DDS技术在构建中波同步广播单频网中的应用

韩大国

（安徽广播影视职业技术学院 信息工程系，安徽 合肥230022）

我国于上世纪六十年代开始使用中波同步广播技术。改革开放以来，随着我国经济的飞速发展，广播事业也得到了极大的发展，中波广播已发展成为我国重要的信息传输手段。尤其是上世纪九十年代，利用智能化的中波同步激励器构建了中波同步广播单频网，为我国的广播事业快速发展提供了坚实的技术保证。近年来数字技术在同步广播技术中得到广泛应用，使得中波同步广播技术发生新的变化。本文就数字化中波同步广播技术的应用做一些介绍和探讨。

1 DDS技术原理

DDS是直接数字频率合成器（direct digital synthesizer）的缩写，是1971年美国学者J.Tierncy.C.M.Rader和B.Gold提出的，由于近年来的器件和技术的提高，DDS技术在频率合成方面体现了优越性能，得到了广泛的应用。

直接数字频率合成器（DDS）由基准时钟、相位累加器、波形存储器、D／A转换器和低通滤波器（LPF）五部分构成，如图1。

图1 DDS的基本原理框图

相位累加器由N位加法器N位寄存器构成。每来一个时钟CLOCK，加法器就将频率控制字与累加寄存器输出的累加相位数据相加，相加的结果又被送至累加寄存器的数据输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续控制字相加。这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性累加。其输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的溢出频率就是输出的信号频率。如果用相位累加器输出的数据作为波形存储器（ROM）的相位地址，这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值（二进制编码）经查找表完成相位到幅值转换.波形存储器的输出送到D／A转换器。由D／A转换器将信号转换成模拟信号输出。

1.1 AD9859芯片

HQ－10型中波同步广播激励器是基于AD9859芯片构成。AD9859外形图如图2。

图2

内部功能图如图3。

AD9859是ADI公司生产的高集成度的数字频率合成器，它的内核最高可以工作在400MHz。外部时钟信号可以选择直接输入DDS内核或者通过AD9859内部的一个可编程的参考时钟乘法器输入内核。AD9859内部集成了一个高速高性能的10位DAC来产生数字化可编程的频率高达200MHz的模拟正弦波形输出，此正弦波可直接用作频率信号源或经内部的高速比较器转换为方波输出。

图3 AD9859功能结构图

AD9859支持多种时钟模式并且支持差分或单端输入时钟，可以通过向相关寄存器内写入控制字来使用片内晶振或者锁相环参考时钟乘法器。而系统时钟则是由CLKMODESELECT管脚的输入与寄存器CFR1＜4＞、CFR2＜7：3＞中的数据来共同支配AD9859到六种工作模式中的一种来产生。

单频工作模式是芯片默认的工作模式。当复位时，寄存器清零；当工作时，用户向寄存器中写入频率控制字即可获得DDS所需频率点的单频输出。输出电流幅度可由芯片内的数字乘法器的幅度控制功能来调整。在单频工作模式下，频率控制字的值被储存在寄存器FTW0中随后被截断送入相位累加器。这个值被手动修改，通过在I／O UPDATE时钟脉冲到达时向FTW0中写入新的频率控制字实现。相位调节则需要通过相位补偿寄存器实现。

在AD9859中，重要的是有内部时钟和外部时钟的UPDATA CLOCK功能。输入AD9859中的数据是和SYNC－CLK的信号同步的，这个信号通过SYNCCLK脚供给外部用户。I／O UPDATE在SYNC－CLK的上升沿采样。也就是说当数据输入到AD9859的缓冲寄存器中时，并不会马上按输入指令开始工作。只有当一个SYNC－CLK时钟信号上升沿到来且I／O UPDATE满足条件时，AD9859的缓冲寄存器才按输入指令开始输出数据到工作寄存器中。

在芯片内部，SYSCLK被送入一个四分频器来产生SYNC－CLK信号。当反向计数器计数到零的时候，DDS芯片自动更新SYNC－CLK时钟信号通过SYNC－CLK管脚提供给用户。这样可以通过强制外部硬件遵从SYNC－CLK的时序来实现外部硬件和内部时钟的同步。从图3.4可以看出在SYNC－CLK上升沿和I／O UPDATE高电平时，缓冲寄存器中的数据转移到DDS芯片的工作寄存器中。SYNC－CLK及I／O UPDATE管脚为用户提供了一个与系统时钟SYSCLK之间不变的潜在联系，也保证了当一个新的频率控制字或相位补偿值产生时模拟波形输出的连续性。图4表明了I／O UPDATE的时序周期和同步性。

图1 I／O UPDATE数据转换图

1.2 ARM微处理器

ARM微处理器对DDS进行操作。AD9859是通过SPI方式来控制内部的寄存器状态的，基于ARM LPC2214只需对 AD9859的SCLK，SDIO，IO／UPDATE，三个I／O口进行操作，很容易把各种控制字写入AD9859的状态寄存器中，从而产生所需的频率。SCLK是控制字写入的时钟口，SDIO是控制字写入口，IO／UPDATE用来更新写入的寄存器的控制字状态。

AD9859的频率输出后，经过一段椭圆滤波器滤波，再经过AD8132全差分放大器进行放大，然后经过耦合线圈将两路差分信号合成一路输出合成频率。

输入10M标准参考信号为FPGA测频的闸门时间，在闸门时间内对输入的待测信号进行计数，所计的数值暂存在FPGA内部。ARM与FPGA之间进行串行通信，只需4个I／O口就将数据读至ARM，这个通信方式类似SPI的时序。

1.3 基于AD9859的中波同步广播激励器性能特点

（1）低噪声和低漂移

DDS系统中合成信号的频率稳定度直接由参考源的频率稳定度决定，合成信号的相位噪声与参考源的相位噪声相同。HQ－10型中波同步广播激励器引入的由GPS信号产生的高精度高稳定度的10MHz参考源，稳定度达到1×10－11，所以合成信号频率输出稳定度和相位噪声的性能也极为优异。这是一般数字锁相环和模拟锁相环频率合成器所达不到的性能。

（2）输出信号幅度平坦

DDS的最低输出频率是所有的时钟频率的最小分辨率或相位累加器的分辨率。乃奎斯特采样定理保证了早直到该时钟频率一半的所有频率下，DAC都可以再现信号。

（3）易于集成 易于调整

DDS中几乎所有的部件都属于数字信号处理器件，除DAC和滤波器外，无需任何调整，从而降低了成本，简化了机器结构。

2 DDS技术构成的HQ－10中波同步广播激励器

HQ－10中波同步广播激励器由GPS接收器、基准源和DDS频率合成器组成。

GPS接收器接收GPS信号，这个信号源由GPS卫星发送，发送的是时间信号，这个时间信号源的换算为频率指标，频率稳定度为10－13，经过长距离传输，被接收器接收。

在基准源里，接收器将接收到时间码信息转换为频率信息，这个过程有计算机控制，加上信号源甄别功能和信号源溯源中断保持功能，使得输出的基准频率稳定度很高而且稳定，这是一般基准源难以做到的功能。值得一提的是，GPS信号众所周知，时间信号源精度和频率稳定度很高，实际上，在服务过程中是不稳定的，常受到各种自然和人为因素的干扰，在使用过程中有必要采取措施加以甄别和过滤，还要有精度（本文取精度和稳定度同意）保持功能，保证基准源输出的频率稳定度连续稳定。

在DDS频率合成器中，利用DDS技术将高精度高稳定度的基准源合成为各种频率。

系统总体硬件设计方案框图如图5。本系统主要由系统控制部分、频率合成部分和系统输出部分组成。其中控制部分的主要任务是完成对DDS芯片AD9859YSV频率控制字和控制信号以及选用的ARM芯片LPC2138和FPGA芯片EP1C3T144C8的控制信号和同步时钟的引入。频率合成部分则主要是是AD9859YSV通过输入的频率控制字FTW和选用的乘法器的倍频系数来合成所需的频率输出。而输出部分则完成滤波、放大和显示的功能。其中利用运算放大器AD8390实现DDS输出波形的放大功能，利用键盘输入控制四路DDS合成频率的输出通道以及输出频率大小的测量并及时送到液晶显示。

图5 DDS频率合成系统硬件设计框架图

3 中波同步广播单频网

中波同步广播单频网就是在不同地点的若干部发射机严格工作于同一频率，播送同一广播节目的广播形式。就我国来说已有若干地方的广播电台采用了这种方式，充分利用了宝贵的频率资源，极大节约了频率。但由于种种原因，单频网的运行质量得不到应有的保证，其中技术因素是一个重要的原因。从技术来讲，是很多人把中波同步广播的概念移植到中波同步广播单频网所造成的。传统的中波同步广播是基于三频组成中波同步广播网，标准要求的中波同步广播激励器输出的频率稳定度达到10－8即可，大多数的中波同步激励器完全可以满足要求。

但中波同步广播单频网的技术指标与三频中波同步广播网的技术指标有很大的不同。中波同步广播单频网是相邻两台使用同一频率发射，覆盖区域有重叠，形成相干区，出现了特殊现象，对频率技术指标也提出了新的要求。在现代中波同步广播单频覆盖网中，主要是两个技术指标：同频和同时延。有人认为需要同调制，有实验证明，这是不必要的。

在中波同步广播单频网的运行中，频率相同是最重要的指标。也就是说，单频网中运行的两个相邻的发射台要求使用相同频率发射（实际上做不到）。通常发射机使用都是标称频率发射，实际频率跟标称频率是有差别的。这种差别在中波同步广播技术中一般用频率的稳定度来说明，中波发射机频率稳定度一般要求10－5，三频同步广播要求发射机的频率稳定度为10－8，，单频网频率稳定度的指标有更高的要求。

稳定度分为长期、短期和瞬时。长期一般只一天以上；短期指一天以内；瞬时指秒级及以内。对于同步广播来说至少用短期稳定度才有意义。一般所说的稳定度都是指短期。在同步广播实践中，一般用稳定度指标加上相位噪声指标，来完整体现频率指标－稳定度的含义。下面讨论稳定度的指标来中波同步广播的影响。

表1 同步方式和频率的关系

表2 频差在相干区的听觉表现

从以上的表中我们可以得出，相邻发射机的频率差小于0.001以下中波同步广播单频网才能较高质量的运行。以0.001Hz频差我们来倒推发射机的频率稳定度要求，频率稳定度、频差和标称频率的关系为

中波广播的频率范围是531—1602kHz，取中心频率1000kHz为例计算，这时的δ为10－9，这是中波同步广播单频网运行时的最低频率指标要求。

中波同步广播单频网运行时，相邻的两个发射台的覆盖重叠区域，形成相干区。评价单频网的运行质量是以确定相干区的范围大小以及在相干区的收听效果为原则的。相干区范围大小的确定，一般以收听效果有同频干扰而且收听音质的综合评价得到3分为标准进行界定。收听效果因为有移动收听和固定收听两种方式，主观音质评价既要结合两种方式的收听效果进行音质效果的主观综合评价。单频网相干区的的音质评价，主要是收听时主观听觉有衰落，我们希望同步衰落越慢越好。同步时，两列电磁波在相干区域形成驻波，对于0.001Hz的频差，其频率的稳定度为10－10，在相干区产生的衰落时间为1000秒，也就是说在相干区收听节目，经过250秒声音的大小变化一次。这时在相干区收听，对于移动接收，这或许可以忍受。但固定接收，这样指标难以接受。实验证明，为了单频网的高质量运行，衰落时间需要提高一个量级，也就是说，稳定度需要提高一个量级，因此中波同步广播单频网频率的稳定度要求为10－10。

4 应用

由于广播信号发射传输和收听效果的特殊性，要求收听效果稳定和可靠，收听质量满意（收听音质的主观评价分值在3分以上）。，在中波同步广播单频覆盖网中，要求单频网中运行的发射机频率稳定度是10－10以上。频率稳定度达到此值，相干区的收听效果可以接受，稳定度量级的稳定使相干区域的范围稳定，最终形成的相干区域范围稳定和收听效果良好。在实践中，中波同步广播采用主从方式进行同步，频率稳定度的稳定跟基准源的稳定和压控振荡器的稳定度有关。基准源是取自GPS信号，GPS信号源受到各种因素干扰和制约，不能长期稳定工作。当基准源异常时，要求同步激励器必须具有GPS授时信号可用性的甄别能力，确保溯源跟踪的有效性。同时，要求内置高稳定度的振荡器，GPS授时系统可用时，内置振荡器跟踪GPS，被同步修正；不可用时，内置振荡器脱离跟踪同步，进入精度保持状态，并且在一个相当长时间内，满足单频网对频率精度的要求。

HQ－10中波同步广播激励器就是基于DDS技术，具有信号源甄别和精度保持功能的同步频率源设备，满足频率稳定度为10－10而且连续稳定的要求，由此种技术支持的中波同步广播单频覆盖网才能正常稳定运行，也才是真正意义上的中波同步广播单频覆盖网。

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