（电路与系统专业论文）手持有线电视场强仪的开发.pdf

太原理t 人学颧1 学位论文 摘要 随着有线电桃i 叫络的发展，于持式场强仪的需求量也越来 越大。本文详细介绍和分析了模拟中频和数字中频两种场强仪 实现方案，对于同类产品的研究有很大的参考价值。 模拟巾频方案将待测信号变频到同定中频上，刈信弓进行 解调、埘数放犬、榆波厉，输出反映待测信号强度的直流信号， 通过a d 转换送入单片机进行软件处理。本文洋细叙述了实现 模拟中频方案的硬件电路和软件系统，说明了场强仪中各种电 路特性对测量精度的影响以及对场强仪进行数据标定的方法。 数字r 频方案将q 频信号自- 接通过a d 转换后送入d s p 芯 片进行d f t 变换，最_ 舌得到待测信号频谱的采样序列。本文介 宝f 了该方案的原理，对该方案的硬什和软件进行了分析设计， 并日存t m s c 5 4 0 2 d s k 卜对该方案进行了仿真实验。理沦和实 验证明了数字中频方案在频率分辨力和测量精度卜都超过了模 拟巾频方案。 【关键渊】：手持式场强仪洪筹分析d s p 太原理工人学硕士学位论文 a b s t r a c t f o l l o w e dw i t ht h ef a s t d e v e l o p m e n t o fc a b l etv t h e r e q u i r e m e n to fh a n d yf i e l ds t r e n g t hm e t e rb e c o m em o r ea n dm o r e t w op r o j e c t st op r o d u c ei ta r ed e s c r i b e di nd e t a i li nt h i sp a p e r ， w h i c ha r e a n a l o g i n t e r m e d i a t e f r e q u e n c yp r o j e c ta n dd i g i t a l i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y i nt h ea n a l o gi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yp r o j e c t ，t h es i g n a lt ob e m e a s u r e di sc o n v e r t e dt ob eaf i x e di n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ys i g n a l ， w h i c ht h e ni sd e m o d u l a t e d ，l o g a r i t h ma m p l i f i e da n dd e t e c t e dt ob e ad cs i g n a lt h a tc a nr e f l e c tt h eo r i g i n a ls i g n a ls t r e n g t h a f t e r p a s s i n gt h ea dc o n v e r t o r ，i tw i l lb ep r o c e s s e db ym i c r o c o n t r o l l e r i ns o f t w a r e t h i sp a p e rd e s c r i b e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r et o i m p l e m e n tt h ep r o j e c t i nd e t a i la n d e x p l a i n s h o wt h ec i r c u i t c h a r a c t e r i s t i c si n f l u e n c et h em e a s u r e m e n te r r o ra n dh o wt o p r o c e s s i n gt h ed a t a i nt h ed i g i t a li n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yp r o j e c t ，t h ei n t e r m e d i a t e f r e q u e n c ys i g n a li sc o n v e r t e dt od i g i t a ls i g n a ld i r e c t l yi n t ot h ed s p c h i p ，t h e ni ti sb ep r o c e s s e db yd f t i nt h i sp a p e r ，t h ep r i n c i p l eo f t h ep r o j e c ti s i n t r o d u c e d ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fi t a r e a n a l y z e d a n d d e s i g n e d a n dt h e p r o j e c t i se v a l u a t e di nt h e t m s 32 0 c 5 4 0 2 d s k i ti sp r o v e dt h a tt h ed i g i t a lp r o j e c ti sb e t t e ri n t h ef r e q u e n c yr e s o l u t i o na n da m p l i t u d ea c c u r a c y k e yw o r d s ：h a n d y f i e l ds t r e n g t hm e t e re r r o ra n a l y s i s d s p i i 太帐理1 人学坝l 学位论立 第一章绪论 f 荚围政府发表了信息高速公路计划，称为n i i ，匙 的缩写，i l 家俯息、e 锚 ， 是建立全国高速信息网络，也稚信息高速公路。从 多幽家棚继发表了自l 二的信息高速公路划。【j 一j 个球通信l f 】j 必要性干1 1 必然性，信息高速公路已成为肚界饨的课 题。 信息高速公路概念的提出，在全山界范围内引起了信息化 毕命，极大的促进了i n t e r n e t 的发艉。但是山j 二信息高速公 路要传输视频、音频等信启、量非常大的信号，因此列信道的要 球特别高。而现有的各种物理信道，主耍包括= i 种网络即广 播乜视网、汁算机删络、电话通信网，都不能达到实时高效 传输多媒体信号的能力。为了适应经济和 成，这几种网络的必然趋势。 i m 宵线电视网j ：其吲仃的宽带优势 f | 越米越受到重视。尤其在我凼，城l 钉 b 面普及率，并且已有有线lc l 视台干余座。 技术的发展，宽带化 ，在m 络的赶制j 化过 中电视机蒋及! 年r 岛j + 到1 9 9 9 年为l l ：我 幽的有线电视系统已经有了八千多万用户，成为世界第一大有 线网络。这样大的资源不加以利用束丌通数据j l k 务足难以想象 的。此，利”：| 柯线电视网j l ：拓信息高速公路在i u 界各国，兀 _ ；是在我匡l 是必然的。 但是要利用有线电视网络，必须将传送模拟电视的同轴电 缆仃线电视网，向着传送综合信息( 包括模拟电视、数字电视、 鲫 叫 太蟓挫t 人学坝l j 学位论立 交f 乜砚、电话、数掘等) 的光纤刚发展。h f c ( 混合光纤i 司轴 电缆) 删的i i i 现斛决了这 问题l2 1 。山r 其较高的性能价格比以 及刈珧有羽i 将来业务良好的兼容性，一经提出即受坌泛重视， 成为各大公司竞争宽带接入网市场的主要研究方向。 另外，随着信息技术的发展，多媒体系统逐步进入数f u 视系统，推动其向综合、务数字广播( i s d b ) 、立体电视、h d t v 、 符种数据! i p 务广播、图文电视方向发展。它使播电视只有了 j 收视者交互的能力收视者可以方便地进行节日的选择和存 储，以及节日的检索与访问视频数据库等。 卜述投术的出现，使得将有线电视刚建成综合宽一t l ；t 仃i 息j 叫 i 戍为uj 能，因此极火的促进了陶内外有线电视嘲n 0 迅迷发展。 世界各幽都投入睡资对宵线电视网进行数字化改造。n ：铂线电 视网数字化改造的过程f f j ，它的物理结构和传播内容| 1 | i 发生 j 很人的变化，这样原白的改备将不能满足现自的需婴，此 仃线f 也视系统中的各种歧 强仪作为有线电视系统巾 以适应市场发展的需受。 究的方向。 备也必须更新以适应州络的发腱。场 最常用的仪器之，! l 然也必颈更新 因此我们选择有线电视场曲i 仪作为研 纠6 u f l j 吲 ：主要有两种场烈仪，。种精f ：高，测毓范大 助能个。们是价格昂贵，体积大，小易携带。如茭恶怦公- d 的，8 5 9 lcc a l l v 分析仪( 1mj l z 1 8 ( ；i i z 频谱分 j i 、 c a iv 分 析j ，售价i8 2 8 0 0 兀和泰兜公可的t e k 2 7 l5c a t v 分析仪( 1 l8 0 0 m i l zc v 筹参数、频谱分析，模拟数字电视) ，售价】7 3 0 0 0 a 臆耻 一人学坝j 学位论义 几。刈f 此炎场强仪普通 乜视台( 县市级) i u 视台以及个人 用户只能购买两台或橄本购买不起。另外科一场曲i 仪梢度低t 功能少，佣价格低廉，体积小便 j 携带，适合工私人员存野 外操作。如德困佳力的a p m 3 4 0 手持式c a t v 分析仪，i q 测1 8 8 6 0 m i t z 场姒、v a 、c n ，售价13 7 0 0 ；i 本利达的【，c 9 5 3 蚀携 u 说分析仪，町删5 一1 0 3 0 m i t z 场强、频i g - 、c n 、噪，o 、 制度，售价3 9 6 0 0 元。这些手持式场强仪最大的缺点楚频谱分 析能力不强，只能大致的分析电视信号。 随着有线电视网络的普及，第二：种场强仪的需求量大增。 我们基于以l 市场分析，决定丌发一种新式手持频谱式场强仪。 它可被野外操作人员使用，便_ f 携带，性价比高。它的功能包 括测量系统输出门的电平，载波伴音比( a v 比) ，载噪比( c n ) 等等。”外1 j 传统场强仪的棚比较，它不仪能够分析再个频道 的频潜，l 可以测鼍数字信道的电平。此产品的频j 簪范嘲电 从j ( ) m | | z 8 6 0 m f t z 扩展到了5 m i t z 8 6 0 m i i z ，使其能够测t d 仃线l u 视所有频率范阳内的信q 。 太原理t 人学碳1 1 学位论文 第二章场强仪方案设计 2 1 场强仪测量功能简介 1 信号电平 信骂r u 平指的是系统输“ l _ l 电甲，它是有线l | = i 视系统的 个 一【i = 要指标，嵌示肖系统；l j 常r 作叫，系统输出 - i 上的载波i b 平范 幽。这个电平就是供给嗣户接收的电平。电视接收电平不能过低， 也不能过高。如粜过低，接收机本身的噪声就会龆现米，铂：肼 繇f ：形成骂佗状的干扰。如粜过高，频道多了就会j ：接收机小 身的非线一跳，m 生串像现缘，影叭 ：常收看。所以系统输的1 l _ ! _ 平有最佳范围，信号r n 平的测量就成为有线电视系统纠i ：扩的 个熏要方【f i i 。我圈标准规定， 系统输 - i 的l 也、卜仡 5 7 。馏m 8 3 d b 加，之问。实践“明，载波电平在这样 个范幽内 变动，稿：接l 恢机卜看q i 柯多少变化。 系统输出r 电平指的是矧像载波电平。图像载波f 【l 、r 越以 调制包络峰处的嘲像载波的均方根值表尔，谯7 5 q 终端1 卜洲得 或折算到7 5 q 。在负调制制式。h 这十j 刍于例步脉冲j j l m j l 内钱 波幅度。 2 戡噪比 裁噪比也是衡量有线电视信号质量的重要指标。为柯线 电视系统的任们改备都会，n 一，k 噪声，如火线的峨，h 尤源删络 的f l 桑声、何源器件中品体管的噪声等。在系统。h 噪声的最终 表现是在电视图像上出现“雪花”状或杂乱的：1 二扰条纹，在电 视伴音中 l l 舰令人厌烦的杂音。因此，刈于电视信 ：；= ；来讲，噪 太j 泉理t 入学坝l 学位论义 声的大小也是影响信号质量的视基本因素，它山信噪比和载噪 比来表示。 ( 1 )信噪比 侪噪比足衡擐有线电视系统质量的一个很重要f 门参数，其定 义为 用分贝表示为 一s n = l o i g ( 警卜 单凭提t ；写信号电平是1 i 能保证用户收看：竹日的质量的，如果 信噪比达_ ：到要求即使用户l 乜平台适，收到的也j 1 是幅充 满雪化点的干扰图像。因此闰像质量主要由信号强度利仿嗓比 两个参数米决定的。 ( 2 )载噪比 有线电视系统除前端摄录像机输出信号为视频信号外，其余 部分传输的信号都是高频载波信号( 划频信号) ，故常使川载噪 比这一概念。它定义为找波功率和噪声功率之比。征囱线1 1 视 系统中，所有设备的连接都是在7 5 q 卜进行的，匪l 此也可以 认为是载波电j l i 和噪声l u i 之比 用分贝表示为 c = l o l g f 鞣卜 信噪比与载噪比的关系为 太原理1 i 人学坝【学位论文 专( 拈) = 专伽) 一6 4 ( r i b ) 雎戡噪比电! 卜比信噪比电平高64 d b 。国家标准姚定系统的载噪 比必须大丁4 3 d b 。 3 频卅分析 信；：；r l l i | z 和拽噪比h 能人致的反映信号的质量。如果：_ 】寺要 洋细分析僻号的构成，就必须测量信号的频谱结构。j 外存系 统中各个频道内输入等幅的信号，通过测量输出的频鹳结构， 就可以测量信道的i 旧频特性。这也是有线电视系统r t 的个重 要指标。冈此现代手持式场强仪普遍都包含频谱测量功能。 4 隆i 像伴音载波功率比 以：邻频悯制系统中，1 划像伴音载波功率比( a v 比) 址个 很重要的指杯。这是冈为铂 邻频调制系统中，伴商m lj 城波ll ! l 、r 要町嘲，即图像伴音功：缸比叮渊，以避免伴啬载波i 扰棚邻频 道的图像。现以 & 多订线台使j 1 j 邻频渊：6 0 系统，i 天i 此劁像什爵 载波功率比是一个很重要的指标。 圈家标准中规定声音载波电平指调幅( a m ) 或渊频( f m ) 声苦信号无调制载波的均方根值以分 ：1 来表示蟊：7 , 5 q 终 端 ：洲得或折算到7 5 q 。剧像伴裔载波功率比( a v 比) 卅彳电 视信号的引像载波调制包络峰值功率与未加调制的伴音载波 功率之比，以分贝表示。场强仪中我们通过测最载波i b 、m 甜度 利伴者载波j 乜甲 度束得到图像伴音载波功率比( a v 比) 。 5 r 线电址和f u 池i 乜瓜 太蟓胖t k 学坝1 1 学位论殳 很多有线系统采用集中供电方式。这种方式通过干线电缆 作为电源平电视信号的载流导体。由于电源频率和l 乜视信号的 频率相差报远故通过r 线电缆传输电源和电视信弓，存用r n 设备中采刚分频隔离的力法“j 以分离j i ii i z 视信弓和供i b l u 瓜。 山r l 线l l i 压直接影响着系统中各用电l 发备，因此通常也作为 汀线电视系统r r 需要测罱的个指标。 电池电压是表征场强仪中r 乜池的损耗程度，决定足甭陔更 换l 乜池或囊新允i 乜。 2 2 场强仪总体方案设计 从频域中测量电视信号是比较容易想到的方法。因为从功 能的选择和电视信号的频谱结构上可以看出，_ ! _ 要能确定电视 信号中每个频道中各个所需频率点的电平就可以测量或计算 出场强仪的各个功能( 干线电压和电池电压除外) 。冈此研制场 强仪的关键在于确定各个频率点的电平值。从电视信号的特性 司以知道，备个频道中的电视信号在结构上只是载波频牢的不 同。自然可以想到，如果电视信号的载波频率都相同的活，我 们就可以用一种电路来处理所有频道的信号。闪此在方案r | _ _ l 采 用了固定中频的方案，如图2 - i 所示。场强仪在进行测量时， 射频信号首先经过混频电路。根掘混频公式 = f rf ； 数字处理电路控制本振信号，因为中频f 固定，改变本振信 号，就可以选择所需要的输入信号厂、，混频后的信号经过选择 性灯n 0 带通滤波器选频jz j 进入叶l 频l u 路。r l ，频电路刈价l j 进行 ah ；! 胖1 。 坝1 学位睦史 剥数放大，检波后送入a d 转换器进行模数转换，将模拟信号 转换成数字i 乜路“j 以进行处理的数字信号，最后由数i ：1 i i 路刈 数捌进行处理，在屁示群履示出测量值。 场强仪的射频部分可以考虑用电视高频头术处f ! t ! 。”足l u 视 岛频头有以f 缺点： i 输入输h 1 特性的线性度f i 女，温度系数也比较人，测尉1 削z i 场蚀仪总体力榘 结果误差难以控制。 2 采用高频头将提高产品的成本，并且容易受供货厂家的 制约。 3 高频头频牢处理范刚谯5 0 8 6 0 m h z 刁i 能满足测最同传 信道的要求。 因此我们 火定采刖分、 ：儿什i ! ： 计劓频l u 蹄。待测t 一j 被刺蛳 电路变频到固定t 1 ，频厉进入r | 频处理电路。我们采 _ ；jj 7 胁种中 频处删也路方案，称为模拟中频方案和数字巾频方案。 模拟中频方案中的中频处理电路主要以m o t o r o l a 公司的 m c 3 3 5 6 为核心一占片。此芯片可以直接输出反映信号电压强度的 输出电流。数字电路系统采用m c s 5 1 系列单片机构成单片机 太螅理t 人学坝i + 学位论丈 系统来实现智能控制。此方案技术上非常成熟，成本低廉，能 够完成各种功能的测量，做出的产品性价比非常高。因此我们 选择这种方案作为我们广品的第代方案。 但这种场强仪有很多4 i 足之处，其t 卜最大的特点煺卿! 潜分 析能力不足。所以我们准备往第二二代产品中采用数i 扣| j 频力案 将中频信弓直接采样送入d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 芯片 进行f f t 变换。这种方案相对模拟中频方案来说频晰分机能力 大大加强，测量精度也有了很大的提高。 太i 糸删丁人学倾i 。学位论艾 第三章模拟中频方案 3 1 模拟电路结构 模拟电路部分承担了场强仪的全部高频信号和中频信号的 处理1 作，它的基本作用有= 条： 1 选择并转换频率。 2 来自不同频道的仝咆视信号变换成一个阎定频率的令也批 巾频信号并n 通过检波检出能反应其电平大小的随流信 扎 3 柬l j 空间的多种电磁波的：r 扰及自身的辐射。 图2 2 显示了场强仪模拟电路处理信号的过程。酋先射频 信号( 待测信号) 由可控衰减器调整其动念范围。这是因为场 强仪的测量范围定在3 0 1 2 0 d b # v ，而场强仪的中频处理电路的 伯测信号 幽2 2 场强仪模拟电路框醐 线性工作范围只有6 0 d b u v ，这样必须将输入信号动念范围控制 在3 0 9 0 d b l t v 。在测量时，当单片机计算出测量信号范围超过 8 0 d b , u v 时，就自动控制可控衰减器，使输入信号的电平低于 8 0 d b p v 。可控衰减器共分为四级，每级衰减1 0 d b t v ，由单片 机的两个输入输出口控制。 低通滤波器由l c 选频网络组成，截止频率8 6 0 m h z 。吲为 1 n a 融理1 ：人学碳i 。学位论义 场强仪测量频率范圈定在5 8 6 0 m h z ，所以必须采用低通滤波 器滤除测量频段以外的杂散信号，送至第一混频器。同酬第一 混频器的输入还有来自第一压拄振荡器的输出信号，其振荡频 率由单片机根据测量频率刘第一锁相环进行控制。频率范围 l2 4 3 2 1 0 0 m h z 。这样射频信号经第混频器后，待测信；= 变为 i2 3 8m h z ( 第。“中频) ，经第。中频滤波器滤除其它分盛进行 中频放大，送至第j 二混频器。第二压控振荡器频牢吲定为 12 0 0 m h z ，其频率被锁相环固定，输出至第二混频器。第。混 频器输出3 8 m h z 的第二中频信号经过带通滤波、放大后送至 第一。棍频器。第i 振荡器为固定频率2 7 3m h z 晶体振荡器，待 删信号经第三混频器后变为1 0 7m h z 的中频信号。经过陶瓷 滤波器选频后，使用对数放大器将其放大，压缩输小f d - 号f f , j 动 态范围。放大后的中频信号进行包络检波，输出反映其包络变 化的直流信号。山于测蜒力式不同，选择的方式小川，山r f l 片 机根据需受进行选择。检波后的信号进行a d 变换输出数据 信号至场强仪数字电路。 3 2 模拟中频方案数字电路和软件系统结构 数字电路的作用是，场强仪进行测量时，完成有关的输入、 控制、数掘处理、结果屁示等功能。场强仪数字电路框图如图3 2 所示。 从圈2 3 可以看出，模拟电路有两个部分受控_ ：】- 单片机： 可控衰减器和第一锁相环。单片机通过冒i o 口为逻辑“0 ”，或 逻辑“1 ”束改变可控衰减器的控制电j ：k ，达到控制衰减器衰减 太矩理t 人学f i ! ；+ 学位论义 值的目的。第一锁相环根挠：测量点频率，将第一混频器输出频 率锁定在12 3 8 m h z 上，其分频比数据由单片机传送。 除了完成对射频通路的调整以外，数字电路部分通过a d 转换器将枪波器柬的直流i 乜j h 变为数字信号然后通过译片机 进行处理，得出钡4 量结采。键姑用束选择测量类别，如电i i 测 l ! 竺竺i 一 竺堂 匝卫一一臣二 单片机 臣 一叵 。“j 控衰减器 第一锁相环 削2 一：j 场强仪数字j 也路原理i 璺| 疑、频谱分析、裁噪比测最等，及实现各个测撼功能时钉关参 数的输入或控制参数的调整。显示器用来显示测量类型、测量 频道或频率、测量结果及实现该测量功能时有关调整参数的状 态。 外部存储器用来保存测蠡数据。外部存储器可以方便野外 操作，劂为工程人员在斯外作业时往往需要存储所测得的数据， 回来后再进行分析和处理，因此需要外部存储器柬存储数据。 m a x 2 3 2 使场强仪可以通过r s 2 3 2 接口束和微机进行通讯，便 r7 t - ，8 和测鞋中的数据交换。因为此仪器外接没蔷比较多，以 及处理数据及控制功能比较复杂，因此需要扩展1 1 0 口和r a m 太原理r 人学倾卜学位论史： 8 15 5 ：吝片用来完成这两个作用。 本仪器软件部分采用模块化结构，使用汇编语吉来编写。 各个部分均用子程序来实现，便于软件系统的调试和完善。系 统的t 要模块有毽盘扫描程序，显示于程序采样子程序以 及各个功能实现子程序，包括电平测量子程序，频港分析子程 序载噪比( c n ) 测量子程序，图像伴音载波比( a v ) f 程序等等。 太原理工大学硕士学位论文 第四章场强仪系统分析 4 1电路特性对测量误差的影响 测量是通过实验方法对客观事物取得定量信息的过程。任 何测量都不可避免的会产生误差。所以在设计测量仪器时，准 确的确定误差或误差范围的大小，是衡量测量结果的准确度、 可靠性或可依赖度的重要措施。本节通过分析模拟中频方案的 数学模型，研究系统设计中各个环节对测量误差的影响，从而 得到减小误差的方法。 假设输入信号是v ，输出电平是v 。，模拟中频方案的数据处 图4 1 模拟中频方案的数据处理模型 理过程如图4 一l 所示。图中k l 表示衰减器增益，如表示混频增 益，敦表示对数放大增益。可得： v 。= k 3l g k 2 ( 龟( v ，) ) 4 1 将式4 1 代入下式： ，2 喜。 因为k 。，k ：，k 3 和频率，以及电平m 有关，则可得： y：ak3lgk2(-k1(v,一)厂+ok3 l gk 2 ( k i ( v , ) ) a m 4 2 砑啪 从4 - 2 式可以看出，对于一个确定的输入信号v 。0 。， ) ，假 设系统的所有环节的特性都是理想的，也就是说衰减器增益， 太原理工大学硕士学位论文 混频增益和对数放大增益都不随输入信号的幅度和频率而变 化，则测量误差，= 0 。但是对于场强仪来讲，输入信号在 5 m h z 8 6 0 m h z ，输入电平在3 0 1 2 0 d b p v 之间，无论是衰减器， 混频器，还是对数放大器，在这么大的信号范围内做到幅频特 性和输入输出特性与信号的输入频率和电平高低无关是不可能 的。所以测量必定会产生误差。 首先来看输入频率对测量误差的影响。假设电路各个环节 的输入输出特性是理想的，即整个电路的输出电平是随着输入 信号电平的变化而线性变化的。则据式4 1 可得： v 。= k 3 ( 厂) l g k u ) 其中七( ，) = k 2 伍。( v ，u ) ) ) ，代入4 - 2 式可得： y ：o k 3 0 e ) l g k ( f ) ， + 越 a 屯( f ) l g k ( f ) = l g 七c 厂) 掣，4 厂+ 屯堡掣，- 4 - 型坐塑a m 研讲o m - l g i 旦掣a f + k ，( ，) 0 1 _ g - k o c ) 一a f 4 3 研0 7 由4 - 3 式可以看出，测量误差与整个系统的幅频特性k 3 ( ，) 和 七驴) 相关。其中k 3 ( 厂) 表示对数放大器增益系数。因为我们采用 的是固定中频方案，进入放大器的信号为窄带信号，所以k 3 ( ，) 可 以很容易做到基本与频率无关，即k 3 ( 厂) = k 。这样影响系统幅频 特性因素就主要在于衰减和混频放大环节，即k ( i 1 。一个频道 内的典型幅频特性曲线七驴) 如图4 - 2 所示。从式4 - 3 若要减少场 太原理工大学硕士学位论文 强仪幅度测量的误差，就一定要减小a f 和了a k ( f ) 。减小a f ， 甜 意味着增加系统的频率稳定度，对于设计电路来说，本振信号 一定要保持稳定，因此我们第一和第二混频的本振信号采用了 锁相环电路，第三混频环节的本振信号用晶体振荡器来提供。 图4 - 2 贝掣怕频行住图 减小鐾婴，意味着图4 - 2 中的j 要小，即幅频特性的起伏度要 研 小。 我们再来分析输入电平高低与幅度测量误差的关系。假设 场强仪具有理想幅频特性。则 v 。= 乜m ) l g k ( m ) ， 其中k ( m ) = k 2 。( v ，m ) ) ) ，代入4 - 2 式可得 ，：下a k 3 ( m ) l g k ( m ) a f + 堕掣a m 优o t r t ：岛扣) 掣她a m + l g 七b ) 掣a m o mo m 4 4 因为m c 3 3 5 6 的输入输出特性基本满足k 3 向) = k ，所以将 对数放大增益忽略不计。从式4 4 可以看出，墨减小信号的幅摩 太原埋1 入学啦i j 学位论义 测量误差，就要减小m 和o k ( m 型。减小脚，意味着信弓输入i b o n 乎要稳定，即在测量时要尽量避免干扰信号进入场强仪。减小 型掣如司所j i = ；，尽量使输入输出特性是线性的，即) ：k 。 a ， 幽4 - 3典，输入输出特性曲线 则鐾：蛐：0 测奄涅差缀小。阂此选择元件时，应该注意元仆 g 月q 的线性工作范闭。设计巳路时，应该选择合适的静态i 作点， 使各个元件都工作在线性区内。另一方向工作在线性区，也 减少了其它的频率组合，减少了系统干扰。减小鐾：蚴的”外 o m 个乃。【射是减小占，使输入输出特性曲线的起伏度减小。 另外影响幅度测量精度的还有检波，a d 转换误差和数值 计算环节。对予检波引起的误差，上述的数据处理方法已将其 考虑在女，内。数值计算由于引起的误差相对其它误差来况非常 小，可以忽略不计。对于a d 转换误差，参看文献 15 ，t l c l5 4 9 1 的总不可调误差为站转换位数为1 0 位，因此a d 转换引 起的最火误差为9 0 d b p v + l = o 0 8 d b v ，其对测量结粜的影 1 0 2 4 响也i , j 以忽峨不计。 太原理工大学硕士学位论文 4 2 场强仪的数据标定 上一节本文通过分析场强仪的误差计算模型，得到了设计电 路时应该注意的几个方面。但只通过硬件是无法得到精确的测 量值的，软件设计也是场强仪设计过程中必不可少的方面。尤 其是如何通过软件来确定待测量的真实值，即数据标定过程，直 接决定了场强仪的测量精度。因此这一节本文将详细讨论如何 通过计算模型来设计场强仪的软件。 5 0 0 十十十 + + + 图4 - 4 样机载波电平测试结果 以测量图像载波电平为例，对于任一频道，因为其图像载 波频率已定，由式4 1 可得： v 。= 七3 ( v 。) l g k 化，) 其中七( v 。) = k 2 忙。( v 。) ) 。测量时，v o ，是实测值，屯( v 。，) 可以 通过文献 1 6 】知道，基本上可以看作一个常数。如果七“，) 己知， 则我们就可以精确的计算出输入电平值v 。对于每一频道，我 们可以通过实验得到七( v 。) ，这样在编程时如果将女( v 。) 以表格的 形式存储，就可以精确得到待测电平的真实值。图4 4 显示了从 到频道载波电平为8 0 档时，通过实验得到的对数放大环节前电 什 + 什 十+ 什 + 十善 一 十 b m 太原理t 大学硕士学位论文 路的幅频响应，即七( v ，) 。但实际上这种方法是不可能实现的， 因为这显然需要无限大的存储器来存储j | b ，) 。所以我们可以通 过以下方法来处理数据。 设叶2 = 加可得 v 。2 = k 3 l g k ( v ，2 ) = k 3 l g k ( h v , 1 ) 4 - 5 我们假设输入输出特性是线性的，即 i ( 枷。) = 七( v 。) 代入4 - 5 式得： v 0 2 = 向l g h k ( v ，】) = 3 0 9 h + l g k ( v n h 4 6 由4 - 6 式可见，因为七( v 。) 和h 己知，所以由测量结果可以 精确地计算出待测电平v ， 经过上式处理，每个频道只要测量出一个七( v 。) ，就可以计 算出待测电平值，极大的节约了存储空间。但这样处理将会产 生误差，因为输入输出特性的线性不会理想线性的，如图4 3 所示。因此，我们在编程时采用1 9 段折线来逼近输入输出特性 曲线。即在输入电平3 0 5 0 d b g v ，每5 抛“矿认为输入输出特性 是线性的，5 0 8 0d b p v 内，每3d b p v 内认为是线性的， 8 0 9 0 d b p v 内，每2 出址矿是线性的。 数据标定的过程是：以上述规律输入标准信号，记下a d 采样后的值，然后通过作表将输入电平值和a d 采样值对应存 储。测量时，c p u 根据刖d 转换后的值判断输入信号的范围， 然后根据公式 太原理工大学硕士学位论文 ，g ) ：垒尘型b z 。) + i ，0 。) 一0 1 计算出输入电平值，输出显示。 通过上述方法可以测量载波电平，伴音载波电平，图像伴 音载波比等功能。但也可以看出，由于输入输出特性瞌线的非 线性以及最的存在，误差是不可避免的。通过对样机的测量， 我们将载波电平的测量精度控制在了1 5 d b 的范围内。 进行频谱分析时，因为我们认为每个频道的输入输出特性都 是一样的，这就要求每个频道的幅频特性非常平坦。如图4 2 l o o 8 0 “l o _ 4 飞r 可可飞 1 0 0 口甜 争奇_ 。飞n r 可可_ 。 8 0 6 0 乱“u k + 寸_ 口百 6 0o 鼬白b b o r 寸t 。x n 2 5 0 5 0 0 7 5 0 1 0 0 0 02 5 05 0 07 5 01 0 0 0 图4 - 5 样机载波电平测量结果图示 所示，我们将每个频道控制在正s 0 2 d b , u v 范围内。因为点的存 在，在频谱测量时，幅度测量精度控制在2 o d b 之间。 4 3 频谱分析和载噪比的测量 场强仪进行频谱分析的指标是频率分辨力( r e s o l u t i o n ) ， 它表示进行频谱分析时场强仪分辨信号能力的高低。从场强仪 的方案设计可以看出，场强仪进行频谱分析的过程其实是使用 带通滤波器扫描信号频谱的过程。因此场强仪的频率分辨力一 太原理t 人学颂l 学位论文 般由中频的最后一级带通滤波器的3 d b 带宽和波形因子决定。波 形因子定义为带通滤波器的幅频响应的6 0 d b 带宽和3 d b 带宽的 比值。带通滤波器的3 d b 带宽也被称为频率分辨率带宽，决定了 仪器分辨等幅信号的能力3 d b 带宽和波形因子决定了仪器分辨 不等幅信号的能力。对于场强仪来说，只要能分辨出幅度差不 大于6 0 d b 的信号就行了。显然带通滤波器的3 d b 带宽和波形因 子越小，频率分辨力越强。 在频谱分析仪中，通常都有一系列的滤波器带宽和波形因 子供测量者选择。但是要设训这样一系列的滤波器，就需要增 加场强仪的成本和体积，尤其是在体积上将达不到手持的目的。 此缺点可以采用数字中频方案来解决。第七章将详细介绍数字 中频方案是如何解决这一缺点的。 载噪比在有线电视系统内是指图像载波电平有效值与规定 带宽内系统噪声电平均方根值之比，例如中国国家标准规定噪 声带宽为5 7 5 m h z ，美国规定为4 m h z 。 本文已经详细叙述了载波电平的测量过程。现在柬讨论噪 声电平的测量。我们用以下公式来测量噪声电平。 c = c l + c 2 + g c ，? 4 7 其中c 表示真宴噪声电平值，c 表示噪声电平值，c ：表示 带宽修f 值，用下式表示： c ：圳噜 b 。表示中频最终一级带通滤波器的3 d b 带宽，在本产品中 太擐理下大学颧十j 学位论文 b = 2 8 0 k h z ，b 2 表示噪声电平规定带宽，在中国b 2 = 5 7 5 m h z 。 c ，表示系统修正馕，包括对数检波瑞利噪声和中频等效噪声带 宽修难系数。c 。表示场强仪豹噪声系数。 利用场强仪测量载噪比时，首先应从被测频道上去掉调制 信号。将载波电平傈持在9 0 d b g t v ，保留鸯源设备的供电以便保 证全部前端信道噪声处在i 】三常状态。然后c p u 选用平均值滤波 器，根掘公式4 7 计算出噪声电平值，然盾再用9 0 d b 碱去这个 数筐鄹可德到载噪魄。为了增捆测量糖度，我们再矮e 掺正。 生产时，每隔2 d b 测量一个值，将产品与标准场强仪相比，得 到修正值。最后用将这些数值拟合成曲线用户根据这螋曲线 就可以褥妥c ；。 幽于数字信道的信号可以被看作是噪声来进行测墩，因此 根据上述过程也可以被用来测量数字信道魄平。 第五章场强仪模拟电路设计与实现 5 1 混频器电路设计和实现 浸额器棠蠲泉教交已淘波的载波频率，并保持原调制信号 参数不变。由于溉频后得到的蹙中心频率固定的窄带信号，因 而其后的中频放大器可以做到高性能：稳定，增益高，选择性 好，写前后缴阻抗匹配扶而能够简化整枫结构和提离整机的 性能指标。 混频器有很多辩，例如晶体三极管混频嚣，结型场效应管 混频嚣，双栅m o s 场效应管混频器等。场强仪中一级滗频采用 太原理t 人学顶士学位论文 二极管环型混频器，二级混频采用二极管平衡混频器。这是因 为与晶体管混频器和场效应管混频器相比，二极管混频器虽然 没有混频增益，但由于它具有动态范围大，线性好及使用频率 高的优点。特别在微波频率范围内，晶体混频器的混频增益下 降噪声系数增加。若采用二极管混频，混频后再进行放大。 可以减小整机的噪声系数。 场强仪一共采用了三级混频。其中第一级混频采用了超外 差结构，并在第一级混频器。i i 力i 一个低通滤波器，这样就抑制 了混频器中的镜象干扰以及中频干扰。三级混频将输入范围为 5 8 6 0 m h z 的输入信号转化为中心频率为1 0 7 m h z ，带宽为 2 8 0 k h z 的中频信号。 第一本振频率_ o ) 采用频率合成技术来提供。使用者根据 测试需要柬由键盘输入数据，得到要测量的频率点。然后单片 机根据公式： 凡= f k 、4 - f m 得到第一本振频率计算出相应的数据，最后由单片机将这些 数据送入频率合成电路。具体处理过程请参看3 一l 一3 节。第 一本振v 1 1 ( f ) 的频率范围为12 4 3 2 1 0 0 m h z ，第一中频 l1 2 3 8 m h z 。第一带通滤波器中心频率1 2 3 8 m h z 带宽1 5 m h z ，采用微带线结构。第一混频器采用二极管环型混频器。 ：二级混频采用二极管平衡混频器。第二本振频率1 2 0 0 m h z ， 第二中频输出3 8m h z 。第二带通滤波器的中心频率为3 8m h z ， 带宽为2m h z ，采用l c 选频网络。 太腺理t 大学顺卜学位论文 三级混频由m c 3 3 5 6 来完成，第三本振频率2 7 3m h z 第 三中频输出l o 7m h z 。第三带通滤波器中心频率为l o 7m h z ， 带宽为2 8 0 k h z ，采用陶瓷滤波器。三级滤波器的仿真结果如附 _ 喊卜 豳5 - l 第二混频器电路图 录1 所示。 二级混频器电路如图5 1 所示。第二混频器使用巴伦微带 线【2 5 1 结构耦合第二本振信号，将其电压加到二极管两端，实现 不平衡平衡转换。第一中频信号直接加到二极管两端。然届信 号经过l c 选频网络进行带通滤波，输出的信号就是第二中频信 号。此电路结构是典型的二极管平衡混频器结构。这种混频器 主要是利刷二极管的丌关特性进行混频。它的等效电路如图 5 2 所示。其中表示第二本振信号，k 表示第一中频信号。 ，= g 。( 咋+ ) s ( ，) i 2 = g t ( 略一v l ) s ( f ) 太帐理t 大学碳小学位论文 其中乳2 玄表示二极管导通时的电导。设k = c o s ( o , 陌 i + - 幽5 2 第一= 混频器等效电路幽 结果如式5 - 1 所示，输出信号包含了我们所需要的。一。分量 i = i 1 + i 2 = 2 9 d v s s ( t ) - 2 9 。c o s 纨惶上c o 泐p 磊2 7 t c o s 3 州+ 一izj ，r = g d p kc o s ( o s t 一兰g d p 0 【c o s ( 甜+ ，+ c o l 一钵，】 + ：二g d c o s ( t ) s f c o s 3 c o ，5 1 经过带通滤波器后，输出到第三混频器的输入端。 吁乏 圈5 - 3 第混频器电路圈 第一混频器的结构相当于二极管环型混频器，环型混频器 相比较平衡混频器来说，其主要优点中频信号是平衡混频器的 太橡理t 夫学坝1 学位论文 两倍，而且抵消了输出电流中的某些组合频率分景，从i 而减少 了混频器中特有的组合频率干扰。第一混频器电路如图5 3 所 刀ia 第一本振信弓由巴伦微带线结构进行非平衡平衡转换送入 棍频器，刺频信号也通过微带线耦合入混频器。这是因为第一 混频器本振频率和中频都很高，所以要用微带线来耦合。环型 混频器输出的信号经巴伦微带线耦合进入第一带通滤波器。扼 流线圈l 4 提供直流通路。第一带通滤波器采用裂环微带线结构， 其中心频率为1 2 3 8 m h z ，保证了输入信号以及干扰信号不会进 入下一级混频器。环型混频器相当于两个平衡混频器，都是利 用二极管的丌关特性进行混频其原理不再赘述。 5 2 本振电路的设计和实现 场强仪的第一和第二本振电路采用锁相环路来产生本振信 号。它主要l 压控振荡器( v c o ) 、鉴相器和低通滤波器所组成。 锁相环路可以实现被控振荡器相位对输入相位的跟踪。锁 年日环路锁定后，输出与输八之i l 白j 只有某一固定的柏位差，频率 差等于零，可以实现无误差的频率追踪。在频谱式场强仪中， 第一混频和第二混频处都需要准确的本振信号，因此都要用锁 相环路。 频谱式场强仪需要测量有线电视中的所有频道的参数。在 测量时，确定一个频道需要每一个频道的中心频率。并且在测 量频谱时，场强仪要测量一系列频率点的电平，这样就需要场 强仪自动改变本振频率。因此频谱式场强仪需要准确度和稳定 6 太原理t 人学顿l 。学位论文 度较高，频率转换比较方便的第一本振信号。要提供这样的本 振信号，就需要用到锁相频率合成技术。 频率合成是指在一个或多个基准频率信号的基础一 i ，通过一 定的处理，综合出一系列等问隔的离散频率信号，这些离散频 率信号的频率稳定度和准确度均与基准频率信号相同，并且能 在不同频点迅速地切换。利用锁相环路来进行频率合成，具有 体积小、功能强、性能好的优点。在场强仪中，我们采剧飞利 浦公司的t s a 5 0 5 5 t 集成锁相环路【2 3 i 来实现频率合成电路。 t s a 5 0 5 5 1 是飞利浦公司生产的一种锁相环分频器集成电路 j 占片。它可用于卫星电视和有线电视领域，工作频率范围 1 g h z 2 6 5 g h z 。t s a 5 0 5 5 t 有两种输入方式一一平衡输入( 13 脚和1 4 脚) 和非平衡输入( 13 脚) ，我们在本产品中使用非平 衡输入方式。 控制数据经过，2 c 总线输入芯片，总共需要5 个串行字节来 决定设备地址，振荡频率，编程六个输出口毗及设置控