（通信与信息系统专业论文）智能型广播无线电信号测试仪的设计与实现.pdf

里曼型鎏l 一塑墼型堡垂垡皇笪呈塑! 望堡竺堡兰兰塞婴 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，针对省广播调幅台 的监测要求，提出了一种广播覆盖效果监测系统的构成方法，该系统主要由控制中心、 通信网络和遍布在全省各地区的测试装置组成。 论文主要针对前端测试装置的要求，完成了智能型广播无线电信号测试仪的设计 与实现。 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，采用收音模块对广 播信号进行接收和预处理等操作；采用s z 2 4 1 0 开发板作为主控制单元，控制模拟开 关进行多通道的切换，控制a d 接口进行数据采集、控制显示、中断、记录等逻辑操 作。 软件设计方面，通过对s t 2 4 1 0 开发板的编程实现了a d 转换功能、触摸屏的操 作与显示功能、广播参数的计算功能以及数据存储功能。 论文最后总结了系统设计过程中硬件和软件两方面的注意事项，并且分析了系统 的误差。 关键词：广播监测，覆盖效果，$ 3 c 2 4 1 0 ，场强，调幅度 硕士论文 智能型广播无线电信号测试仪的设计与实现 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 c t i n ga n dm e m o r i z i n gs y s t e mf o rr a d i oc o v e r a g e e f f e c th o m ea n da b m a d ，as y s t e ms t r u c t t t r ef o rr a d i oc o v e r a g ee f f e c ti sp u tf o r w a r dh e r e ， a l m m i n ga tt h er e q u e s to ft h ep r o v i n c eb r o a d c a s tm o n i t o r i n g i ti sc o m p o s e do ft h r e ep a r t ： t h ec o n t r o lc e n t e r , c o m m u n i c a t en e t w o r ka n dt h et e s t i n gi n s t r u m e n tp u t t i n gi na l lo v e rt h e a r e ao f t h ep r o v i n c e t h ep a p e ra c c o m p l i s h e dt h ed e s i g no fi n t e l l i g e n t i z e db r o a d c a s tw i r e l e s s - s i g n a l t e s t i n gi n s t r u m e n t , a i m m i n gt h er e q u e s to f t e s t i n ge q u i p m e n t 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 c t r e a tw i t h b r o a d c a s t ；w eu s e ds t 2 4 10t 0c o n t r o ls v l ，i w h e r s w h i c h 啪r e a l i z es w i t c h i n gc h a n n e l ，a n d t oc o n t r o lt h ea di n t e r f a c et os a m p l ea n dm a i l a g ct h es i g n a l s ；a n da l s ot oc o n t r o lt h e d i s p l a y , i n t e r m i t , n o t ea n ds 0o r 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 ea d ，d a t as t o r a g e ，d i s p l a y a n do p e r a t i n go f t h et o u c h e ds c r e e na n dc a l c u l a t ep a r a m e t e r a tt h ee n do ft h ep a p e r , is u m m a r i z et h em a t t e rw h i c hm u s tb et a k e na t t e n t i o nt oa n d a n a l y s et h ee r r o r so f t h es y s t e m 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 ，b r o a d c a s tc o v e r a g ee f f e c t , $ 3 c 2 4 1 0 ， i n t e n s i t yo fe l e c t r i cf i e l d ，a m p l i t u d em o d u l a t i o nf a c t o r i i 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。与我一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：趔五彩年6 月万日 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。 研究生签名：型 乃，年否, q z s - e t 硕士论文 智能型广播无线电信号测试仪的设计与实现 l 绪论 1 1 广播监铡技术简介 广播监测技术，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”1 。 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、劣播事故。 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，这就需要依靠测 试记录装置。测试记录装置能够及时、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。 1 2 国内外的研究现状 广播监测技术不只是单一纯粹的技术，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，德国之声的工程师经过4 年的研究，研 硕士论文智能型广播无线电信号铡试仪的设计与实现 制出两套遥测、遥控监听系统：一种为i c 叫遥测、遥控监测系统；另一种为r a d p t t 0 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m 1 ，如图1 2 1 所示。 澳大利亚 图1 2 1 德国之声遥测遥控监测、监听系统网络 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、从主观监听监看到使用比较先进的自动化监测手段，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，普遍现象是自动化程度不高1 。 1 3 本课题研究的意义和内容 我国的广播事业已经建成了由调频广播( 商业波段8 8 m 1 0 8 m h z ) ，调幅广播 ( 中波5 2 6 k 1 6 0 6 m h z ，短波2 3 m 2 6 m 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，往往不能及时地了解各地的广播信号状态， 需要入工进行实地巡检，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 2 硕士论文智能型，l + 播无线电信号测试仪的设计与实现 商，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。 本论文主要针对中波广播的特点进行广播无线电信号测试仪的研制。根据现代监 测测量装置存在的问题和江苏广播电台的实际需要，本论文着重研究以下内容： ( 1 ) 广播信号采集与处理方法的研究； ( 2 ) 无线电信号采集与处理的硬件设计： ( 3 ) 控制单元、人机接口的软硬件设计； ( 4 ) 广播信号播出质量、覆盖效果参数的计算； ( 5 ) 盖效果的分析与判断。 硕士论文 智能型广播无线电信号测试仪的设计与实现 2 广播无线电信号测试原理概述 2 1 中波广播信号的特点 中波广播是频率为5 2 6 k h z 1 6 0 6 k h z 范围内的音频调幅( a m ) 广播。调幅广播是 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的声音。 在我国，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o 1 m v m 。 国家标准的中波频率间隔为9 k h z ，这主要考虑到收音机中频为4 6 5 k h z ，带宽一般在 4 5 k h z 6 k h z 左右州。 图2 1 1 表明了中波的频率间隔和带宽特征。 l ； ： _ 4 s k h z 争一9 川z 叫4 s k h z 卜事 “屯 b 图2 1 1 中波广播信号特征示意图 表2 1 1 是江苏省部分电台的频率对照表，由此可以看出，它们之间的间隔都是 9 k h z 的倍数。 4 硕士论文 智能型广播无线电信号铡试仪的设计与实现 表2 1 1 江苏省部分电台的频率对照表 电台名称频率( k h z ) 江苏人民广播电台经济台 5 8 5 江苏人民广播电台综合台 7 0 2 江苏文艺台 1 0 5 3 江苏人民广播电台综合台1 3 1 4 江苏人民广播电台综合台 1 4 1 3 江苏人民广播电台综合台 1 6 0 2 2 2 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。必须进行场强测量。 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。 场强是电场强度的简称，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( v m ) ，为方便起见，也有用d b v m ( o d b = 1 p ) a 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l 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l e = 丌，忽略天线损耗，天 线最大接收电压( 在7 5 0 负载电阻上的终端电压) 为 v ：三e 兰 ( 2 2 1 ) 2 g l ， 用d b 表示，接收电压电平为 5 硕士论文 智能型广播无线电信号测试仪的设计与实现 2 0 l o g v = 2 0 l o g e + 2 0 1 0 9 ( 三) 一6 ( 2 2 2 ) 丌 简写成 矿= i + 2 0 1 0 9 ( 兰) - - 6 ( 2 2 3 ) 石 接收点场强为 舌= 矿一2 0 1 0 9 ( - - a ) + 6 万 = 矿+ k ( 2 2 4 ) 式中，k 称为天线校正系数。 k = 6 - - 2 0 i o g ( ! ) ( 2 2 5 ) 石 式中，k 称为天线校正系数 4 0 1 。 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，弓 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 矿十c( 2 2 6 ) e 为场强( 拈“v 所) ： y 为均值检测电路输出的均值( u v ) ； c 为换算校正值( 在开机时通过按键输入) 2 3 调幅度的测量原理和计算方法 调幅度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。它对广播的覆盖面积信噪比、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。 在调幅广播信号中包含载波和两个边带波，其中只有边带波代表着所要传送的信 息，边带波功率p r 与总功率p 。之比称为调制效率7 7 。即 r 玎删2 i o( 2 3 1 ) 在单频调制时，调制效率为 6 硕十论丈智能型广播无线电信号测试仪的设计与实现 叩“2 寿 ( 2 3 2 ) i i l a 为调幅度，当= 3 0 时，r a u = 4 3 。可见，调幅发射机发射功率的绝大部分对 于传输信息时无用的。实际的音频信号，无论时语音还是音乐，其波形都是随机变化 的，相应的平均调幅度较低，信息传输的效果是较差的。因此各国都致力与研究提高 平均调幅度。平均调幅度的提高能有效地节约能源，增加广播覆盖面积，具有较大的 社会效益和经济效益。因此，广播电影电视部将调幅度列为调幅发射机重要的监测内 容。我国对调幅广播发射机的调幅度动态合格指标定量的规定是：如果语言节目在一 分钟测量时间内，最大调幅度应达到9 0 以上，除语言间隙外，调幅度达到7 0 者 应占总数5 0 以上；音乐节目在三分钟测量时间内，最大调幅度达到9 0 以上，除 音乐间隙外，调幅度达到3 0 者应占总数5 0 以上。则认为该发射机的调幅度合格。 单音己调波在调制信号一个周期内的平均功率p 是由载波功率及上下边带功率三 部分组成。 p = p o + p 。“n + p 舢n ( 2 3 3 ) 其中载波功率 p o - ( 击) 2 r 。专等 ( 2 3 4 ) r 为发射机的等效负载电阻。 上下边带功率 p o + n2 p p o n = c 击扎，2 巩2 等p 。 晓s 引 单音调幅波功率 p ；( 1 + 生) p 。 ( 2 3 6 ) 2 。 单音已调波在载波一个周期内的最大平均功率p 。出现在振幅为最大的时候， 此时p 舢= ( 1 - l - m ) 2p o 。 多音频调幅波的功率，此时的载波已经具有一定的宽度，因此它的功率应是从一 q 到+ q 之间各频的总功率。 皆击静2 ) d c a ( 2 3 7 ) 这时候上下两个边带功率也不再是单音频时某一频率产生的功率，而是从q 。 硕士论文 智能型广播无线电信号测试仪的设计与实现 到q 。之间各功率的总功率。 p 蚴2 p 下边带。儿( 甜) 如e 之( 詈) 2 阮( ) 如 ( 2 3 8 ) 设。一( 功) 时频率为菜一值时的边频电压幅度，并且令u ( 国) 5 i m u 。( 国) ， 则式( 2 3 8 ) 改写成 带5 击e 2 ( 争2 n ( 州缈 ( 2 3 9 ) 由于广播节目的频率与幅度是变化的，最大调幅度和最小调幅度时的边带功率相 差很大，为了定量边带功率，便引入了平均调幅度的概念。所谓平均调幅度，指节耳 在定时间内所产生的边带能量与一定单音调制产生的能量相同时该单音的调幅度。 已调幅信号可以表示为 s 删( t ) = a 。职t ) c o s 吐t( 2 3 1 0 ) 其中，a 。为载波振幅，国。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后，输出信号功率为 s o = f 2 ( f ) 若k t ) 为单一频率的正弦波，b 盯( t ) = a q c o st ，则其解调后输出信号功率为 so = f 2 ( f ) = 彳。2 肌。2g o $ 2m = ：1a 2 m 。2( 2 3 1 1 ) z 对于实际的情况，氕t ) 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m 。为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 3 1 1 ) 可得 so = 2 ( f ) = 妻a 。2m 。2 ( 2 3 1 2 ) 或改写为 瓦= 阜7 丽( 2 3 1 3 ) 以。 亦可用式( 2 3 1 3 ) 来直接定义随机信号的平均调幅度“”。 2 4 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，使得节目播出的人为控制影响因素增大。另一方面，由于全天2 4 d , 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 硕士论文智能型广播无线电信号测试仪的设计与实现 广播无线电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，正常进入于家万户。广播监测系统的构成如图2 4 1 。 整个广播监测系统由两部分组成：远程控制部分和前端广播无线电信号监测仪部 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) 。独 立的专网是指线路自建或租用的专线。各地放置的广播无线电信号测试仪负责实时采 集广播信号，处理接收的音频信号，对参数进行计算。它能够进行全天2 4 4 , 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。 广 广播无线电信号测试仪 图2 4 1 广播监测系统的构成 本论文针对前端无线电信号测试仪的要求，主要研究智能型广播无线电信号测试 仪的设计与实现。该测试仪能够实时接收上级监测系统的指令，对中波广播信号进行 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c p u 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。智能型广播无线电信号测试仪是实现对广播信号进 行自动监测的关键，是实现智能测试广播覆盖效果的主要组成部分。 9 硕士论文智能型广播无线电信号测试仪的设计与实现 2 5 广播无线电信号测试仪的设计要求 智能型广播无线电信号测试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无线电信号。 ( 2 ) 准确取出场强、调幅度等参数，并进行a d 转换，通过c p u 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。 ( 4 ) 方便简单的人机接口，能够方便地通过键盘或触摸屏以及液晶显示器，显示和 设置当前的工作状态。 2 6 广播无线电信号测试仪的设计方案 根据广播无线电信号测试仪的功能，测试仪由四个部分组成，如图2 6 1 所示。 i收音板部分 = = 0 信 号 处 理 1 卜 = 割人机接口部分 和c p u 采 厂 集 部 分 收音板部分 = = 0 图2 6 1 广播无线电信号测试仪的组成 收音板部分：接收稳定，纯净的中波广播信号。可以通过方便的操作，选择不同 频段并具有记忆功能。 信号采集和处理部分：完成对多通道、多模拟信号的采集对收音板接收的广播 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，直流信 号和载波信号。 c p u 部分：c p u 单元是整个测试仪的核心，需实现a d 转换功能、显示和键入的 人机接口功能以及逻辑控制功能；需要容量足够大的存储器，记录测试数据；要具有 足够多的i o 口，较快的处理速度等。 人机接口部分：完成系统的初始设置和通道信息设置、实时数据显示等人机对话 功能。包括键入和显示两部分。 1 0 硕士论文 智能型广播无线电信号测试仪的设计与实现 3 智能型广播无线电信号测试仪的硬件设计 3 i 硬件设计准则 广播无线电信号测试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：系统中软件和硬件在逻辑功能上是等效的。具有相同功能的微机 应用系统，其软硬件功能分配可以在很宽的范围内变化。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。 3 2 广播无线电信号测试仪的设计原理及框图 智能型广播无线电信号测试仪的原理图如图3 2 1 和3 2 2 所示：收音板接收中波 广播信号，调谐后的中波信号与本振信号在收音板中混频后得到4 6 5 k h z 的中频信号， 预处理部分将此中频信号引出进行后续处理。该中频信号经过放大、滤波、检波、半 波整流、取均值等操作后可以获得三路信号：载波检测信号、音频信号及音频直流分 量信号。音频信号和音频直流分量是为了计算调幅度和场强的，载波信号是用来监测 电台是否停播的。 该设计要完成对8 个通道信号的监测。经过处理模块处理后获得了三路信号分 量，所以需要c p u 同步控制3 个多路开关，选通一组信号( 即载波信号、音频信号和 直流分量) 进行后续处理，其中载波信号为一方波信号可以直接送到c p u 的i 0 口进 行判断是否停播：其余两路分别送到a d 转换模块的管脚1 和管脚2 ，以轮流方式进 行采集。模拟量转换为数字量之后在c p u 中进行计算和判断，出现播出效果和覆盖效 果异常情况即存储记录相关信息。调试人员可以在现场通过人机接口，直接查看广播 1 1 堡主丝奎 望丝型堡重些皇堡量型堕垡箜堡生墨塞婴 参数信息。 图3 2 1 智能型广播无线电信号测试仪的原理框图一 出 图3 2 2 智能型广播无线电信号测试仪的原理框图二 3 3 主要单元电路的设计 3 3 1 收音模块 收音模块是整个系统的接收部分，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、 天线等方面的指标。 天线是广播接收系统的第一大件，拥有一副高质量的天线往往能收到意想不到的 效果。本设计的天线是收音头部分自带的，下面简单介绍选用天线的一些重要指标。 1 2 硕士论文智能型广播无线电信号测试仪的设计与实现 ( 1 ) 天线增益：天线的增益用来衡量天线接收信号的能力，主要由方向角和前后辐射 比决定。方向角越小，天线的接收能力越强，受其它方向的干扰就越小，才能接 收清晰图像和伴音的原因。天线的前后辐射比，是指天线前后接收信号强度之比， 这个值越大，说明天线性能越佳。 ( 2 ) 带宽：带宽表示天线接收信号的频率特征，通频带越宽，则表示天线可以接收的 频率范围越广。 ( 3 ) 方向图：方向图表示的是天线对不同方向上传来的信号的接收能力，是和天线增 益与抗干扰能力紧密联系的指标，为了获得最强和最稳定的信号，就必须使天线 方向图最尖锐的部分对准电台的方向，否者便会出现噪声，甚至收不到信号或被 其他强台干扰等，由于要接收的电台分布于各个方向，因此必须使用转向天线， 有选择地接收放大，即可有效减轻或消除串台、邻频干扰甚至同频干扰。 在本设计中采用了日本先锋公司生产的f i i a h i 数字石英振荡接收器f - 2 0 8 。该接 收机的a h i 调谐器部分的重要参数如下： ( 1 ) 测量的频率范围为5 3 1k h z 至1 6 0 2 七b ，覆盖了整个中波范围；频率间隔为9 k h z 。 ( 2 ) 灵敏度为3 5 0 u v m ，满足场强、调幅度等参数测量的要求。 ( 3 ) 信噪比为5 l 扭，可以为后续处理提供较纯净的信号。 ( 4 ) 具有良好的选择性。对兀+ 9 k h z 处的衰减达3 3 d b ，有效地抑制了邻近电台干扰。 ( 5 ) 中频频率为4 6 5 七舷。 ( 6 ) 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。 ( 7 ) 在正常工作时，功耗为1 0 w ：在待机模式下，功耗仅为1 w 。 总的说来，该接收机具有精度高、功能强、使用方便、功耗低、安全性高等特 点，能够为后续的处理提供高精度的中频信号。 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 ，它是一块电调谐f m a i l 接收器集成电路。其内部结构如图3 3 i 1 所示 硕士论文 智能型广播无线电信号测试仪的设计与实现 图3 3 i 1b a l 4 5 0 内部结构图 本设计只用到该接收机心调谐部分的功能，下表3 3 1 1 是用到的管脚说明。 ， 表3 3 1 1b a l 4 5 0 部分管脚说明 引脚号符号引脚功能 2v c c 电源输入 4 g n d 接地端 6 t u n i n gi n d i c a t o r连接调谐指示器 1 2 a m f m s w调幅调频波段转换 1 5m p xi n 输入调幅检波低通滤波后的信号 1 6a md e t e c t o r0 l t 调幅检波输出 1 7 a ma g c 调幅自动增益控制 1 8a mi fi n 调幅中频输入 1 9a mm i x0 u t 调幅混频输出 2 0a ma n t e n n a 连接调幅接收天线 2 2州0 s c 连接调幅本振电路 2 3r e fv o l 提供参考电压 2 4a mo s c0 u t 调幅本振输出 f - 2 0 8 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。 ( 1 ) 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。 ( 2 ) 自动调谐方式。选择自动调谐方式后，操作人员旋转i x j 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。 ( 3 ) 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 1 4 ! 翌型羔王一一 ：塑堂型堡垂垡皇笪呈塑亟垡箜堡盐兰壅翌 储所选择的i 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。 广播无线电信号测试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，自动对该频率进行监测。本设计引出进入b a l 4 5 0 d 的1 8 脚的中频信号，提供给下一步广播信号处理模块进行信号的处理。信号接收和处理部 分的电路图如附录a 。 3 3 2 信号处理模块 由于收音机模块内部中放检波后的信号经过a g c 控制，不能表示出实际广播信号 的播出情况，不能用于广播参数的计算，因此，本设计直接利用进入收音机模块中频 输入引脚的信号，并通过外部中放、滤波、检波等处理提取需要的信号。 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，其原理如图 3 3 2 1 所示。 图3 3 2 i 信号处理原理图 直接取用进入收音板的中频输入脚的信号要考虑到阻抗的问题，为了使阻抗匹 配，本设计选用了电压跟随器，因为电压跟随器输入阻抗高而输出阻抗低，且不会对 中频信号产生影响。电压跟随器原理如图3 3 2 2 所示： j 5 硕十论文 智能型广播无线电信号测试仪的设计与实现 r 1 图3 3 2 2 电压跟随器电路图 由于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进行放大( 一般放大到l 3 v ) 。中放模块 采用了宽带放大器a d s l 8 ，a d s l 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。中频信号放大器的连接电路如图3 3 2 3 。 + 5 v 图3 3 2 3 中频信号放大器电路图 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 5 5 b 型 陶瓷滤波器，它具有幅频、相频特性好，体积小、信噪比高等特点。其主要参数如表 3 3 2 1 所示。u p 4 5 5 b 型陶瓷滤波器电路连接如图3 3 2 4 。 表3 3 2 1l t p 4 5 5 b 型陶瓷滤波器的主要参数 型号 中心频3 分贝选择性选择性阻带衰减插入 率偏差带宽 五- 9 k h z五+ 9 k h z铲1 0 0 f o + 1 0 0 衰耗 ( k h z )( k h z )( d b )( d a )( k h z ) ( d b ) l 1 m 4 5 5 b+ - 29 5 35 o3 o1 5 05 o 1 6 硕士论文智能型广播无线电信号测试仪的设计与实现 图3 3 2 4l t p 4 5 5 b 型陶瓷滤波器连接电路 根据不同的调幅信号特点，检波电路也有所不同。主要应用的2 种检波电路有同 步检波和包络检波。同步检波，又称乘积检波或相干检波，能解调各类调幅信号，尤 其是平衡调幅信号和单边带调制信号。集成电路中，大量采用的就是同步检波电路， 如调频立体声接收机解码电路中的检波电路等。包络检波，又称峰值包络检波、大信 号检波。这种检波电路仅适用于普通调幅波的信号解调。 本设计主要研究中波广播的特点，所以选用了包络检波的方法。检波采用了二极 管检波的方法，由于在检波之前进行了窄带滤波，因此，检波之后可以得到较纯净的 语音信号。检波后的信号是带有场强信息的语音信号，它可以用于计算中波信号的调 幅度。因为二极管导通的最小电压为0 7 v ，经过窄带滤波的信号要加放大器后再进入 二极管检波，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 3 3 2 5 组成二极管检波电路。检波前的波形以及检波后音频信号的波形如图3 3 2 6 和图3 3 2 7 。 图3 3 2 5 二极管检波电路 1 7 ! 型塑一 塑丝型堡垂垡皇笪呈型垫堡塑堡盐皇奎墨 黼卜睛瓜一 i| f vv , v v l v 。 |li uv 一 0 图3 3 2 6 检波前波形图 f t 图3 3 2 7 检波后音频信号波形图 检波后的音频信号通过均值电路滤波得到带有场强信息的直流分量，这里的低通 滤波器我们选用r c 低通滤波器。其传输函数为 肚静- ( 1 + 等丽1 石= 去 ( 3 s 2 ) 其中：a u p 为通带电压放大倍数，如2 ( 1 + 争。通带截止角频率= 丽i 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 1 7 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3 3 2 8 r 1 7 5 v 图3 3 2 8 放大器和r c 低通滤波电路的电路图 硕士论文 智能型广播无线电信号测试仪的设计与实现 经过滤波后得到的直流分量如图3 3 2 9 。 f 图3 3 2 9 滤波后直流分量图 电台是否停播是通过该电台是否含有载波信号( 即4 6 5 k 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3 3 2 1 0 所示。 + 5 v 图3 3 2 1 0 过零比较器电路图 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3 3 2 1 1 是输入输出的波形图。 j 3 3 2 1 1 过零比较器的输入输出波形图 1 9 硕士论文 智能型广播无线电信号测试仪的设计与实现 3 3 3 微处理器控制模块 综合考虑设计的要求以及可选微处理器的自身资源，本设计选用的微处理器是深 圳优龙科技有限公司开发的s t 2 4 1 0 开发板，其外观如图3 3 3 i ，其中央处理器采 用韩国三星电子公司的$ 3 c 2 4 1 0 。该处理器是一款基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微处理器，主要面向手持式设备以及高性价比、低功耗的应用。a r m 9 2 0 t 核由 a 蹦9 t d m i 、存储管理单元( m m u ) 和高速缓存三部分组成。m m u 可以管理虚拟内存，高 速缓存由独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速c a c h e 组成。a r m 9 2 0 t 有两个内部协处理 器：c p l 4 和c p l 5 。c p l 4 用于调试控制，c p l 5 用于存储系统控制以及测试控制n 1 。 图3 3 3 is t 2 1 4 0 开发扳外观 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为 是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字它作为一种1 6 3 2 位的高 性能、低成本、低功耗的嵌入式r i s c 微处理器，目前己经成为应用最为广泛的嵌入式 微处理器m 。 采用r i s c 架构的删微处理器一股具有如下特点： ( 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能： ( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a 雕( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件； ( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快； ( 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成： ( 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高。 a r m 微处理器的寄存器结构：a r m 处理器共有3 7 个寄存器，被分为若干个组( b a n k ) ， 这些寄存器包括：3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ，均为3 2 位的寄存器。 硕士论文 智能型广播无线电信号测试仪的设计与实现 6 个状态寄存器，用以标识c p u 的工作状态及程序的运行状态，均为3 2 位，目前只使用 了其中的一部分。 同时，a r m 处理器又有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均有一组相 应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包括1 5 个通用寄 存器( r o r 1 4 ) 、一至二个状态寄存器和程序计数器。在所有的寄存器中，有些是在7 种处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄存器则是在不同的处理器模式下 有不同的物理寄存器。 a r m 微处理器的指令结构：a r m 微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令 集：a r m 指令集和t h u m b 指令集。其中，a r m 指令为3 2 位的长度，t h u m b 指令为1 6 位长度。 t h u m b 指令集为a l i m 指令集的功能子集，但与等价的a r m 代码相比较，可节省3 0 - 4 0 以上的存储空间，同时具备3 2 位代码的所有优点m 。 $ 3 c 2 4 1 0 的资源包括： 1 个l c d 控制器( 支持s t n 和t f t 带有触摸屏的液晶显示屏) 。 s d r a m 控制器。 3 个通道的u a r t 。 4 个通道的d m a 。 4 个具有p w m 功能的计时器和一个内部时钟。 8 通道的1 0 位a d c 触摸屏接口。 1 2 s 总线接口。 2 个u s b 主机接口，一个u s b 设备接口。 2 个s p i 接口。 s d 接口和m m c 卡接口。 看门狗计数器。 1 1 7 位通用i o 和2 4 位外部中断源。 8 通道1 0 位a d 控制器。 在时钟方面$ 3 c 2 4 1 0 也有突出的特点，该芯片集成了一个具有日历功能的r t c 和具有p l l ( m p l l 和u p l l ) 的芯片时钟发生器。m p l l 产生主时钟，能够使处理器工 作频率最高达到2 0 3 姗z 。 s 3 c 2 4 1 0 将系统的存储空间分成8 组( b a n k ) ，每组的大小使1 2 8 m b ，共i g b 。b a n k o 到b a n k 5 的开始地址是固定的，用于r o m 或s r a m 。b a n k 6 和b a n k 7 用于r o m 、s r a m 或s d r a m ，这两个组编程且大小相同。b a n k 7 的开始地址是b a n k 6 的结束地址，灵活可 变。所有内存块的访问周期都可编程。$ 3 c 2 4 1 0 采用n g c s 7 ：0 8 个通用片选信号选 择这些组。 ! 堕型鎏c _ 一 塑壁型堡垂垡皇笪兰型蔓堡堕垦兰兰塞墨 $ 3 c 2 4 1 0 支持从n a n df l a s h 启动，n a n df l a s h 具有容量大、比n o rf l a s h 价格 低等特点系统采用n a n df l a s h 于s d r a m 组合，可以获得非常高的性价比例。 $ 3 c 2 4 1 0 对于