到保驾护航的作用。 技术防范作为“安防”的重要手段，已经为越来越多的国家所重视，在这 种情况下，作为第三代监控系统的数字无线监控系统应运而生。数字无线监控系 统的建设，主要目的是用于应急指挥中心同移动车辆进行应急数据、语音和图像 双向实时传输。使指挥机关和领导能在指挥中心或在办公室中甚至首长车内看到 实时传输的现场图像，如亲临现场，及时了解重大突发事件现场实况，作出准确 的分析判断，达到实时指挥，提高决策系统的快速准确性，增强快速反应能力、 指挥能力和突发事件的处置能力。因此保证信息的可靠、安全和实时快速传输是 j 轰系统的核心要求。无线数字蓝控通信系统研究和应用，刈于提高应急指挥快速 反鹰能力，扣击恐怖活动打击各种犯罪，维护社会安定，保障人民生活安全， 硕士学位论文 嵌入式数字图像码流无线传输系统中的发射单元 有效处理各种突发事件，具有重要的社会意义。 1 1 2 发展的前景和展望 据e l 本电子信息预测委员会的报告，基于无线信息( 如图像、声音、数据 等) 传送平台的各类无线类产品，其市场规模将达到3 5 0 5 0 0 亿美元! 对于这样 一个令人鼓舞的新增市场，难怪微软总裁比尔盖茨预言：“今后十年将是无线的 世界! ”。在世界上，数字无线监控由于它无须穿墙破洞、便于网络传输、即装即 用、灵活便捷的优点，正日益受到关注，并已成为监控领域的新宠：其市场占有 率已逼近整个监控市场的1 0 。目前国外大企业，如通用电气、西门子、松下、 飞利浦、索尼、夏普、j v c 等，都携巨资投入安防领域，尤其热衷于无线监控领 域，可见，该市场的潜力是难以估量的。 根据国家计划，未来三年，将投入3 亿元作为城市反恐经费：2 0 1 0 年前， 上海将安装2 0 多万个监控摄像头，全面建立起“社会防控体系”；预计在北京奥 运和上海世博会其间，将为公共安全事业打造8 0 0 亿人民币的市场。城市治安的 好坏，直接关系到国家经济的持续发展和投资商的青睐；全面提升安全防范的技 术手段，正是为国家经济发展，起到保驾护航的作用。 可见数字无线图像码流的传输平台的研制具有宽阔的市场前景，有了该平 台，任何以数字码流为特征的数据包的传送( 如：语音、消息数据、图像数据等) ， 都可以实现。本平台不仅可应用于指专业数字无线监控领域，同时还可以应用于 消费监控和家庭无线影音系统内。 据预测，随着入世、奥运、世博、东、西部开发、城市智能建筑的建设，数 字监控系统将以每年2 5 的递增速度，应用到各个发展领域。 监控系统有两大类市场： 第一类市场一一专业监控市场的年需求量约为1 0 0 亿元。 第二类市场消费监控市场。 所谓消费监控是把电子监控用于i i 常生活消费。目前我国的电子璐控仅局 限于公共安全、专业探险、医疗、企业警特殊需要。然而，在欧美等发达国家， 平均每家有1 8 套消费监控产品。主要是为了提高生活质量和管理效率，以及照 硕士学位论文嵌入式数字图像码流无线传输系统中的发射单元 顾老、弱、病、残者等。如你在大厅看电视、打牌等家庭娱乐时，可以通过监视 器，随时观察厨房饭菜的煮食及卧室儿童的睡眠情况，根本不会影响小孩的休息， 更不用担心小孩掉下床。消费监控的市场需求量是专业监控的2 0 倍以上。消费 监控在中国的市场潜力约达2 0 0 0 亿元，而且每年将以1 5 0 的高速增长。可见 嵌? 、式数字码流无线传输系统的研制具有非常好的市场前景。 1 2 数字图像无线码流系统的构成 1 2 1i e e e 8 0 2 1 1 b 系统协议 i e e e s 0 2 1 1 b 是目前世界上唯一赢利的无线传输协议标准，其传输技术是采 用了直接序列扩频技术( d s s s ) 。其技术特点可归纳如下：1 抗干扰和抗多径干 扰能力强。2 节省了网络综合布线高额费用。3 无线缆限制。4 允许用户在任何 时间、任何地点访问网络数据。5 可以实现1 1 m b i t s 的数据传输速率。当出现 严重干扰或移动到覆盖边沿时，能够自动以较低速率进行发射，并可以在5 5 n 、 2 m 、i m b i t s 之间自动速率调整。l e e e 8 0 2 ”b 是一种无线传输协议标准，其 网络协议主要有两种”3 。 ( 1 ) r t s c t s 协议 r t s c t s 协议即请求发送允许发送协议，相当于一种握手协议，r t s c t s 握手协泌指：首先，a 向b 发送r t s 信号，表明a 要向b 发送若干数据，b 收到 r t s 后，向a 发出c t s 信号，表明已准备就绪，a 可以发送，然后，a 向b 发送 数据。 ( 2 ) c s m a c a 协议 c s r 峪c a 是另一种协议，是为了尽量减少数据的传输碰撞和重试发送，防止 各站点无序地争用信道而制定的。采用能量检测( e d ) 、载波检n ( c s ) 和能量载波 混合检测三种检测信道空闲的方式。一方面，进行载波侦听，查看介质是否空闲： 另一方面，通过使用应答包( a c k ) 来避免碰撞，接收端通过发送a c k 包来确认 数据包是否正确送达目的地。所以i e e e 8 0 2 ”b 无线通信实际上是一个双向通 信的过程。应用于无线局域网的设备主要包括无线网卡、无线网桥、无线h u b 、 基站、天线等。但这姥设备都必颈基于p c 平台。 硕士学位论文 嵌人式数字图像码流无线传辅系统中的发射单元 我们这个课题就是基于8 0 2 1 l b 协议中的c s m a c a 协议进行研制的。 1 2 2 系统的建构和功能简介 数字图像无线码流系统可以分为两个部分：发射单元和接受单元。 ( 1 ) 发射单元 发射单元的框图如下： 图1 1 ，发射单元 发射单元是整个系统的前端设备，它把摄像头拍摄到的信号，分别采用c c k 或p b c c 调制编码策略，或采用f e c 纠错算法，产生中频数字z o 信号，该信号 由于其频率比较低，如果直接发送出去，在空气中传播时容易遇到障碍物阻拦， 衰减比较大，传输的距离比较短，所以要对信号进行上边频，把信号通过上变频 器调制到频率比较高的载波上，然后发射出去。这就是发射单元的工作原理。 ( 2 ) 接受单元 接收单元的框图如下： 硕士学位论文嵌人式数字图像码流无线传输系统中的发射单元 图1 2 ，接收单元框图 接收单元就是把由发射单元发射来的调制信号经过天线接收下来，然后经过 下变频，解调出我们拍摄到的图像和声音信号，然后经过解码形成基带信号，再 进行信源解码，发送到监视器上显示出来。 1 2 3 发射单元 发射单元是嵌入式数字图像无线传输系统中前端，它要把有摄像头拍摄的 声音和图像信号经过编码调制后发射给接收机，以便实行监控。发射单元的详细 电路如图1 3 所示： 摄象机h 信灏处理h 上变r 频f 器h 品h 岔热 d sp + 单 片机 p l l + v c 0 热h 一，娄嘉器h 襞霎嘉 环行器 天线 图1 3 ，发射单元的详细电路 在发射单元中，最重要的射频部件就是本振源和调制信号放大器的设计。 本振源采用p l l 电路的形式，运用最新的i2 c 总线形式，单片机控制，电路简单 易行；用高q 晶振可以产生频率稳定，相位噪声低的本振源。放大器采用多级的 形式，把小信号放大到发射功率要求，为了防止信号失真，采用线形功放；为了 硕士学位论文 嵌入式数字图像码流无线传输系统中的发射单元 使电路的驻波好，我们采用平衡结构。带通滤波器采用微带线结构，能很好的实 现。由于本课题研究的是发射单元中的射频部分，所以下面各章节中我们将详细 讲述发躬单元中的这几部分。 硕士学位论文嵌入式数字图像码流无线传输系统中的发射单元 第二章无线发射单元中本振源研制 在第一章中我们分析了“嵌入式数字图像码流无线传输系统”的背景，给 出了发射和接受单元的框图，给出发射单元的详细原理框图，本章我们将对发射 单元的重要部件本振源做个详细的分析。本课题的本振源是采用1 2 c 总线，单片 机控制的p l l 电路，所以先对1 2 c 总线总线做详细阐述，再对p l l 器件t s a 5 0 5 9 做详细说明，并在这基础上给出我们的设计方案。 2 1 本振源的的实现方法 本振源应用非常广泛，对通讯基站来说，无论是g s m 基站，还是c d m a 基 站，无论是3 g 还是4 g 基站都会看到它的身影。未来通讯的发展对频率源有着 更高的要求，它直接影响通讯的质量。作为通信系统中的重要部件，它必须具备： 无杂波、高稳定、快速可调协等功能。振荡器的核心是一个能够在特定频率上实 现正反馈的电路。本振源的种类很多，应用较多的有：介质振荡源、锁相技术实 现的合成源等，它们各有自己的特点。 ( i ) 介质振荡器( d r o ) 常用介质振荡器的电路如下”1 ： 图2 1 ，介质振荡器原理图 硕士学位论文 嵌入式数字图像码流无线传输系统中的发射单元 介质振荡器( d r o ) 是利用介质( d r ) 作选频反馈网络，以达到产生震荡和 选频的双重目的。介质振荡器由于其电路简单、噪声低、偏离工作点较远时产生 停振而不跳模等优点而被广泛采用。但是d r 的调整过程中，b 值与相位的调整 相互关联，调整d r 的位置同时改变了p 值和相位，往往因为满足相位条件，而 改变设计好的p 值，不能获得最佳的有载q 值，当b 值过大的时甚至不能起振。 而且介质振荡器受温度的影响比较大。 ( 2 ) 频率合成 频率合成的方法很多，大致可分为直接合成法和间接合成法俩种。直接合成 法是用一个或多个石英晶体振荡器的振荡频率作为基准频率，由这些基准频率产 生一系列的谐波，这些谐波具有与石英晶体振荡器同样的频率稳定度和准确度； 然后，从这一系列的谐波中取出两个或两个以上的频率进行组合，得出这些频率 的和或差经过适当方式处理( 如滤波) 后，获得所需要的频率。直接合成法的优 点是频率转换时间短，并能产生任意小的频率增量。但它也存在一些不可克服的 缺点，用这种方法合成的频率范围将受到限制。更重要的是由于大量的倍频，混 频等电路，就要有不少滤波电路，使合成器的设备十分复杂，而且输出端的谐波、 噪声及寄生频率难以抑制。间接合成法又叫锁相环路法，是利用锁相环的相位锁 定特性，获得与基准频率成一定倍数的新频率。最基本的锁相环方框图如图2 2 所示”i ，它包括三个部件；鉴相器( p d ) 、环路滤波器( l f ) 和压控振荡器( v c o ) s d ( t ) 图2 2 ，锁相环方框图 鉴相器是个相位比较装置。它把输入信号s j ( c ) 和压控振荡器的输出信号 硕士学位论文嵌入式数字图像码流无线传输系统中的发射单元 s o ( t ) 的相位进行比较，产生对应于两个信号相位差的误差电压s e ( t ) 。 环路滤波器的作用是滤除误差电压s e ( t ) 中的高频成分和噪声，以保证环 路所要求的性能，增加系统的稳定性。 压控振荡器受控制电压s d ( t ) 的控制，使压控振荡器的频率向输入信号的 频率靠拢，直至消除频差而锁定。 锁相环是个相位误差控制系统。它比较输入信号和压控振荡器输出信号之 间的相位差，从而产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率，以达到与输入信 号同频。在环路开始工作日寸，如果输入信号频率与压控振荡器频率不同，则由于 两信号之间存在固有的频率差，它们之间的相位差势必一直在变化，结果鉴相器 输出的误差电压就在一定范围内变化。在这种误差电压的控制下，压控振荡器的 频率也在变化。若压控振荡器的频率能够变化到与输入信号频率相等，在满足稳 定性条件下就在这个频率上稳定下来。达到稳定后，输入信号和压控振荡器输出 信号之间的频差为零，相差不再随时间变化，误差电压为一固定值，这时环路就 进入“锁定”状态。这就是锁相环工作的大致过程。 以上的分析是对频率和相位不变的输入信号而言的。如果输入信号的频率 和相位在不断地变化，则有可能通过环路的作用，使压控的频率和相位不断地跟 踪输入频率的变化。 目前在各种无线电台中使用的频率合成器普遍采用可变数字式锁相环频率 合成器，通过c p u 控制可获得不同的频点。这种电路通过软件控制，硬件电路简 单，易实现。 2 2 基于i2 c 总线控制的2 4 2 5 g h zp l l 设计 2 2 1 可变数字式p l l 电路的理论基础 a ，可变数字锁相环概述 锁相环具有良好的窄带滤波特性，输出的波形纯净，并且在环路锁定后输出 频率的温度稳定度和时间稳定度与基准频率相同这些优点使其成为当前最主 要的频率合成器，尤其是把大规模数字锁相集成电路和微处理器结合起来，使频 率合成器要现更方便，中牛能更好。司变数字锁相环频率合成器又分为直接式锁相 硕士学位论文 嵌入式数字图像码流无线传输系统中的发射单元 环频率合成器和吞食脉冲式锁相环频率合成器。如图2 3 所示是一个典型的直接 式锁相环频率合成器的原理图“3 。它由参考振荡源、参考分频器、锁相环三部分 组成。 图2 3 ，直接式锁相环频率合成器 其中的锁相环与普通锁相环不同的是，它在v c o 的输出端和鉴频器的输入 端之间的反馈回路中加入了一个可变分频器。如图所示，高稳定度的参考振荡源 信号经r 次分频后，得至频率为f r 的参考脉冲信号。同时压控振荡器的输出经 n 次分频后得到频率为f n 的脉冲信号，两个脉冲信号在鉴相器进行相位比较。 当环路处于锁定状态时，则有输出信号： f 0 = nf u = nf n 显然，只要改变分频比n ，即可实现输出不同频率的f o 的目的，从而实现 了由f 。合成f 。的目的。在该电路中，输出频率点间隔f = f 。 在实际应用中，特别在超高频工作情况下，为获得较大范围的频率选择( 较 多的频率数) 和较小的步进频率，多采用吞食脉冲式锁相环频率合成器。实现方 法为，在n 分频器与压控振荡器之间插入高速双模前置分频器( p 与( p + i ) ) 和吞食计数器a ，最终得到总的计数分频比为”1 n = a ( p + i ) + p ( n a ) = p n + a 输出频率为 f 0 = ( p n + a ) f r = p nf 。+ af 。 可见频率范围扩展了p 倍，而频率间隔仍然保持为较小的f r 。 b ，可控数字锁相环的相位模型 硕士学位论文 酝入式数字图像码流无线传输系统中的发射单元 锁相环是以消除频率误差为目的的反馈控制电路，利用相位误差电压信号 实现无频差的频率跟踪目的( 如图2 4 所示”) ，是个实现相位自动锁定的控 制系统。 图2 4 ，锁相环频率跟踪原理 设旋转矢量0 i 和0 y ，分别表示鉴相器输入参考信号u i ( t ) 和压控振荡器 输出信号u y ( t ) ，它们的瞬时角速度和瞬时角位移分别为。i ( t ) ，u y ( t ) 和由 i ( t ) ，中y ( t ) 显然只有当两个旋转矢量以相同角速度( 即o t = o y ) 旋转时， 它们之间的相位差才能保持恒定值鉴相器将此恒定相位差变换成对应的直流 电压，去控制v c o 的振荡角频率uy ，使其稳定地振荡在与输入参考信号相同的 角频率mi 上这种情况称之为锁定反之，两者角频率不相等，相位差不恒 定，则称为失锁若某种因素使o y 偏离了u i ，比如说，o y 就是环路滤波 器的频率特性。 环路滤波器的电路图如下图2 1 3 ： 图2 1 3 ，环路滤波器 在我们的实验中，t s a 5 0 5 9 的外围环路滤波器设计是我们设计的重点，它的 设计是决定了我们的p l l 电路能否锁定的关键。环路滤波器中c 1 ，c 2 ，r 1 实际上 是个积分器，c p 的工作原理是：c p 段的输入信号， 和是v c o 反馈回来的信号， 两者在鉴相器中比较产生误差信号，后经环路滤波器积分，产生一个近似直流信 号，再经低通滤波产生直流信号，控制v c 0 。 环路滤波器的计算的公式如下。o ”： c , z k j , c o 志，蝉掌乓磊，g ；鲁。 其中，世， c o 是v c o 的斜率，本设计用的v c o 是h i t t i t e 公司的h m c 3 8 5 l p 4 ， 瑚4 ，k 胛a 5 0 硼电荷泵的航= 盖_ 1 2 2 5 ，是主分 硕士学位论文嵌入式数字图像码流无线传输系统中的发射单元 r ，= 二= 2 2 0 0 h z 频比，o，是自然频率，7 一是开关时间。 经过计算我们得到环路滤波器的电阻电容计算值，再通过实验，我们得到 最终的值为： c l = 4 7 0 p f置= 1 k qg = 4 7 p f ( 3 ) 满足1 2 c 总线规范的t s a 5 0 5 9 的初值分析 设计要求频率2 4 g h z 到2 5 g h z ，步进是4 u h z ，所以总共要产生2 6 个频率 点，在单片机的程序中必须要有2 6 个分频比与之对应。设计中t s a 5 0 5 9 的预定 标器选择为p e ：1 ，分频比如= 2 ，r 3 r 2 r i r o ：0 0 0 0 ，参考分频比丘，2 2 ，所 以 = j 二_ 一 l ，e 通过计算得到要输出2 4 0 嗍h z ，n = 6 d o ：2 5 0 0 眦z ，n = 6 2 5 ，所以分频比n = 6 0 0 b 2 5 ，写成二进制即为前表2 ，其中n 1 6 n 0 为0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 。在分析分频比的时候发现，满足要求分频比n 写成二进制 时变化的只有低八位( n t n o ) ，所以在单片机程序中只需要通过对分频比的低八 位进行增或减就能实现设计要求的频率，本设计中采用p 1 0 口的按键控制低八 位分频比增加，当按键按下时，分频比加1 ，用p 1 1 口的按键来控制分频比的 减小，当按键按下分频比减1 。在没有外接其他t s a 5 0 5 9 的情况下，我们把t s a 5 0 5 9 的a s 角设为开路状态，即嗽1 0 = 0 1 ；因为该设计工作频率f 2 3 g h z ，所以根 据t s a 5 0 5 9 对电荷泵电流的要求i c p = 1 2 3 0 m a ，所以c i c o = 0 0 ；本设计1 s a 5 0 5 9 采 用用普通的操作模式，所以x c ex c s = 0 0 。于是，表2 中的值就完全确定了，p 8 9 c 5 2 对t s a 5 0 5 9 内发送的5 帧字节的初始值是o c 2 h ， 0 0 2 h ，0 5 8 h ，0 9 0 h ，o d o h ： 单片机接收t s a 5 0 5 9 发来的信号的地址是o c 3 h 。 在前面表3 中，我们最终是要关注的是f l 的状态，当单片机接收来自 t s a 5 0 5 9 数据的时候，其中一个重要的状态字节就是f l ，f l 是锁定标志位，当 环路相位被锁定时，f l - 1 。知道了单片机对t s a 5 0 5 9 的读写格式就可以在单片 机中编写程序了。 ( 4 ) 程序编写 硕士学位论文 嵌入式数字图像码流无线传辅系统中的发射单元 在分析了i2 c 总线规范和t s a s 0 5 9 的中数据传输的格式后，我们根据前面的 电路就可以编程了，程序的流程图如图2 1 4 所示。设计中把p 3 口设为7 4 1 s 1 6 4 的数据口，当v c o 锁定的时候，程序从p 3 口输出，然后有移位寄存器移到共阳 极l e d 中显示出相应的频率值。 具体的程序见附录i 。 图2 1 4 ，程序流程图 2 2 5 锁相式频率源的测试结果 运用a g i l e n t 公司e 4 4 0 4 b 频谱仪测试频率输出。该设计2 6 个频率点，限 于篇幅，取中心频率点2 4 5 g h z 来说明我们设计的结果。如图2 1 5 所示。 硕士学位论文 嵌入式数字图像码流无线传输系统中的发射单元 图2 1 5 ，2 4 5 g h z 锁定频谱图 由图可见：采用f2 c 总线结构，单片机控制的t s a 5 0 5 9 能够得到个频谱纯 度很高的频谱，信号相位噪声在偏离中心1 k h z 处优于8 5 d b c h z ，l o r l z 处优于 1i o d b c h z ，而且频率稳定度也很好。 硕士学位论文 嵌人式数字图像码流无线传输系统中的发射单元 第三章线性功率放大器的设计 基于第一章的发射单元原理图，本章对发射单元中另一个重要部件，功率放 大器做详细的说明，先分析了一般放大器的原理，然后分析线性功放的指标，实 现线性功率放大器的方法，分析我们本课题中功放的设计思路，最后给我们的设 计方案。 3 1 功率放大器的一般设计原理 微波放大器包括三个部分”：稳定工作的晶体管、输入匹配网络和输出 匹配网络。其构成方框图如图3 1 所示。 输出匹 i 晶体营 一 配冈络懈薹 | 酝冈络l 一 图3 1 ，微波晶体管放大器电路构成方框图 微波晶体管是放大器的核心部分。小信号条件下，将微波晶体管等效为如一f 图3 2 二端口网络”。 圈3 。2 微波晶体管二二端口网络冉勺s 参数 出此，h 一努：得到的s 。参数致其物理意义如“f ： 硕士学位论立嵌入式数字图像码流无线传输系统 1 t j j 发射单元 乱：影。：篇：糍 物理意义：输出端接匹配负载z l - z 。( a 。= o ) 州，网络输入端口的电压反射系数。 ：= 垦：生互：k 益 v 2 i z z 。z + z ， 物理意义：输入端接匹配负载z ；= z 。( a 2 - o ) 时，网络输出端口的电压反荆系数。 耻影：糕 物理意义：输入端接匹配负载z ；= z o ( a 1 = 0 ) 时，网络反向电压传输增益。 物理意义：输出端接匹配负载z 。= z e ( a ：= 0 ) 时，网络正向电压传输增益。 式中，z f v ，l ，是晶体管输出端匹配时的输入阻抗； z 。= v ：l 。是晶体管输入端匹配时的输出阻抗。 设计放大器主要是设计输入、输出匹配网络。输入匹配网络介于信号源和微 波晶体管之间，目的就是使信号源发出的信号可以以最小的反射系数传输给微波 晶体管进行放大。这样信号源可以提供最大功率，而晶体管也可以把传输过来的 信号全部进行放大。输出匹配网络介于微波晶体管和负载之间，目的就是使经微 波晶体管放大后的信号全部提供给负载，而没有返回，即负载反射系数为o 。 对于微波晶体管功率放大器一般以下列技术指标作为设计依据： ( 1 ) 稳定性 ( 2 ) 工作频率和频带宽度 ( 3 ) 增益 ( 4 ) 噪声系数 ( 5 ) 输入输出电压驻波比 ( 6 ) 输 j 功率 ( 7 ) 三骱焚调失真 l 一乙希 旷毵 疋 硕士学位谊文 嵌八式数字图像码流无线传输系统c p 扪发刺学元 其设计步骤为： ( 1 ) 选择晶体管和电路结构形式 通常采用共发射极或共源极电路，电路结构通常选用微带结构。当工作频 率f 6 g h z ，一般选用场效应管， 并且尽可能选用f t 高的管子，通常选用f t = ( 3 5 ) f 。 ( 2 ) 确定晶体管的工作点和偏置电路 用小功率管作低噪声放大器时，一般选用的i e 较小，当作为高增益放大 器时，l e 应取大一些。具体数值根据管子的特性及设计需要而定。 ( 3 ) 测量s 参量时，必须要在指定的频率上进行，而且要与实际工作状态相同 的工作点下进行。如果放大器是窄带的，则只要在中心频率上测量s 参量即可； 如果放大器是宽带的，则要测出带内几个不同频率下的s 参量。我们在实际设计 过程中，s 参量由供应商直接提供。 ( 4 ) 判断稳定性 根据s 参量，由式( 2 1 ) 来判断放大器的稳定性。 i - i s 。，l2 ，随：s ：。l i - i s ：1 2 ，院：s ： k i ( 2i ) 其中，稳定系数k 为： 足：! 二刚! ：二刚斗 2 l 墨：s ：“ 式中 = s ，一s i ：s ：， ( 5 ) 设计输入、输出匹配网络 对于微波功率的放大器，应根据增益和平坦度的要求来设计输入输出匹配 网络：对于低噪声放大器，要注意侧重工作频带内的噪声参量，并根据噪声系 数和增益的要求来设计匹配瞎络。 对于功率放大器，要注重于传输效率，功率平坦度，线性度，并根据这些 指标来漫训- = 翁入输出匹配i 两格。由于本课题主要研究发射单元，所以下面对线 性叻放的殴订+ ”；一详细i 介绍。 硕士学位论史嵌，、式数字目像码流无线传输系统中的发剁且7 l 3 2 线性功率放大器的设计的方法 a ，线性功率放大器的线性度指标“_ 对功率放大嚣的线性度的衡量一般有谐波失真，三阶交调和邻道功率比 三个指标。当放大器的输入频率为f 的单频信号时，由于器件的非线性失真 会产生频率为2 f 的谐波，总的谐波输出功率与基波输出功率之差( 用d b c 表 示) 即为谐波失真。当放大器输入双音信号时，由于非线性失真，在放大嚣的 输出端除了放大的和f 2 辨，还有2 f j f 2 ，和2 f 2 - f l ，此为三阶交调频率。 主频与三阶交调频率的输出功率之差即为功率放大器的三阶交调失真。 微波功率放大器非线性失真特性还可以表示为下列两类：一类为非线性的 增益特性，即输出与输入功率之间不是线性关系，例如线性固态功率放大器的 一l d b 压缩点功率指标，正是对此增益特性的描述。此类失真对于单频信号的输 入，产生谐波失真，对于多路信号的输入，除谐波外，还要产生互调分量，引 起互调失真。另一类为非线性的相移特性，即输入输出的相位差随功率而异， 结果产生调幅。调相转换( a m p m ) 此两类失真都会引起微波多路通信中的串 杂音性能变坏或误玛率恶化。 b ，线性度指标说明刚i ：习 ( 1 ) a m a ma m p m 失真 一个功放的线性特征可以用a m a m 和a m p m 曲线来表示输入的r f 信号可以表示为： x ( t ) 2 r i ( t ) c o s e o t + e x ( t ) i l( i ) 相应的输出表示为： y ( f ) 2 g ( 确 c o s m o t + o x o ) + q , r i ( o ( 2 ) 其中g 和v ，表示a m m y 和a m p m 曲线，如图3 5 所示。 硕士学位论文 嵌入式数字图像码涟无线传输系统中的发射单元 a m a m ! r ： f 黼m ， ；j 、茇 溉i n o m 1 砒1 w mp e ( 皿) 图3 j ，实际的放大器失真曲线 理想的线性功放的曲线如图3 6 所示。 a 删茁岫踟缸幻删妇叫盘f 。 i | 。 ： !一! + 。+ 。+ ： ，；。 一；一 o0 2吐珏 m 船e a mv o h 镕 图3 6 ，理想的放大器a m a m 和a 】删曲线 ( 2 ) 双音i m d 、i p 3 、p l d b 双音i m d ，在放大器输入端加入两个c w 信号，在放大器的输出端则能 测量出3 阶、5 阶等信号d 心和i m 5 ，i m 3 、i m 5 与主信号的比较以d b c 表示。 表示放大器的线性度好坏i p 3 ( 三阶截点) 及p i d b 定义如图示。 ， 2 o 4 o j )_；日甚。启h_口h#_鞫a 硕士学位论文 嵌入式数字图像码流无线传输系统中的发劓单元 图3 7 ，i m d 、i p 3 及p i d l l 定义图示 ( 3 ) a c p r a c p r 主要应用在象c d m a 这样的宽频谱信号的分析上。邻道功率 ( a c p ) 定义为当主信道加一信号时，紧邻主信道的两个信道内的功率大小。 邻道功率的产生主要来自两个方面，一是由于器件的非线性作用产生，二是由 于主信道信号本身频谱较信道宽。a c p r 定义为a c p 功率与主信道功率的比值 1 2 3 1 。 图3 8 ，邻道功率( a c p ) 定义 i n p u lo u t e r 图3 9 ，器件非线性产生的邻道功率 c ，线性功率放大器的设计方法 由于功率放大器的非线性失真，在多通道传输信号时，容易产生邻道干扰 硕士学位论文 嵌入式数字图像码流无线传输系统中的发射单元 影响信号的传输质量和增加了误码率，所以在功率放大器的设计中可采用多种 方法来减少非线性失真。下面对常用的几种能提高功放线性度的方法作一简单 的介绍。 ( 1 ) 预失真技术。 预失真技术的基本原理就是对放大器的畸变进行实时的补偿，通过电路网 络或者是其它技术手段，对放大器的非线性输入输出特性进行校正。下面是它 的基本原理图。输入的双频信号分为两路，一路经线性放大器1 进行线性放大， 另一路通过非线性放大器2 进行放大，两路信号通过非线性支路的移相器的相 位调节，使得最后合成一路输出时相位相反，这样就生成了预失真信号，然后 经过主功放放大后，就得到了三阶交调信号被抑制了的放大信号。从而提高了 线性度，如图3 1 0 ，3 1 1 所示“。 i 上上山l