（通信与信息系统专业论文）有线电视网安全监控系统的研究.pdf

摘要 本论文分析和论述了有线电视网络安全监控系统的设计与研制的 有关技术问题。 论文作者对有线电视网络安全监控系统的组成及其原理进行了分 析和介绍。设计思路是在原有的有线电视网的混合器部分外加一个主计 算机控制单元，并在各放大器部分分别嵌入一个节点控制单元，从而构 成一个监控网络。文中给出了控制电路中关键芯片的介绍，对锁相调频 p l l f m 及f m 信号的解调的理论原理进行了详细分析，并给出了相应的 电路实现及有关电路的特性分析。文中对主控制单元中系统机与单片机 的通信进行了分析，并给出了相关的电路实现。 文中给出了本系统中数字通信中差错控制编码的理论分析及实现。 男外，论文还对印制电路板的电磁兼容性设计及接地技术进行了分析和 阐述。 关键词：有线电视网安全监控系统，锁相调频，m ( ：1 4 5 1 6 2 单片机控制 a bs t r a c t t h i st h e s i sd i s c u s s e sa n da n a l y s e st h et e c h n o l o g yp r o b l e m sf o r t h e d e s i g na n dd e v e l o p m e n to fc a t vn e t w o r ks a f em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l s y s t e m a u t h o ra n a l y s e sa n di n t r o d u c e st h ec o n s t i t u t i n go f t h es y s t e ma n di t s p r i n c i p l e t h ed e s i g nt h o u g h ti s ：o nt h eb a s i so f t h ep r e v i o u sc a t vn e t w o r k ， t oa d dam a i nc o n t r o lu n i ta tt h em i x e rp a r t ，a n de m b e dan o d eu n i t si ne a c h d u a l m e c t i o na m p l i f i e r , a c c o r d i n g l y , c o n s i f i t u eas a f em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ln e t w o r k i nt h i sd i s s e r t a t i o n , s o m ek e yc h i p so f c o n t r o lc i r c u i t sa r ei n t r o d u c e d i ta n a l y s e st h e t h e o r ya b o u tp l l - f ma n df ms i g n a ld e m o d u l a t i o n ，a n dg i v eo u tr e a l i z a t i o n o fc o r r e s p o n d i n gc i r c u i ta n dc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s t h et h e s i sp r e s e n t st h e a n a l y s i sa b o u tt h ep r o c e s so f t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec o m p u t e ra n d t h es i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o ri n s i d et h em a i nc o n t r o lu n i t ，a n dg i v e so u t t h er e l a t e dc i r c u i tr e a l i z a t i o n t h et h e s i sg i v e so u tt h et h e o r ya n a l y s i sa n dr e a l i z a t i o no fe r r o rc o n t r o l c o d ed u r i n gt h ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o ni nt h i ss y s t e m m o r e o v e r , t h et h e s i s a n a l y s e sa n de x p a t i a t ee m cd e s i g np r o b l e m so fp r i n tc i r c u i tb o a r da n d t e c h n i q u ea b o u tc o n n e c t i n gt h eg r o u n d k e y w o r d s ：c a t vn e t w o r ks a f em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ， p l l f m ，m c l 4 5 1 6 2 ，s i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o rc o n t r o l 1 1 引言 第一章绪论 我国有线电视已经成为我国广播电视事业的重要组成部分，已经成 为人民群众特别是城镇居民收看电视的主要手段，因此，有线电视网络 的安全已经成为不容忽视的一项重要任务。几年来，有关部门加强了有 线电视网络安全播出的管理，但近来破坏有线电视网络的事件时有发 生，人民群众反响强烈，特别是故意破坏有线电视网络的恶性案件，造 戍了极为恶劣的社会影响，必须引起各级广电部门的高度重视。针对这 一问题，必须加强有线电视网络的安全管理。从技术的角度要求加强技 杞防范措施，建立网络安全监控机制。 从全国有线电视网络的技术结构看，国家级光缆干线网、省级光缆 干线网具有先进的网管系统，可以对网络实施有效的监测，相对比较安 全。而地市级以下的分配网直接连接用户，大多使用电缆传输，监控手 段不完备、加强有线电视网安全管理，重点是对分配网的监测控制和安 全防范。 主要有以下几项任务：一是加快有线电视网络改造和数字化进程， 实现可拉到户，有线电视分配网要尽量形成环型网络，同时要增加光节 氧，缩小故障影响范围。在工程施工上，有线电视光缆网要尽量采用直 埋或管道的八地敷设方式，有线电视电缆及其放大器、分支分配器等传 输设备要有保护措施。二是针对新情况，调整和完善全国广播电视监测 r a 建设方案，将有线电视网络监测系统作为重点，加快建立全国有线电 观分级监控系统，首先做到网络安全监测，要利用在节目中加入电子台 标，节目识别密码或者对有线网络载波进行监测等多种技术手段，网络 一旦遭破坏，立即自动向监控中心报警，从而提高防范和处理能力。同 时要逐步做到监测节目内容和传输质量，提高网络的监管水平。三是建 立和完善广播电视服务质量投诉中心，加强人工反馈，及时发现和处理 出现的问题，提高广播电视网络服务水平。 1 基于上述背景，本课题的目标是建立一个针对有线电视分配网的安 全监控系统。 1 2 有线电视系统概述 一、有线电视的起源与发展 有线电视技术的产生与发展和现代科学技术的发展紧密相关，也经 历了初始，成长和发展三个阶段。 有线电视的前身一一共用天线系统( c a t v ：c o m m u n it ya n t e i l n at v ) 也称公用天线系统( m a t v ：m as t e l a n t e n n at v ) ，起源于19 4 8 年美国 宾夕法尼亚州的曼哈尼山城。为解决电视台发射信号的阴影区接收信号 的问题，它由一套主接收天线接收电视信号，经与电力线共杆的同轴电 缆进行信号传输并分配入户，这种方式一直沿用至今。但随着城市建设 的逐步发展，高层建筑物越来越多，对电视信号形成遮挡加之各类电波 的干扰，要继续发展就受到了限制。 为解决电视信号的遮挡和干扰问题，人们一直在探寻一种能有效提 高电视节目传送质量并能增加节目容量的办法，这就是电缆电视系统 ( c a t v ：c a b l et v ) 。电缆电视在20 世纪6 0 70 年代得到发展。电缆 电视采用了邻频传输技术，提高了频带利用率，增加了频道容量，同时 采用了电平控制技术，提高了信号传输的质量。它是在有线电视台( 站) 配备前端设备，并用同轴电缆做干线传输，以闭路的方式组建电视台网 络，其规模小到几十户，大到上万户，但受到同轴电缆干线传输距离有 限的制约，不能在大城市广泛应用。 有线电视的发展阶段是伴随着微波技术、卫星电视技术和光纤传输 技术的发展而同步进行的。在20 世纪8 0 年代，采用多路微波分配系统、 光纤传榆代替同轴电缆进行干线和超干线传输的方式进入实用阶段，使 有线电视的网络结构更为合理，规模更加扩大，使大范围布网成为可能。 有线电视由单向传输模拟电视节目向双向传输多功能综合业务方向发 展已成为信息社会的必然趋势。电信网、有线电视网和计算机数据网的 “三网合一”是信息社会发展的需要。 二、有线电视系统的基本构成 有线电视系统一般是由信号源、前端、干线传输和用户分配网几个 系统组成的整体系统。而各个系统包含多少部件、设备，将视具体需要 决定。的有线电视系统的构成如图2 1 所示。 匝 匝丑臣强辘 子系统子系统子系统 图2 1 有线电视系统的构成 前端是指在有线电视系统中，用以处理需要分配的由天线接收的各 种无线信号和自办节目信号的设备部分。它包括：天线放大器、解调器、 调制器、混合器、光发射机等。 传输系统是一个传输网，它主要是把前端接收、处理、混合后的电 视信号传到用户分配系统的一系列传输设备，主要有各种类型的干线放 欠器、干线电缆、光放大器、光缆、多路微波分配系统等。 分配系统是有线电视系统的最后部分。它以广泛的分布直接将来自 干线传输系统的信号，分配传送到各家各户的电视机。它包括：光接收 机、线路延长放大器、分配放大器、分支器、分配器、电缆、用户终端 筝。 三、有线电视的频谱分配 有线电视所选用的频道配置方法是一种无线电视广播频率相兼容 的配置方案，目前国内是根据电视广播行业标准有线电视广播技术规 范 ( g y t 10 6 92 ) 和19 8 8 年发布的国家标准“3 0 m h z 1 g h z 声音和电 视的电缆分配系统频率配置执行。 有线电视系统具备双向传输功能，反向( 上行) 通道带宽为5 3 0 m h z ，正向( 下行) 通道带宽为4 8 5 9 58 m h z 。 我国的模拟电视频道带宽为8 m h z ，采用残留边带方式传递图象信 号。图象信号上边带标称带宽为6 m h z ，残留边带的标称带宽为0 7 5 m h z 。 伴音信号的发送采用调频方式，占有0 25 m h z 频带。同时规定伴音载 频要比图象载频高6 5 m h z ，频道下限与图象载频为1 25 m h z 。 13 系统设计要求 系统设计要求： 1 ，采用原有通信线路，不另增设线路； 2 采用模块化设计，可扩展性强； 3 系统安全可靠性强； 4 报警时间要快，定位准确； 5 监测信号回传方便，适合于各种通信网络状况。 由于此课题是本人在陈殿仁导师的精心指导下共同完成的，而本人 参与的主要是硬件部分的的工作，故而下文主要从硬件方面进行阐述。 第二章有线电视网络安全监控系统的组成 有线电视网络安全监控系统是为保证有线电视网络安全和播出节 目安全而设计开发的计算机监控系统。 21 系统的组成原理 有线电视网安全监控系统的组成详见图2 1 。在原有的有线电视网 的混合器部分外加一个主计算机控制单元，并在各放大器部分分别嵌入 一个节点控制单元，从而构成一个监控网络。 图2 1 有线电视网安全监控系统的组成 在整个监控系统中，主控制单元与节点控制单元数字通讯的实现要 求主控制单元到各节点控制单元之间的放大器具有双向传输功能，即采 用双向放大器。 22 主控制单元的组成原理 主控制单元对各节点控制单元进行分时轮询各节点的状态，以实现 监控。主控制单元通过向各节点控制单元依次发送监控指令( 下行传 蝓) ，相应的节点控制单元将当前状态反馈给主控制单元( 上行传输) ， 刮空制单元通过软件记录、存储并分析各被监测节点的工作状态，之后 将直观地显示各监测点的状态及报警信息，并对报警故障点的具体位置 进行定位，从而实现对有线电视网的安全监控。 主控制单元的原理框图详见图2 2 。主计算机控制单元的监控指令 fo 带 图2 2 主控制单元原理框图 通过视频加权调制经由混合器下行传输。上行回传信号通过低通滤波、 选频放大经由f s k 解调器送回主计算机( 系统机) 。 系统的主控制单元由一台p c 系统机、一个单片机控制系统及调带 解调电路系统构成。 2 3 节点控制单元的组成原理 节点控制单元的原理框图详见图2 3 。主计算机控制单元过来的已 调信号通过高通滤波、宽带放大、下行选频放大，经由f s k 解调器后到 达单片机，单片机对信号进行分析处理，若是对本节点的轮询监控指令， 则将本节点状态信息进行f s k ( 频移键控) 调制后，通过宽带放大、低 通滤波上行回传至主计算机控制单元；若不是对本节点的轮询监控指 争，则将其丢掉。 节点控制单元为一个单片机控制系统。单片机系统的核心芯片 ( c p u ) 采用a t 8 9 c 2 0 5 1 。 6 图2 3 节点控制单元原理框图 整个安全监控系统下行传输的中心频率为5 8 m h z ，上行回传的中心 频率为2 8 m h z 。信号的调制解调采用f s k 频移键控。 系统节点单元的电路总原理图如图2 4 所示。 l l i 豁鼙 。蹴。匿芎鉴 交? 乒聪焉征二 ；一m r e m l n e o u t j 一c o m pi n c o m p o l r f 鼾 i 一2 m m 2 m i x o l i t 者一2 m r x l nc a r d e l 一lm l x me - 一2l o e c o l l 贵2l o b s e r ss l i u m d e c0 u a d c o l l 一* 一? ! 兰 目! 峨驯! 图2 4 节点单元电路原理图 8 24 调制器与解调器 调制、解调器在本系统中的功能是t ( 1 ) 对主机的监控指令( 数字 信号) 实现p l l - f m ( 锁相调频) 调制以便通过网络下行传送，对节点 的状态信息实现p l l f s k 调制以便通过网络上行回传：( 2 ) 对f s k 调制 信号进行二级混频及相应的带通滤波后，经限幅放大器及检测电路( 检 波器) 实现解调以便将解调后的数据送入控制系统。 9 第三章关键芯片说明 本章将对本单片机系统的关键芯片进行具体介绍，它们分别是 t 8 9 c 205 1 ，m c3 3 6 3 和m c l4 5 162 。 3 ，1a t 8 9 0 2 0 5 1 单片机 a t 8 9 c 2 0 5 1 是a t m e l 微控制器家族中的低价成员。它含有2 k 字节 的闪速程序存储器，完全和m c s - 5 1 单片机的结构兼容，并可用m c s 一5 1 指令集进行编程。但对a t 8 9 c 2 0 5 1 进行编程时，应考虑其2 k 字节的程 序存储空间约束，另外它不支持外部数据存储器的执行，故而程序中不 应包含m o v x 类指令。 a t 8 9 c 20 5 1 单片机采用了c m o s 制造工艺，2 0 只引脚，双列直插式 封装。下面就其引脚功能及本系统所采用的复位电路予以介绍，其他的 就不再一一说明了，需要者请查阅有关单片机应用设计的参考书。 一、引脚说明 a t 8 9 c 20 5 1 引脚如图3 1 1 所示，2 0 只引脚按其功能来分，可分为 四个部分： 1 电源引脚：电源引 脚用于接入单片机的工作 电源。 ( 1 ) v c c ( 2 0 脚) ： 接+ 5 v 电源： ( 2 ) g n d ( 10 脚) ： 接地。 2 时钟引脚：x t a l l ， x t a l 2 。 ( 1 ) x t a l l ( 5 脚) ： r s t - _ 1 ( r x d ) p 3 0 口2 ( t x d ) p 3 1 几3 x i a l 扪4 x t a l | i5 ( i n t 0 ) p 3 2 6 ( 丽) p 3 3 7 ( r o ) p 3 4 _ 8 ( t 1 ) p 3 5 j9 g n d 1 0 v c c p 1 7 p 1 6 p 1 5 p l4 p 1 3 p 1 2 p 1 1r a i n l p 10 ( a i n o 1 1h p 3 7 图3 1 1a t 8 9 0 2 0 5 1 的引脚 10 接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端。 当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地； ( 2 ) x t a l 2 ( 4 脚) ：接外部晶体的另一端，在单片机内部接至内 部反向放大器的输出端。当采用外接晶体振荡器时，该引脚接收振荡器 均信号。 3 控制引脚：r s t ( 1 脚) 。用于复位输入。当振荡器运行时，在 此引脚外加两个机器周期的高电平将使单片机复住。每个机器周期由 ：2 个振荡周期或时钟周期组成。 4 i o 口引脚：p 1 ，p3 。 ( i ) p l 口( 12 19 脚) ：p 1 口是一个8 位双向i o 口。引脚p 1 2 p 1 7 提供内部上拉电阻，p 1 0 和p 1 1 要求外部上拉电阻。p 1 0 和p 1 1 还分别作为片内精密模拟比较器的同向输入( a i n 0 ) 和反向输入( a i n l ) 。 p 1 口输出缓冲器可吸收2 0 m a 电流，并能直接驱动l e d 显示。当p 1 口 1 脚写入1 时，它可用作输入端。当引脚p 1 2 p 1 7 用作输入并被 外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而流出电流。p l 口还在闪速编 程和程序校验期间接收代码数据； ( 2 ) p3 口：p 31 3 的p 3 0 p 3 5 、p 3 7 是带有内部上拉电阻的 七个双向i o 引脚。p 3 6 用于固定输入片内比较器的输出信号，并且 它作为一个通用i o 引脚而不可访问。p 31 3 缓冲器可吸收2o m a 电流。 - 3p 3 口引脚写入1 时， 它们被内部上拉电阻拉高 并可用作输入端。用作输入 时，被外部拉低的p 3 口引 脚将用上拉电阻而流出电 流。p3 口同时又是一个双功 能口。表3 1 1 中表示了p3 口为第二功能时的定义。p 3 口还接收一些用于闪速存 储器编程和程序校验的控 制信号。 表3 1 1p 3 口的第二功能定义 口引脚第二功能 p3 0 r x d ( 串行输入口) p3 1 t x d ( 串行输出口) p3 2 i n t o ( 外部中断0 ) p3 3 i n t l ( 外部中断1 ) p3 4 t o ( 定时器0 外部中断) p 3 5 t 1 ( 定时器1 外部中断) 二、复伍电露 32 芯片m c 3 3 6 3 m c 3 3 6 3 是一种单片窄频带f m 接收器。它是一种具有r f ( 射频) 放大器、晶体管、振荡器、正交检波器、表驱动载波检测和沉默电路 的双工接收器。m c 3 3 6 3 有一个缓；中第一本机振荡器输出，用于频率合 成和一个数据限幅比较器，用于f s k ( 频移键控) 的检测。 一、芯片m c 3 3 6 3 特性简介 大范围的输入带宽一用本机振荡器时为2 0 0 m h z ，用外部本 机振荡器时为4 5 0 m k 闭音运算放大器 完全的双变换电路 低电压：v c c = 2 0 到6 0 v d c 小的偏电流：i c c 在v c c = 30 v 时典型值为3 6 m a ，不包括r f 放大器晶体管 高的灵敏度：对于1 2 d bs 1 n a d ( 信号对噪声和失真比) 输入 o 3 “v ( 典型值) ，用内部的放大器 数据整形比较器 6 0 d b 动态量程的r s s i ( 接收信号强度指示器) 所需外部元件很少 用m o t o r o l a 的m o s a i c 工艺制造 二、m c 3 3 6 3 电路介绍 m c 3 3 6 3 是一个由r f 放大器到声音前置放大器的完整的f m 窄带 接收机。低电压双变换设计产生了用于窄带音频和数据链路的低功耗、 高灵敏度和好的图象载波抑制功能等特点。 在典型应用中，输入的r f 信号由r f 晶体管放大，然后由第一级 混频器放大并将r f 输入变换成1 07 m h z 。i f 信号在外部进行滤波，然 后送八第二个混频器。它进一步放大并将其变换成4 5 5 k h z 的i f 信号。 经过外部带通滤波，低的i f 被送入限幅放大器和检测电路。声音用常 12 规的正交检波器进行恢复。两次i f 滤波是在内部进行的。 输入信号电平由表驱动电路进行监测，它检测限幅放大器的限幅 量，在表驱动脚处的电压决定载波检测输出，它在工作时为低。 三、应用说明 第一个本机振荡器是作为p l l ( 锁相环) 频率合成接收机中的v c o ( 压控振荡器) 使用的。m c 3 3 6 3 可以和1 4 5 1 6 6 7 同时使用，以形成在 4 6 4 9 无绳电话的宽带双芯片1 0 信。l 道频率合成接收机。m c 3 3 6 3 也可 “】i 赢贰妄 lm l 五u t 广_ 书 以和c m o sp l l 合成器的 型篙e l n g l r l a o u o d u i t of 孝 m c l 4 5 1 5 x 系，4 和e c l 预定比倒霉了m c o u m p t e i l n n ：嚣：器 的m c l 2 0 x 系列在高达2 0 0 m h ：姿爿；m 【, m i x x m i n2 淼嚣三李 的v h f ( 甚高频) 频率合成中一 j ! 蕊c o l ：e 辜 起使用。 ：旱一l i m d e cq u a d c o i l _ ； 对于单信道应用，第一个本机选jl 。i m c a d ，e c 0 c n tg l 。o ；：漆f 多 振荡器可以由晶体控制。对于更高 的频率，可以在脚 与或2 6 注 图3mc03125 21 3 6 3 的引脚 人一个外部振荡器信号，其电平建议用1 0 0 m v 丌n 。左右。当采用这种方 案时( 保持i f 频率为1 0 7 m h z 不变) ，第一个混频器的传输特性直到 4 5 0 m h z 都保持是平的。第二个本机振荡器为科印匹兹型，它通常在晶 体控制下在1 0 2 4 5 m h z 运行。 混频器是双平衡的，以减少寄生的响应。第一和第二混频器的典型 增益分别为18 d b 和2 1 d b 。混频器的增益相对于电源是稳定的。对于两 种变换，混频器的阻抗和脚的安排都使用户能选择便宜而且易于获得的 陶瓷滤波器。 在第一个混频器的后面，建议使用一个1 0 7 m h z 的陶瓷带通滤波 器。然后将1 07 m h z 经过滤波的信号送到第二个混频器的输入管脚2 1 ， 另一个输入脚2 2 连到v c c 上。 4 5 5 k h z 的i f 经过陶瓷窄带通滤波器后送进限幅器的输入端脚9 。 限幅器对于一3 d b 的限幅具有1 0 v 的灵敏度并能在1 0 m h z 保持平 直。 13 限幅器的输出在内部连到正交检波器上，它包含一个正交电容器从 脚14 到v c c 需要一个外部l c 电路。包括一个6 8 k q 的分路电阻，它决 定正交检波器峰值的距离。较小的电阻会降低q 值和扩展偏离范围和线 性度但同时会减少恢复的声音和降低灵敏度。 一个数据整形电路，它可以和脚1 6 的恢复了的声音输出耦合。这 个电路是一个比较器，它设计用来检测f s k ( 频移键控) 调制的零跨越。 用这个比较器，能检测的数据速率可迭3 5 0 0 0 b a u d ( 波特) 。当数据速 率限制在1 2 0 0 b a u d 以下时可以得到最好的灵敏度。用一个高值电阻器 从脚l7 引到脚1 8 可以得到滞后。不要用小于1 2 k f l 的电阻器，因为输 入信号不能克服此滞后。 表驱动电路通过监测限幅放大器的限幅来检测输入信号电平。表驱 动电路可以直接应用( r s s i 接收信号强度指示器) 或者在给定功率时 断开载波检测电路。 一个沉默电路的运算放大器，它可以由载波检测输出( 脚1 3 ) 触 疑。这提供了一个载波电平触发的静噪电路，它在期望输入频率的r f ( 射频) 降到预先设定值以下时被激活。发生这种情况时的电平由表驱 动输出( 脚1 2 ) 和v c c 之间放置的电阻器决定。建议采用8 0 到1 3 0 k n 之间的值。 在脚1 2 和13 之间加一个高值电阻器r 就可以获得滞后。公式是： h 。；t ( 滞后量) = v c c ( r h 1 0 。) d b 表驱动也可以直接驱动一个表或提供一个a g g ( 自动增益控制) 。 对于这种应用，需要一个电流到电压的变换器或其它线性缓冲器。 运算放大器的第二种可能的应用是一种由噪声触发的静噪电路，类 似于使用m c 3 3 5 7 m c 3 3 5 9 m c 3 3 6 1 b 、f m ( 调频) i f ( 申频) 的那种。 在这种情况下，运算放大器用作有源噪声滤波器，它的输出经过整流和 静噪门上的一个基准比较。m c 3 3 6 3 没有一个专门的静噪门，但n p n ( 一 种晶体管) r f ( 射频) 输入级或数据整形比较器( 如果有的话) 可用 以提供这种功能。运算放大器是基本型的，它的输入和输出反相。这种 应用使表驱动空闲下来，以便用作线性信号强度监测器。 33 芯片m 0 1 4 5 16 2 m c l 4 5 1 6 2 是专门为应用于全球性c t 1 无绳电话而设计的双锁相 环( p p l ) 频率合成器。该频率合成器也适用于工作频率在6 0 m h z 或 6 0 m h z 以下的任何产品。 在特征上，该器件包括充分可编程序的接收、发送、参考和辅助参 考计数器，它们的存取都可以通过一个串行接口的m c u 来进行。这一 特征允许该器件可应用在任何c t 一1 无绳电话中。 该器件包含两个分别为接收环路和发送环路用的独立的相位检测 器。驱动两个独立的参考频率计数器的公用参考振荡器能为发送和接收 环路提供独立的参考频率。如有需要的话，利用辅助参考计数器可以为 接收和发送环路选择附加参考频率。 一、芯片m c l 4 5 1 6 2 特性简介 2 1 2 作电压范围为2 5 一 5 5 v c l k 门1o 1 6r i 面 。1 卜_ 3 - 作温度范围为- 4 0 a d n f2 15ht x p d o 7 e r 、厂 din r 3 1 4r _ 】f i n t 功耗为3 0 m a 2 5 v ，i g 最大工作频率：e n bl j 4 孽 1 3 t x p s 7 f r a r 1 ，p 0 s c i n l 、11 12 j p 夏i 臻llr = r l 娶玉t 8 r l 参考汗毅嚣厂r1 一 j 、 蔓、1 i s c o u t 1 4 b r r 辅助9 1 k 0 发送选择 、 j 可编程参考计数器j u c l it刮盛i 1 计d 弓 ， h j 再百l 、l 略；出靼l 1 5 、 5 1 鼍矿产p 1 4 - b i t 1 - ! 兰兰! ! i l d 、 1 6 a d i n c l k 】、jh m lt m 厂| m d i n 3、l 糙。p 丰搴制窖存鞭 e n b 4、l 7 l s f r x i 、 1 别名。 1 3 爿，s e 移位寄存叫 1 1 f i n t 臼跏 v 1 6 b i t t x r x - 0 1 4- 1可编程计数器r 一 接收选择 1 1 6 - b i t 移位寄存划 剥梳l r ) 毋d 弓 、f 蝻汕翼i 1 0 右n r 口1 。未风l ，l 竺= _ 9 r 可编程计数器l v a r ，= 1 2 脚 v s s = 6 脚 图33 2m c l 4 5 1 6 2 功能框图 参考频率计数器的分频范围：1 6 4 0 9 5 辅助参考频率计数器的分频范围：1 6 1 6 3 8 3 发送计数器的分频范围：1 6 6 5 5 3 5 接收计数器的分频范围：1 6 6 5 5 3 5 二、引脚说明 以下为m c l 4 5 1 6 2 各引脚的定义及使用说明( 参见图3 3 1 和图 3 3 2 ) 。 1 o s c 。o s c 。u f ：参考振荡器输入输出( 引脚8 ，7 ) 这些引脚在和外部并联谐振晶体的条件下可构成一个参考振荡器。 o s c ，。也可作为外部产生的参考信号的输入端，该信号通常是交流耦合 的。 2 m c u c l k ：系统时钟( 引脚5 ) 该输出引脚供给其频率等于除以3 或4 的晶体频率的信号，并由控 制寄存器内的一介专用位来控制。该信号可 - 3 作m c u 的时钟源或用作其 ，也系统时钟。 3 a d m ，d 。c l k ，e n b ：辅助数据输入端，数据输入端，时钟，使 能端( 引脚2 ，3 ，1 ，4 ) 这四个引脚提供了m c u 串行接口，以便为参考计数器、发送信道 汁数器和接收信道计数器辅助参考编程。它们还为p l l 提供各种控制 功能，包括节能模式和编程格式。 4 r j 。p s f t 。，r ；p s ：发送节能，接收节能( 引脚1 3 ，1 1 ) 在正常应用状态时，这些输出引脚可提供内部节能模式的状态信 息。如果发送信道的计数器处于掉电模式，则t 。p s f t 。输出为高电平状 态。如果接收信道的计数器处于掉电模式，则r ，p s f r 。端口被置为高电 。p 状态。这两个引脚还可以用来控制发送和接收机的外部电源开关以代 替m c u 的控制引脚。在t ，r ：信道测试模式下，t x p s ，f t 、和r x p s 氘引 脚分别输出发送信道计数器( f t x ) 和接收信道计数器( f r x ) 的除数值( 分 领系数) 。这一测试模式的操作由控制寄存器来控制。有关计数器测试 模式的细节将在后面的相关部分予以说明。 5 f , n - t f i n - r ：发送接收计数器输入端( 引脚1 4 ，9 ) n _ t 和。r 分别是发送和接收计数器的输入引脚。这些信号通常是 由v c 0 环路来激励的。最低的输入信号电平为2 0 0 m v p _ p 6 0 o m h z 。 6 t 、p d 。t r 、p d 。：发送接收相位检测器输出( 引脚1 5 ，1 0 ) 这两个引脚是发送和接收相位检测器的三态输出端，它们可用作环 路误差信号( 参见图3 3 3 中的相位检测器输出波形) 。 频率f v f r 或f v 超前：输出；负脉冲 17 频率f v f r 或f v 滞后：输出= 正脉冲 频率f v = f r 且同相：输出= 高阻抗状态 f r 为相位检测器输入端上经过分频降低的参考频率，而f v 为相位检 测器输入端上经过分频的v c o 频率。 f 。，参考 to s c 。参考计数器) ，反馈 ( n _ t t 计数器或 n _ r r x 计数器) t x p d o m 或 r x p d o u l d uul ； l 厂 兀r 二 i h it j h i n几 高电平 低电平 高电平 低电平 高电平 高阻抗 注：1 在这一点，当和同相位时，输出被强制到接近电源中部。 2 t x p d 。和r x p d 。在失锁时产生误差脉冲。当相位和频率锁定时输出为高 阻抗，其脚电压确定于低通滤波器电容。 图3 3 3 鉴相锁相检测输出波形 7 l d ：锁相检测( 引脚1 6 ) 锁相检测信号是与发送环路相联系的。输出为高电平时表示处于失 锁状态( 参见图3 3 3 中的l d 输出波形) 。 8 v d d ：电源正极( 引脚1 2 ) v d d 为电源的最高电位端子，相对于v s s 其电压范围为2 5 5 5 v 。 9 v k s ：电源负极 v s s 为电源的最低电位端子，通常接地。 三、m c u 的编程体系 m c u 的编程体系被限定于由e n b 的输入所控制的两种格式。如果 在串行数据传输期间e n b ( 使能信号) 置为高电平，则控制寄存器参 考频率编程被选定。如果e n b ( 使能信号) 置为低电平，则发送和接 收计数器编程被选定。在对发送和接收计数器编程时，a d i 。和d 。引脚 都可以将数据输入到发送和接收计数嚣。这两个计数器的数据是在c l k 的前沿通过时钟脉冲移入p l l 内部的移位寄存器的。在利用e n b ( 使 能信号) 对发送接收信道编程时，不必对参考频率计数器控制寄存器 重新编程。 在对控制寄存器参考频率的编程体系中，编程字的最高位( m s b ) 用来确认输入的数据是否是控制字。如果m s b 为1 ，则输入数据为控 制字( 如图3 3 4 ) 。另外也可参见表3 3 1 有关控制寄存器和位功能 的信息。如果m s b 为0 ，则输入数据为参考频率( 图3 3 5 ) 。 柠制寄存器标识符= 1 注：串行传输时e n b 必须为高电平 图3 3 4 控制寄存器的编程格式 表3 3 1 控制寄存器功能位的说明 在t x r x 信道测试模式下，设为1 ； 测试位 正常使用模式下，设为0 辅助数据 当a d i n 和d i n 引脚分别输入16 位发送信道分频数据和 1 6 位接收信道分频数据时，设置为1 ；在与m c u 串行 选择位 接口的正常应用时，设置为0 ( a d i n 引脚不用时接地) r e f o u t 3 4设为1 时，r e f o u t 输出频率= o s c o u t 3 ： 选择位设为0 时，r e f o u t 输出频率= o s c o u t 4 如设为1 ，则发送计数器、发送相位检测器及相关电路 t x p d 使能 均处于掉电模式，同时t x p s f t 。引脚被置为高电平 如设为1 ，则接收计数器、接收相位检测器及相关电路 r x p d 使能 均处于掉电模式，同时r x p s f t x 引脚被置为高电平 如设为1 ，则12 比特和1 4 比特参考频率计数器均处于 r e f p d 使能 掉电模式 参考频率数据字为一个3 2 比特的字，它包括12 比特参考频率数据， 1 4 比特辅助参考频率计数器信息，参考频率选择组合位和辅助参考频 率计数器使能位( 图3 3 5 ) 。 如果a u xr e fe n b 位设置为高，则1 4 位辅助参考频率计数器将 为各环路提供额外的相位参考频率输出。如果a u xr e fe n b 位设置为 低，则为了节电起见，辅助参考频率计数器将被强制进入掉电模式。其 他的摔电模式也通过控制寄存器提供( 见表3 3 2 和图3 3 4 ) 。在e n b 信号的下降沿，数据将被存储在相关的寄存器中。 表3 3 2 控制寄存器掉电功能位的说明 t x p dr x p dr e fp dt x 信道r x 信道 参考频率 使能使能使能计数器计数器计数器 0o0 0 ol p o w e rd o w n 0lop o w e rd o w n 0l1p o w e rd o w np o w e rd o w n 1o0p o w e rd o w n 1olp o w e rd o w np o w e rd o w n 1 lo p o w e rd o w np o w e rd o w n 1 l 1p o w e rd o w np o w e rd o w np o w e rd o w n 对于通用的电路模式有两种接口方莱：三引脚和四引脚接口方案。 三引脚接口方案适用于m c us p i ( 串行外围接口) ，而四引脚接1 ：方案 通常用于一般的i o 端口连接。 斌歌芟孢塑题图冒 c l “ 广 厂 r 厂 ；厂 厂 厂 硅厂 一厂 注：串行传输时e n b 必须为高屯平 图3 3 5 辅助参考频率计数器的编程格式 对于三引脚接口方案，辅助数据选择位调整为0 。由16 比特发送 计数器数据和1 6 比特接收计数器数据组成的数据位，在c l k 的前沿， 通过数据输入端口锁存入p l l 内部的寄存器( 见图图3 3 5 和图 3 3 6 ) 。 c l “ 厂 挂 厂 厂 ； r 竺竺 帅 l 注：串行传输时e n b 必顽为低l 皂平 图3 3 6 发送和接收计数器的编程格式 对于四引脚接口方案，辅助数据选择位调整为1 。在这种方案中， 1 6 比特发送计数器的数据进入a d i 。引脚的同时，16 比特接收计数器的 数据进入d 。引脚。这种发送和接收计数器同时输入数据的方法使得四 引脚接口方案的编程周期只有三引脚接口方案的一半。 在对t 。r x 信道计数器编程时，e n b 引脚必须发出一个脉冲，以便 在接着最后一个时钟的上升沿之后提供一个下降沿来锁存移入的数据。 最大的数据传输速率为50 0 k b s 。 四、参考频率的选择和编程 图3 3 5 给出了参考频率编程字的位功能。用户可以为所有频道选 择固定的参考频率或者利用两个参考频率计数器为某一特定信道提供 一个特殊参考频率。参考频率愈高，则相位噪声性能愈佳且锁相时间愈 短，但是如果两个参考频率计数器同时在工作，则p l l 将耗电愈多。 一般来说，12 比特参考频率计数器加上4 和25 模块可以提供 所有参考频率，以满足发送和接收频道的要求。通过引入1 4 比特辅助 参考频率计数器，用户能够选择他们的自用频率。 通过将参考频率计数器编程字中的辅助参考使能住设置为0 ，可关 闭1 4 比特辅助参考频率计数器。在这一状态中，f 砬将自动连接到c 点 【25 数据块输出) 。通过调整在参考计数器编程字中的f r l s 1 和f r l s 2 位的方法，可以使f r l 连到a 点或b 点。在这种情况下，1 4 比特辅助参 考频率计数器将处在关闭状态。 如果14 比特辅助参考频率计数器被使能( 辅助参考使能= 1 ) ，则 将自动连至d 点( 1 4 比特计数器输出) 。此时，通过调整在参考计数器 编程字中的f r l s 1 和f r l s 2 位的组合，可以使f r l 连到h 点，b 点或c 董。 表3 3 3 、图3 3 2 及图3 3 5 描述了辅助参考使能住的功能和 一s 1 与f r l s 2 位的通道选择功能。 表3 3 3 a u xr e f 辅助参考频率计数器模式 方式选择 f r lf ， 使能s 1s 2 路由 0on ，a 0 1 4 一b i t 辅助参考频率o1 1 _ a 计数器禁止( 使不能) fr 2 c i0 f a l b l1n ，a 00n f a 1 4 一b i t 辅助参考频率o 1 f r l - a 1f 2 d 计数器使能 lo ，_ b 11 f j b 五、t x 瓜x 频道计数器的测试 在正常应用中，t 。p s f r 。和r 。p s f r 。的引脚输出表明了节能状态。 但是通过把控制寄存器中的测试位设置为i ，就可以监测t x 和r 。频道计 数器的输出。发送频道计数器和接收频道计数器的最后的值将分别输出 到t 。p s f ，；和r 。p s fh 因此，可以对在p l l 电路应用中与r f 输入电平 相关的分频输出波形加以校验。 第四章调制与解调 由于本系统是建立在有线电视网络的基础上，传输媒质为同轴电 缆，另外系统通信为数字通信，故而采用f s k 频率调制和解调。频率调 制是一种使高频振荡的频率按调制信号的规律变化，而振幅保持不变的 调制方式。而本系统采用锁相调频是为了获得高稳定度的载波中心频 率，有助于提高系统中数字通信的可靠性。 4 1 锁相频率调制( p l l f m ) 一、锁相调频原理 锁相调频的原理框图如图4 1 1 所示。 图4 1 1 锁相调频的原理框图 锁相环路的实质是一个相位差自动调节系统。它包括三个基本部 件：压控振荡器( v c o ) 、鉴相器( p d ) 和环路滤波器( l f ) 。 鉴相器也称相位检波器，它实现对输入的传输信号和参考晶振信号 之间的相位比较，输出对应于两个信号相位差的误差电压u d m 。环路滤 波器的作用是滤除误差电压u d ( t ) 中的高频成分扣噪声，以保证环路所要 求的性能。压控振荡器受u 。( t ) 的控制，使压控振荡器的频率向参考信 号频率接近，也就是使频率差越来越低，直到消除频率差而迭到相位锁 定。环路相位锁定后，环路将锁定在一个中- 心频率( 即载波频率) 上。 锁相环路具有可以抑制叠加在输入端的噪声的功能，这主要是固为 锁相环是一个控制环路输出信号相位的伺服系统。 在使用锁相环路进行调频时，应保证调制信号的频谱处于环路滤波 器的通带之外，并且调制指数不能太大。这样，调制信号不能通过环路 滤波器，因而在锁相环路内不能形成交流反馈，也就是调制频率对锁相