【精品优秀毕业论文】数字电视发射机激励器浅析以及实验设计.pdf

分分类 号号 号 u u u d c c c c c 学学号 号032 10044 4 4 砂瞬衬 去军 硕 士 学位 论 文 数字电视发射机激励器浅析 以及实验设计 顾明良 学 科名 称 学 科门 类 指 导 教 师 申 请日 期 物 理 电子学 工学 施一 卫教授 2006 年 03 月 独 创 一 性 声 明 一 秉翻 国优良 道德传统和学溯 耀 学风郑重申呢 本场 呈交孵 位论享是簿个 莱 篡愁鬓 黔鞘黯粼 一本论文及其相关资料若有不实之处 由本人承担一切相关责任一 论文作者签名 于 月 甲日 学位论文使用授权声一明 本人在导师的指导卞创作完成毕业论文 本入己通过论文的答辫 井 已经在西安理工大学申请博士 硕士学位 本人作为学位论文著作权拥有者 一 向意授权 西安理工大学拥有学位论文 的部分使用权 即 印刷版和电子版学位论文 学校可以采用影印 价已 获 学 位 的 研 究 生 按 学 稗 畔 敬 缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位诊文 料研目的 晕 骂默篡鬓 黑默黑黑黑 磊 弋 翼 等场所或在校园 网上供 校内师生阅 读 浏览 本人学位论文全部或部分内容的公布 包括刊登 授权西安 理工大学研究生 部办 理 保密 的学位论文在解密后 适用本授权说 明 飞 备 碑 长 论文作者签名 八二一扁 竺导师签名 最叁匕畴 一 幼一 如 摘要 一一一一一 一一 数字电视发射机激励器浅析以及实验设计 学科 申请 日期2006 03 研 究 生 签 指导老师 签 名 户 色 卉谷 名锥 摘要 现在 电视系统正面临着 由模拟 电视 向数字 电视转变的快速换代期 国家广电总局计划在 20 1 5 年在国内全面完成由模拟电视 向数字电视的更新换代 由于数字电视在中国起步较晚 数字电视发射 机技术也相对落后 国内大部分电视台采用的数字 电视发射设备都依赖于进 口 种种迹象表 明 如果 在中国要大规模普及数字电视 一方面在成本控制方面尤为不利 另一方面对发射机的日常维护以及 维修方面也是极为不方便的 数字电视发射机能否全面国产化在这时就显得格外重要 本论文对数字 电视 以及数字 电视发射机作 了比较系统 的介绍 此外对数字 电视发射机 的心脏 激励器作了详细的叙述 特别是其 中的上变频部分作了深入的分析 仿真 以及实验 从频率合成为基 本出发点寻求合适的解决方案 介绍了频率合成的具体指标要求 从理论上对频率合成的主要方式一 一锁相环进行分析 给出了捕捉同步和噪声性能 最后 在一些基本的频率捕捉和相位捕捉以及频率 合成的方案基础上结合理论结果总结了适合于精密本振的频率合成方案 对其部分电路结构进行了行 为级或系统级的仿真 并作 了必要 的分析 关键词 数字电视数字 电视发射机激励器频率合成锁相环 a b s t ra c t a n a l y s s a n d d e s ig n o f e x c it e r in d t v t r a n s m i t t e r s peci al t y p hysi cal e j ed roni cs c a n d id at e g u m ln g lia n g s u p er v lso r s h i w e l p ro f e ss o r 仰 pl y d ate 卫丛迎坦一 si gnatur e si gna t ure a b s t r a c t lbda y 1丫 s y st e m i s f a 以 川w i t h t h e up d ati n g 加 m a n a i o g t o di g i t a l t址 n adon b r o adc a l s t i n g t v o f f i c e s a i d t h a t b e f o r e 2 0 1 5 a l l t h o t v s y st e m w 川b e 比幼ge d 加 m a n a l o g t o d i g i 回 d i g i 因 tv 山竹 加脚 s加t ver y ea r l y i n c h i n a a n d d t v t ra ns而tt e r 1 5 a l s o lag g a r d m ostl丫 st a t ions hom e眼 u s i n g面p o 劝 团 d t v 加坦s面 n 恤9 d c v i c e s h 1 5 show ed t h at a t t h e pre s cn i f w e d l ik e t o m a k e d t v p o pul肛 t h e c o s t c o n t r o l a n d 山e d吐y m a j 匕 tenance 眼加 t op山川st i c s ot om 吐 d t vt r a l 面 t ter 过 o u ro喇 恤 助坷i s o p 比la l l y 面 卯 伽t恤 c o nsider i g t h e ove阁 1 sit u at ion tbe di s s e r lat ion pr e s e nt s t h o d i g h 已t v a n d i t s加通sm i讹r esp e cl 妞y ex c i姗 a n d i t su卜c o n v e到 冶 r pa r t em pha s 妞 d fir s uy a n o v er v ie w o f f r eque u c y sy n t h e s i z e r i s p化s e nt e d a s w el i a s o u t p ut r e quu e双 i e ni so f sy n t h e s 泳 l sec o nd i y a t h e眼 ti c a la n 目 yst of p b 嫂 一 o c 耽d l o0p 1 5 pr o vi ded i n c l udi n g l o o p ac q ui s ldon 胡d 加is e化sp o ns e t h i rd l y practi c a l bl o c k d i ag l 洲 m o fs扣t h es返 e r a r e put f o 留a r d o n t h o ba s i c o ff o 代goi n g t h e or y f i na l ly 0 ne p 肚t s of ei r cuit眼sim u ated a n d a n a i yz e d k ey钾 川s d l v t r ans而 tter exeit e r sy n t h es泳 r pha s e一 b 又ked l刀 o p s 门 心 钥 口 翩 尹 目录 l 前言 2 数字电视介绍 数字电视的概念和基本特点 2 2 数字电视的技术原理 3 数字电视的标准及传输网络技术 4 我国数字电视标准的制定 3 dy b 寸 数字电视发射机概述 数字电视发射整机架构以及原理图 整机组成模块及指标介绍 数字电视发射机激励器构成及其原理指标 3 i i f处理单元 agc 预校正 a l c 8 10 3 2 精密本振 l 0单元 3 3 上变频单元 3 4 射频功放单元 10 ll 4 频率合成理论 4 1 频率合成方案 4 1 1 非相干合成器 4 1 2 直接相千合成 4 1 3 间接相干合成 l3 13 口月匕 上 人 4 1 4 直接数字合成 14 14 4 2 频率合成参数 4 2 1 影响因素 信号质量指标 二 其他指标 l6 17 锁相环基本理论 基本锁相环路原理 环路噪声 2 1 噪声由来 二 2 2 锁相环路中的噪声 19 22 o j q 0 9 自 西安理工大学硕士学位论文 5 2 3 锁相环频率合成单元对噪声影响二 2 3 5 3 环路跟踪和捕获性能 2 6 5 3 1 环路跟踪性能 26 5 3 2 环路捕获性能 27 5 3 3 辅助捕获 2 8 6 频率合成器方案及其分析 34 6 1 频率合成器方案 1 3 5 6 1 1 方案分析与说明 3 5 6 2 频率合成器方案 2 3 8 6 2 1 方案分析与说明 38 6 3 频率合成器方案 3 3 9 6 3 1 方案分析与说明 3 9 7 频率合成方案结果与说明 4 2 7 1 方案 1 的详细说明 4 2 7 1 1 频率控制环路 4 2 7 1 2 相位控制环路 4 2 7 2 部分电路设计 仿真以及结果分析 4 3 7 2 1 混频器设计 4 3 7 2 2 vco 设计 46 7 2 3 加法电路后级输出有源滤波器设计 5 1 7 2 4 上变频愉出放大电路设计 5 2 7 3 实际 代b 版图 5 4 7 4 结论 5 6 介 致谢 5 7 参考文献 5 8 附录 60 第一章 前言 1 前言 当前 世界各国正面临着从模拟电视向数字电视演进的变革 和通信领域以往所有模 拟技术向数字技术演进历程一样 在用户需求和科学技术进步的巨大拉动下 数字电视技 术 日趋成熟 在不断为人们提供更高质量 更多功能 更个性化的音视频节 目服务的同时 逐渐成为电视系统的主流 在中国 数字电视起步较晚 国内还没有形成一个统一的标准 清华和上海交大分别 在 自己的技 术 骨 干 的 带 领 下 提 出 了各 自的 dttb digital television terrestrial broad e a s tin g 标准 两家的标准之争也是愈演愈烈 与数字电视标准落后于国外的情况类似 数字电视发射机的研制也远远落后于发达国 家 目前在上海从事这一研发的只有上海明珠广播 电视科技有限公司一家 而他们过去更 多进行的是整机的组装 可见国内在这一领域急需投入 这次毕业设计的任务就是对数字 电视发射机中的上变频器进行国产化 目前已有的国外发射机由功率放大器 上变频器 控制 电路 电源 调制器等组成 功率放大器和控制 电路现在 已经基本国产化 但上变频 器由于其指标的高要求和 电路的复杂性 国内目前基本没有能完全研发成功的公司 上变 频器分为三个模块 其中最为困难的是 1 f处理单元 ag c 预校正 alc 其次是精密本 振 lo 同时 l 0又是上变频的基础 没有它就如同大楼没有地基 本论文对激励器中上变频这一心脏模块进行了分析和实验研究 从频率合成为基本出 发点 参考查阅文献 深入讨论锁相环理论 提 出了频率合成的基本方案 并对方案的可 行性进行了必要的模拟与仿真 模拟与仿真结果证明了电路的可行性 为数字电视发射机 激励器的国产化提供 了有利 的借鉴 为降低成本迈 出了坚实的一步 一一一一一一一一一一一一二塑塑扭论文二 l 二 2 数字电视介绍 2 1 数字电视的概念和基本特点 所谓数字电视 就是将图像画面的每一个像素 伴音的每一个音节都用二进制数编成 多位数码 并以非常高的比特率进行数码流发射 传输 接收的系统工程 也就是说在数 字电视这个系统工程中发射 台发射的电视信号是一种高比特率的数码脉冲串 空中或有线 电缆中传输的电视信号也是高比特率的数码脉冲串 电视接收机 从接收到视频放大 色 度解码 音频放大等所有过程均为数码流的处理过程 在这个过程中没有数 模或模 数转 换 仅在显像管激励终端经数 模转换为负极性图像信号 扬声器功率推动终端经数 模转 换为正弦波音频信号 使显像管荧屏显示高清晰画面 扬声器还原出近似临场的立体声或 丽音效果 2 新的数字电视体系较模拟制电视体系十分优越 其主要表现是 l 收视效果好 图像清晰度高 音频质量高 满足人们感官的需求 2 抗干扰能力强 数字电视不易受外界的干扰 避免了串台 串音 噪声等影响 3 传输效率高 利用有线电视网中的模拟频道可以传送 8一 1 0 套标准清晰度数字电 视节 目 4 兼容现有模拟电视机 通过在普通电视机前加装数字机顶盒即可收视数字电视节 目 5 提供全新的业务 借助双向网络 数字电视不但可以实现用户 自点播节 目 自由 选取网上的各种信息 而且可以提供多种数据增值业务 3 2 2 数字电视的技术原理 信源编解码 复用 信道编解码及调制解调是数字高清晰度 电视 hdtv 的技术核心 信源编解码技术包括视频压缩编解码技术及音频压缩编解码技术 视频编码技术主要 功能是完成图像的压缩 使数字电视的信号传输量 由 99 5 m b it s 减少为 2 0 3ombit s 与视频编解码相同 音频编解码主要功能是完成声音信息的压缩 声音信号数字化后 信 息量比模拟传输状态大得多 因而数字 电视的声音不能像模拟 电视的声音那样直接传输 而是要多一道压缩编码工序 它主要利用 了人耳的听觉特性 数字电视的复用系统是 hdt v的关键部分之一 从发送端信息的流向来看 它将视频 音频 辅助数据等编码器送来的数据比特流 经处理复合成单路串行的比特流 送给信道 编码及调制 接收端与此过程正好相反 在数字电视中 复用器把音频 视频 辅助数据 的码流通过一个打包器打包 这是通俗的说法 其实是数据分组 然后再复合成单路 第二章 数字电视介绍 目前网络通信的数据都是按一定格式打包传输的 hdtv 数据的打包将使其具备了可扩展 性 分级性 交互性的基础 将电视的视音频信号数字化后 其数据量是很大的 非常不利于传输 因此数据压缩 技术成为关键 实现数据压缩技术方法有两种 一是在信源编码过程中进行压缩 工 ee e 的 mpeg 专家组 已发展制订 t 150 iec13818 mpeg一 2 国际标准 mpeg一 2 采用不同的层和级 组合即可满足从家庭质量到广播级质量以及将要播出的高清晰度电视质量不同的要求 其 应用面很广 它支持标准分辨率 16 9 宽屏及高清晰度电视等多种格式 从进入家庭的 dv d 到卫星电视 广播电视微波传输都采用了这一标准 二是改进信道编码 发展新的数字调 制技术 提高 单位频宽 数据传送速率 数字传输的 常用调 制方式有 正 交振幅调制 qa m 调制效率高 要求传送途径的信噪比高 适合有线电视电缆传输 键控移相调制 qpsk 调制效率高 要求传送途径的信噪比低 适合卫星广播 残留边带调制 vs b 抗多径传 播效应好 即消除重影效果好 适合地面广播 编码正交频分调制 cof d m 抗多径传 播效应和同频干扰好 适合地面广播和同频网广播 同时为了提高数字电视传输的可靠 性 必须对数据码流进行纠错编码 纠错编码的方法很多 如里德一 索罗门码 卷积码 交织 格状编码调制等 2 1 4 2 3 数字电视的标准及传输网络技术 三种传输网络 三大传输标准体系 组成 了一个数字电视 网格 不同的数字 电视 系统都会 占据一个 网格 数字电视传输网络主要指地面 有线和卫星三大数字电视广播传输网络 地面数字电 视广播网络通过电视台制高点天线发射无线电波 覆盖电视用户 用户通过接收天线和电 视机收看电视节 目 这是数字 电视广播最基本的传输网络形式 除了娱乐 学习等公益功 能之外 其普遍性 可控性和抗毁性还被视为国家安全设施 使之成为紧急情况下动员国 民最直接最可靠的政府喉舌 由于模拟电视传输网络无力处置噪声积累和多径干扰 迫使人们把天线架 出室外 导 致公用天线系统在楼群中发展 随着全频道模拟 电视广播信号的光纤宽带传输技术的突 破 一个以光纤为干 同轴 电缆为支的树形光纤 同轴 电缆混合网 hf c 在城市得到普遍 利用 逐渐演进成为脱离地面广播系统而独立存在的有线电视广播网络 拥有绝大多数的 城市电视用户 与地面广播网必须全国统一频率规划不同 有线广播网可以一城一网或一 地一网 具有企业运营特征 在电视用户端它们通过有线制式机顶盒和电视机连接 和地面 有线数字电视广播传输网络不同 卫星数字电视广播网络 简称卫星直播系 统 是把数字电视节 目信息集中经卫星地面发射站用微波发送到离地面 3 8 万公里高度的 同步卫星上 同步卫星用微波转发回地面 用户 电视机通过对星无遮挡的小型卫星接收天 线和卫星制式机顶盒收视卫星数字电视节 目 根据 电波传播原理 卫星数字电视广播信道 西安理工大学硕士学位论文 是微波直线传播的恒参信道 传输功率和效率是其主要矛盾 5 6 目前 数字电视传输有三大标准 即美国的 ats c 欧洲的 dv b和日本的 isd b三种不 同的标准 1 atsc 数字电视标准由四个分离的层级组成 层级之间有清晰的界面 最高为图 像层 确定图像的形式 包括像素阵列 幅型比和帧频 图像压缩层 采用 mpeg一 2 压缩标准 系统复用层 特定的数据被纳入不同的压缩包中 采用 mpeg一 2 压 缩标准 最后是传输层 确定数据传输的调制和信道编码方案 最低的两层共 同承担普通数据的传输 最高的两层确定在普通数据传输基础上运行的特定配 置 如 hdtv 或 sdtv 2 dvb 标准 支持室内接收 移动接收等需求 dv b标准包括 4 个系统 dvb 传输系统 涉及卫星 有线电视 地面 s狱tv 枷ds 等所有传输媒体 它们对应的 d v b 标准为 dv b 一 s 数字卫星广播系统标准 我国选用的标准 dvb 数字有线 电视广播系统标准 dvb一 t 数字地面电视广播系统标准 另外 dvb一 s撇 tv 是数字卫星共用天线电视 sm a tv 广播系统标准 dvb一 ms 是高于 10ghz 的数字广播 m m d s分配系统标准 d招一 m c是低于 lo o h z的数字广播 枷ds 分配系统标准 dvb 基带附加信息系统 dv b数字广播系统除传送视频 音频信号外 还可传 送接收 i r d 调谐 节 目指南及图文 字幕 图标等信息 适用于此类基带附加 信息系统的 dvb 标准包括 dvb一 s i为数字广播业务信息系统标准 dvb一 tx t 为数字图文广播系统标准 用于固定格式图文电视的传送 dvb一 sub 为数字广 播字幕系统标准 用于字幕及图标的传送 d v b 交互业务系统 dv b数字广播系统能根据需要 提供交互业务服务 构成 交互业务系统的要素包括 与其他相关国际标准兼容的交互业务网络独立协 议 传送交互服务过程命令与控制信号的回传信道等 对应的 d v b 标准有 d阳一 nip dvb一 rcc 和 dvb一 rc t dv b条件接收及接口标准 在 dv b数字广播系统中 有些业务传送加扰的条件 接收信息 通过条件接收的通用接口 使 ir d能够解扰采用通用加扰算法的 加扰信息 条件接收是付费电视广播的基本部分 对数字电视运行的成功至关 重要 dvb 数字广播系统与其他 电信网络 如 s d h a t m 等 连接 扩展 了 dv b 技术的应用范围 可实现 dv b向电信网络的过渡 此外 还有利于连接专业设 备及 ird 的接 口 关于这些接 口的 dvb 标准包括 dvb i dvb一 pdh dvb一 sdh dvb一 a t m dvb一 pl 和 dvb一 irdi 3 日本的 isdb 利用一种标准化的复用方案 在一个普通的传输信道上可发送各 种不同的信号 同时可以通过各种不同的传输信道发送复用信号 isd s具有 柔韧性 扩展性 共通性等特点 可以灵活地集成和发送多节 目的电视和其他 第二章 数字电视介绍 数据业务 7 j 2 4 我国数字 电视标准 的制定 我国现行电视广播频道带宽为 sm h z 与欧洲基本相同 但与美国 日本不同 我国 地面广播频道分配和规划情况复杂 而且受我 国政治 文化 经济现状决定 其数字 电视 节 目和其他业务形式与发达国家需求不完全一致 我国所研制的传输标准方案在技术上应 努力达到以下技术要求 系统具备固定接收和移动接收两种主要模式 能够实现在强多径和动态环境中稳定接 收的同时 保证系统的数据传输容量不低于现有国外系统的对应值 具体说 系统的整体 性能应至少与欧洲系统一样好或更加优异 考虑到数字地面广播和有线 电缆广播可能构成我国数字 电视广播的主要市场 所 以研 制的地面传输方案应使其接收易于兼容数字有线 电缆解调解码方案 即系统应兼容数字有 线电缆方案 应绕开国外系统中的专利 特别是核心技术专利 形成 自己的系统组成和数 据结构 系统应及早形成接收芯片的设计方案 并应 以中国企业首先 申请接收技术实现专 利和研制成功符合标准方案的样片 西安理工大学硕士学位论文 3 ov b 一 t 数字 电视发射机概述 3 1 数字电视发射整机架构以及原理图 跪 奎鑫爵曹 福 中 生控制器 二 丁一 二 丁 一一 心 0 数字电视调制器 1 0 中频至射频上变频器 七七巴竺 尸尸尸 j i j j j j j j j j j j j j j j j j j l l l l l 盆 占奋 二r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r l l l l l l l l l l l l 1 1 下 二 了 1 1 1 1 鬓鬓 鬓 鬓 鬓 r r下 r了 r了 rl r l l l l rl尸 r r 了 rll 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 一 一一 r rlr l r r r r r 门 i 了r 百1 一 一一 r 尸 rl r了 r r r r 1 t lr l r 一 一一r r r 尸 r r 尸 r r r r 尸 nl l 二 11 1 1 宜 1 l l l l lr 尸 一 一 一 一 犷 一二 一丁一一 一 l l l l l j j j 口 口 口 口 二 二 二旧州 二二 二二二二二二二二 l 尸 甘 尸 r r r t 尸r r 一 一 一 一 协 协协 r 尸 r 尸 r r 门 r r r 件 件件 r rl r 尸 r 尸 了 r r l l l l l l l l 护 尸 r 卜 尸 r r 护 尸 网 r气 尸 尸 r r 尸 r r 尸 r 尸 尸 一 r r r 尸r r r r r r r r r l l l l l 一一一一不不 一 一 二 二 硬 硬 硬 硬 r t 口 1 勺 t 尸r l r rt t 下 1 1 丁百 丁 1 丁 1 1 1 1 1 1 1 芭 曲 韭日 困 鑫 鑫毒韭韭韭 用 藉 l l l l l l l l l 十十 卜 卜卜 用用用 用用 用 用 用 用 一 一一 一一 一 一 一 一 一 2 280 功率放大器 1 0 0 0 时使 用 500 时空余 2 28ow 功率放大器 图 3一 1 500份uh fdvb一 t 发射机 f ig 3一 1 50 w u h f d v 卜 t t r a n s m it t e r 第三章 d v b 一 t 数字电视发射机概述 图 3一 l 显示的是 50ow 数字电视全固态发射机 为介绍说明问题 此处仅用作样机 工作在 470一 860m h z uh f频段 其 内部调制器支持的标准是欧洲的 dvb一 t 数字电视发射机原理框 图如 图 3一 2 所示 图 3一 2 数字 电视发射机原理框图 f 啥 3一 2 schem at ie 妞 iustra如 ofd t v tr a nsm it t er 数字电视发射机输入的视 音频信号是按 mp e g z标准 经过压缩 编码 并与其他数 据信息复用打包后的传输码流 t s流 输入的 t s流经过信道编码和调制单元形成符合一 定制式标准的模拟中频信号 然后经预校正 上变频至发射频道 经射频放大后发送 8 3 2 整机组成模块及指标介绍 激励器 可采用符合欧洲 美国或未来我国自主制式 6一 8阳z 带宽中频输出的调制器 1 ow 输出的上变频器 可连接标准同步时钟源 gp s 适用于单频网 射频放大器 由 4 个射频模块合成输出 每个模块额定功率为 27衅 有效值 为了 获得带宽 可靠和高效率 射频放大使用 ldmo s固态技术 射频模块单元带开关电源 有 过流 过压 温度过高 过激励及驻波 比过大保护功能 功率合成分配 功率分配和合成分别带有完全隔离的不平衡功率吸收电阻 输出滤波器 6 腔邻频带通滤波器 串接在发射机的输 出端 为了降低互调成分和对邻 频道的干扰 以达到国家标准对频道外的限制标准 电源分配 此部分在整机的最下方 三相五线 380 v供 电 通过主电源变压器 供 发射机射频模块非稳压 14ovo c直流电压 二级开关 以限制涌动 电流 通过 1 skv a供 电源 控制板及激励单元 控制单元 电压 控制单元 对整个发射机进行监测控制 有本地 遥控两种方式 本地控制在控制面 板上进行开关机程序操作 对应故障在面板上 l印 显示 控制单元背面有对外接 口 有遥 控接 口 通过此接 口可以进行远程控制 另外 还有整机控制接 口和计算机辅助接口等 冷却系统 通过安装在射频模块中的高可靠性风机进行强迫风冷 机架顶部外接风机 起抽风排出热量的作用 对于整机 它有些指标 与上变频器部分有非常紧密的关系 以下我将罗列出一些和设 西安理工大学硕士学位论文 计主题相关的技术指标 频率范围 输出功率 谐波辐射 寄生辐射 频率稳定度 带肩 4 7 0一 8 60 m h z n 250w n 是功率放大器数量 三z o m w 三 lm w 士100hz 年 多频网 士zhz 年 单频 网 三一 3 5db 3 3 数字 电视发射机激励器构成及其原理指标 如图 3一 3 所 示 激励器主要 由以下六个功能模块组成 1 if 处理单元 agc 预校正 alc 2 精密本振 lo 3 上变频 仁 bpf 4 rf 功放 5 显示 图 3一 3 激励器外部框架 f ig 3 一 3 o u t f r a m e o f exeiter 激励器具体原理框 图如图 3一 4 所示 r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r f 放大大大大大大大 i i if 输入 线性预校正器器器a g c 一 a lc c c c c混频器 器器 器器r f 输出出 控控 制 制 制制制制制制制 合成本振振 图 3一 4 激励 器原理框 图 f i只 3 一 4 s c h e m o tie illu stra tio n o f e x c ite r 第三章 o v b一 t 数字电视发射机概述 在数字电视发射机中频校正和 r f校正加上信道调制器内的校正功能用来完成校正输 出信号的线性 非线性失真任务 上变频 功率放大 输出滤波与模拟机的视频混合 视 频功放 输出滤波相似 激励器的指标如表 3一 1 所示 常常 符合标准 准e t s 300 744 iec 215 5 5 规规 规规规规规规规规规规规规规规规规规规规规规规规规规规规 参参 参频率范围 围470 860 翻z 中任意指定频率 率 数数 冷 冷冷却方式 式风冷 冷 工 工工作温度 度一 10 45 oc c c 储 储储藏温度 度一 30一 80 oc c c 海 海海拔高度 度 2500 m m m 重 重重量 量15 kg g g 尺 尺尺寸 寸482 6 x 133 5 x 485 n u n n n 电 电电源输入 入1 10 220 v 20 50 60 hz 及 36 vo c c c 功 功功率消耗 耗140 va a a 输输 输i f 输入频率 率36 15姗z z z 入入 入入入入入入入入入入入入入入入入入入入入入入入入入入入 特特 特if 输入电平 平一 25 3 db m m m 性性 性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性 输 输输入匹配 配 26 db b b i i i i if 频率响应 应 0 25 d b b b i i i i if 带肩 肩 一 40 d b b b 外 外外部参考频率输入入10 姗z bnc 50 0 1 vpp p p 输输 输r f 输出功率 率0 3 10 百 百 出出 出出出出出出出出出出出出出出出出出出出出出出出出出出出 特特 rf 输出接口 口n f 50 q q q 性性 性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性性 r r r r r f带肩 肩 一 38 db b b 施 施施 r r r 33 db b b r r r r rf 频率精度 度 1 hz z z 频 频频率稳定度 度15 db 表 3一 1 傲励器整机技术指标 1 a b le 3 一 i t 翻 e t舰 七 口三 c i口 d ex o f excit e r 3 3 1 if 处理单元 agc 预校正 alc if 处理单元 agc 预校正 alc 的框图如图 3一 5 a a a lc c c 放放大器器 比比较器器器器器器器器 检检检检检检检波整流流 f 状态 下 电平 图 3一 5 if 处理单元框图 f地冬5 s c hem ue 山ust口t i o of廿 p 时 i f处理单元包括 自动增益控制 a g c 自动电平控制 a lc 和线性预校正电路 主要 针对传输 中群延特性的不均匀性所带来 的失真进行校正 经过校正后的 下 信号通过 a g c 一lc 电路和本振信号一起送至变频器输入端 3 3 2 精密本振 l 0单元 精密本振 lo 单元的框图如图 3一 6 精密本振 l 0单元由微处理器控制输出 1 igh z和相位 幅度信号 通过积分电路和低 通滤波至压控振荡器 最终输 出的本振信号幅度应为 l od b m 用来驱动功放和 pl l预校正 p r e s c a l e r 精密本振可以锁定在外部的频率源 如 gp s接收机 上 为变频器提供一 个精密准确的频率源从而提高输出的频率精度 当无外激信号时可通过频偏调节得到一个 稳定的 r f输出 第三章 d v b一 t 数字电视发射机概述 可可编程 程 程程程程 程p fe卜 sc刁 i er r r m m m 4 七鸿132 2 2 2 2v c x o o o o om s a o 4 0 5 5 5 显 显示屏屏屏屏 屏频率合成器 器器 v c o o o o o o o a m p p p s s sc d558o o o m c 145220 0 0 0 0v7075001 1 1只只 m sa 1105 5 5 r r r s 2 3 2 2 2 2 2存贮器 器 器积分电路 路路 lpf f f a a a d m 2 02 2 2 2 2x 2 4 c o z z z z z 0p249 9 9 9 9o p 2 4 9 9 9 7 7 7 戈 戈 1 1 1 1 1 三三端稳压 压 7 7 7 9l 0 5 5 5 图 3一 6 精密本振单元 f ig 3 一 6 p a r t o f p r e ci s io n l o 3 3 3 上变频单元 上变频 bpf 单元的框 图如下 混混频器器器器器器 t t t u f 2 5 m m m m ma m p p p 图 3一 7 上变频单元 f i g j 一 7 p ar t ofu卜conver t er 上变频 bpf 单元的 i f 和 l 0信号分别通过衰减器 att n 从而保证最低的反射 电平 和较好的阻抗匹配 输入至混频器的两个输入端 口 合成的 r f信号通过带通滤波器 即f 滤除所需频道外的频率分量 然后经宽带放大输出 3 3 4 射频功放单元 射频 rf 功放单元 的框 图如图 3一 8 西安理工大学硕士学位论文 射频 rf 功放单元的两级功放都属于 a 类全固态放大器 在 uh f波段宽带放大 采 用 了微带线技术来提高可靠性和稳定性 r f输入信号经第一次放大后 由 3db 定向祸合器 90 0 分两路通过放大器第二次放大 输 出由 3d b定向祸合器 90 0 合成至 l衅 功放输 入端 经输入平衡变压器 放大器 输出平衡放大器输出放大的 r f信号至功放模块 同 时 放大器输出 r f峰值功率及 rf 幅度检测信号 除此以外还有显示及电源模块 由于己偏离本此设计的课题较远 故不再累述 z w a m p a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a m p p p p p p p p p p p p p p p p p a a a m p p p p p3 d b 藕合器 器 器日 o 附 34 4 4 4 43 d 日祸合器器 b b b 1 3 附32 2 2 2 2if 130 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3if 13 04 3 3 3 a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a m p p p p p p p p p p p p p p p p p b b b u n 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 o o o o o o o o o o o o o o o o o e t t t 输输出 出 出 a m p p p p p输入 入 变变压器器 器pn 夕以 9 变压器 器 o o o et t t t ti m d 调节 节 图 3一 8 射频功放单元 fl g j 8 入 r t of r f pow er am p断 er 第四章 频率合成理论 4 频率合成理论 4 1 频率合成方案 频率合成 就是利用 电子元件组成的某种装置 以便 由一个或几个参考源产生一个或 许多频率的过程 4 1 1 非相干合成器 早期的合成器 是由一组晶体组成的晶控振荡器 晶体用人工来接入和断开 它的频 率准确度和稳定度 由晶体的频率准确度和稳定度来决定 很少与电路有关 后来 由非相干 合成法代替 非相干合成对于以前的合成法的优点是可 以用少数的晶体产生较多频率 这样可以降 低成本 减少基本组成单元 图 4一 1 是一个典型 的非相干合成器 混混频器 器 器带通 通通混频器器 器带通 通 滤波器器器 滤波器器 晶晶振振 振晶振振 矩矩阵开关关关矩阵开关 关 关矩阵开关 关 f o u t 习 习二刀 一厂 尸广 门 一 l 二 二 习 二 已任吕丁 二习 习 一匕 10 块晶体10 块晶体10 块晶体 图 4一 1 非相干合成器 f ig 今 1 n o n 一o h e作 n t y n 山 祖er 就上面的图可 以看出最后通过带通滤波器的输 出是 二二 毓 一 9 毓 一 0 n 一 1 j o u l 一 j n 宁 j 一 甲 个 j i 宁 一丁二刃产一卞 一戈二二丁厂一 宁 十 i u i u 叭 一 9 10 0 4 1 西安理工大学硕士学位论文 输出信号的频率稳定度 准确度和相位噪声是各振荡器的稳定度 准确度和相位噪声 的和 应该特别小心寄生输出 混频过程中产生无穷多的不需要的互调分量 其中有一些 是低阶的 而且可能落在通频带内 非相干合成法的主要优点是成本低 4 1 2 直接相干合成 非相干和相干合成之 间的主要差别是在产生频率过程中所用频率源数 目的不同 非相 干合成用了许多晶控振荡器 而相干合成只用了一个参考频率源 直接相干合成在需要产生少量频率的时候 可 以采用强制合成法或谐波法 此外直接 相干合成还有双混频法 三混频法 双混频一分频法等等 这里不作详细介绍 4 1 3 间接相干合成 在形成频率增量过程 中 间接合成运用 了反馈原理 是现代频率合成技术 中最为流行 最为大多数人接受的技术 这里牵涉到了锁相环 的理论 本论文将在后面的锁相环理论中进行比较详尽的分析描 述 此处只给出一些概念性的模型 图4一 2 是在回路中加入混频单元的模拟锁相环合成器 v c o 的频率忘 经过下变频后 与参考频率几 瞬 比较 当两个频率之差很小时 鉴相器产生一缓慢变化的交流电 压 该电压通过低通滤波器后 把 v c o 牵引到锁定状态 在锁定状态下 鉴相器输出一直 流 电压 其大小和极性 由参考信号与经变频后的 vco 信号之间的相移大小和方 向决定 图 4一 2 模拟锁相环合成 f ig 今2 a o a io g p l l sy n th 泳 r 第四章 频率合成理论 当在原来的模拟锁相环路中加入数字部分 比如分频器时 模拟锁相环就成 了部分数 字锁相环 其中环路的最小频率增量等于参考频率天 而它的输出频率等于袱 如图 4一 3 所示 鉴鉴相器器器低通 通 通v c o o o 滤滤滤滤滤滤滤波器器 器 器 可可变分频频 十 十 n n n 微微控制器器 图 4一 3 部分数字锁相环 fi g 今3 p a rdal d i g i t a l pl l 另外还有全数字锁相合成 以及直接数字合成 dd s 方案 全数字锁相合成将在锁相 环理论中提及 接下来将 比较详细地论述直接数字合成技术 dd s 4 1 4 直接数字合成 直接数字合成技术是一个相对较新的技术 它可 以在达到高分辨率 达 i h z 甚至更高 的情况下降低频率合成器的成本和复杂度 dd s和 pl l一样都有表面插槽式的集成电路 图 4一 4 给出了 dd s的基本结构框 图 相位 控制字 相位累加器 频率相位 正弦1 1 一 门 州阳 c侧 lp 控制字 寄存器查询表 f o ut 时 钟f c 图 4一 4 dds 基本结构框 图 f ig 4一 4 s eh em a tie illu stra tio n o f d d s f u n d a m en ta l stru etu r e 西安理工大学硕士学位论文 设相位累加器的位宽为 zn 51 表的大小为 zp 累加器的高 p 位用于寻址 si n 表 时钟 c l ock 的频率为 丘 若累加器按步进为 1 地累加直至滋出一遍的频率为 4 2 若以 m 点为步长 产生的信号频率为 f 委 几 委 们 m 为频率控制字 可以知道 dd s的最小分辨率为f c 2 最高的合成频率受奈奎斯特抽样 定理的限制有f c 2 进一步分析可知若相位寄存器为 3 2位 那么频率分辨率可以达到 f c 2 完全能符合应用的要求 dd s系统的核心是相位累加器 它 由一个加法器和一个位相位寄存器组成 每来一个 时钟 相位寄存器以步长增加 相位寄存器的输出与相位控制字相加 然后输入到正弦查 询表地址上 正弦查询表包含一个周期正弦波的数字幅度信息 每个地址对应正弦波中 o 3 6 0 0范围的一个相位点 查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度的数字量信 号 驱动 da c 输出模拟量 相位寄存器每经过 zn m个 f c时钟后回到初始状态 相应 地正弦查询表经过一个循环回到初始位置 整个 dd s系统输出一个正弦波 频率控制字与输 出信号频率和参考时钟频率之间的关系为 f 口 2 f o 材 2拟 一 l 其中 n 是相位累加器的字长 频率控制字与输出信号频率成正比 由取样定理 所产生的 信号频率不能超过时钟频率的一半 在实际运用中 为了保证信号的输出质量 输出频率 不要高于时钟频率的 33 以避免混益或谐波落入有用输出频带 内 9 j 0 dd s由于它高速频率转换以及高精度 已应用于许多电路 但是它的最高频率不够 所 以一般和 pl l环混合使用 以便能以较小的步进 如 i h z 调节频率达到需要的频率精度 4 2 频率合成参数 频率合成器的指标很多 其中最重要的指标是信号的质量问题 除此之外还有其他一 些指标如频率 输出 转换时间等也是比较重要的 4 2 1 影晌因素 频率合成器输 出的干扰信号有这么三类 1 谐波 主要是 由非线性 失真和数字电 路脉冲的谐波分量造成 在频谱上为单根谱线 2 杂波 由混频 倍频等非线性工作 产生 l 要反映在频谱上是在主频旁不呈整数倍关系的离散单根谱线 3 噪声 由于 第四章 频率合成理论 电路中存在各种噪声 所 以在信号通过 电路时通过非线性工作而产生的调相调幅 又因为 噪声的功率谱是连续分布 所 以调制后的形状如 图 4一 5 份 井拼日付 图 4一 5 频率合成输 出频谱 f i g 本5 0 u勿ut加 quenc yspe c 份u口 ofsyn比 故 r 如果在时域中分析信号的质量 那主要有 1 由噪声 杂波对主频的调制造成的 频率瞬间稳定度 2 由湿度 电源 以及极低频率引起的相位缓慢漂移的短期稳定度 3 由晶体老化等造成的长期稳定度 4 2 2 信号质量指标 衡量质量好坏有很多指标 以下将罗列一些常用指标以备后续章节使用 1 相位功率谱密度凡 j 考虑单频信号问题 u t u eos w c t 尹 t p t 是电 路噪声被调制后的相位噪声 一般来说信噪比比较 高 则展开后 c o s诚o 等于 1 si n 神 等 于诚o 所以最后有c o w c 帆o si n w c t o 对上式进行拉氏或者付氏变换可以看到凡 力被 调制到w c 两旁 波形如图4一 5 o所以可以用凡 力来衡量诚o 信号在f 频率下 h 带宽 的功率 单位是 r a dzi h 2 信 号 相 位 噪 声 功 率 比 歼 在 频 率 f 厂 到 f f h范 围 内 的 总 的 双 边 相 位 噪 声 功 率 之 比 定 义 为 歼 关 f 歼 关 f 二 2犷 s f 一 单 位 是 分 贝 3 相位抖动 试厂 和残余调频 叮 厂 离主频较近的旁频噪声 帆厂 定义为 帆 劝二 2犷 s f d f 代 表 偏 离 主 频 内 的 总 噪 声 带 来 的 相 位 抖 动 单 位 是 弧 度 也 可 以 用 调 频 指 标 犷 l 来 衡 量 l 二 2犷 厂 2 s 力 d f声 其他的一些指标 由于实用性 目前看起来不太强 此处不再写出 西安理工大学硕士学位论文 4 2 3 其他指标 除了衡量信号质量的指标外还有一些其他比较重要的指标 这里一并给出 频率方面 1 输出频率范围 即输出频率的总变化范围 2 最小频率步进间隔 频率每步进一次的最小间隔 输出方面 1 输出电平范围 可按功率或幅度给出 2 输出电平准确度 3 输出电平的频率特性 频率变化引起输出电平的变化 4 输 出阻抗 输 出方式 平衡或不平衡 转换时间 定义为一个频率点转换到另一个频率点所需要的过度时间 其他方面 调制形式 遥控 体积 重量 耗电 环境条件等 第五章 锁相环基本理论 5 锁相环基本理论 5 1 基本锁相环路原理 锁相环 顾名思义是将相位锁定 而相位正是频率的时间积分 所 以也就是输出频率 最终锁定在输入频率上 锁相环的频率响应是对输入信号相位的频率响应 它的基本构成如图 5一 l i 一 一 一 一 一 一 一 p p p d d d d dl