中波载频同步广播的数字化设计与改造

戚 敏

（山东省中波转播台管理中心，山东 济南 250062）

0 引言

始于到20世纪60年代的中波同步广播技术，在我国开始普遍实行，特别是我国改革开放以来，中波广播事业得到了飞速发展，覆盖一个省区的中波同步广播的技术在全国范围内得到普及，基本形成了我国频率制的中波同步广播覆盖网。目前在我省在使用中波转播中央一套和省一套节目时，各自使用了6个频点进行全省覆盖。我省共有20多个中波转播台，有的台在转播同一节目时，采用了同一频率，这些台的覆盖范围有的搭界，有的不搭界，总体来说，中波载频同步广播同频覆盖干扰严重。为此，我们进行了项目的前期试验，采用了先进的数字化技术，较好的解决了我省两个相邻台站的中波载频同步干扰问题。

1 中波载频同步广播的原理

1.1 中波同步广播的定义

中波同步广播就是在不同地点的若干部发射机严格工作于同一频率，播送同一节目的广播方式。这种广播方式可以节约频率资源，有利于发展广播网，并能在所使用的频率上有效对抗干扰[1]。

1.2 中波同步广播的基本原理

在我国普遍采用频率制的中波同步广播载频覆盖的条件下，中波同步广播原则上每套节目分配至少3个频率，组成三个频率的中波同步广播覆盖网，其原理见图1。

图1 三个载频频率的中波同步广播示意图

这种载频同步的方式，原则上载频频率覆盖范围不搭界，但由于我国地形、频率规划和经济技术等因素的巨大差异，有相同频率覆盖相邻并搭界的情况，也有超过三个频率组成的中波同步广播网。

2 中波载频同步广播的条件和规范

2.1 中波载频同步广播的条件

从同步广播载频的频率条件来说，不同的频率差，同步广播的效果区别如表1所示。

表1 不同频率差的同步广播效果[2]

从以上的表中可以看出，中波同步广播的载频频率差要小于0.015Hz，也就是说频率稳定度要达到10-8以上方能实现频率制的中波同步广播。

2.2 实现中波载频同步的技术规范

目前，我国中波载频同步的方式都是采用主从同步方式，由于传输条件和技术的发展，频率的主从同步方式都实行了自动校频，特别是GPS 的广泛应用和我国基准信号源采用数字传输方式。为了规范同步广播的安全运行，国家广电总局科技委在2007年提出了编号为8-4-1《关于严格中波同步广播技术要求确保中波同步广播网安全运行的建议》的建议书，书中主要要求：（1）明确要求新型同步广播设备，必须具备GPS 溯源跟踪可用性的甄别功能和GPS 溯源中断后的频率精度保持功能；（2）鼓励在广播电视行业的关键要害部门，利用我国自主的北斗卫星导航系统，实现时间与频率的溯源同步。其主要意思是鉴于卫星无线传输和其他条件，我国的同步广播网应采用北斗卫星的溯源跟踪和甄别保持功能。

3 中波载频同步广播的数字化设计方案

根据目前我国的技术状况和经济条件，为达到中波载频同步广播，中波载频同步装置设置GPS 和北斗的双模式，采用了全数字化的基准源校频和频率激励设计。即基准源基于AD9548的内置数字PLL 产生72KHz 的基准源；基于AD9859的DDS 数字化频率激励输出，产生满足中波同步广播的载频频率。

3.1 基于AD9548 的数字化基准源设计

在基准源里，由于GPS 信号服务过程中，常受到各种自然和人为因素的干扰，存在不稳定性和不确定性，在接收器将接收到时间码信息转换为频率信息时嵌入计算机控制将时间码转化为频率输出。这个频率可以作为基准频率直接输出，但这样会因为GPS 信号的中断和抖动，造成载频信号的中断和抖动，为此采用智能信号处理，引入智能分析测控系统，对GPS 基准源信号中存在的中断、性能减低、漂移和抖动等诸多不利因素进行智能分析控制。智能分析测控系统就是对接收的GPS 卫星参考源进行人工智能实时检测、分析、判断和控制，通过软件人工智能滤波和数字滤波和分析等方式，对GPS源信号甄别处理，同时具有源信号溯源中断保持功能，消除GPS 参考源的相位抖动和突变的影响，输出的参考信号基准频率稳定度很高而且稳定[3]，也符合国家广电总局科技委建议书8-4-1（2007年，西安）的规定。智能数字PLL 的参考模型见图2。

图2 智能数字PLL参考模型图

在数字锁相环路中，相位噪声主要由DCO、鉴频鉴相器、分频器和输入参考信号的相位噪声这四部分引入。环路滤波器对于由鉴频鉴相器、分频器和输入参考信号的相位噪声这三部分引入的相位噪声具有低通特性，对于DCO 产生的相位噪声具有高通特性。一般来说环路带宽内的相位噪声主要决定于由鉴频鉴相器、分频器和输入参考信号，环路带宽以外的相位噪声主要决定于DCO，在环路带宽附近，这四部分的噪声影响相当。

所以为了尽量降低输出信号的相位噪声环路滤波器的环路带宽的最佳点是由鉴频鉴相器、分频器和输入参考信号的相位噪声这三部分引入的相位噪声总和与DCO引入的相位噪声相同时的频率。在实际运用中环路滤波器的设计是非常重要的。对于远端相位噪声如100kHz和1MHz 处的一般远远高于环路带宽，其相位噪声主要决定于DCO，要保证其指标主要是选择良好的DCO。而近端相位噪声如100Hz 主要由鉴频鉴相器、分频器和输入参考信号的相位噪声决定，但如果环路带宽取值较小如200Hz 则DCO 的影响也将非常之大。而如果环路带宽远远大于1kHz 如为6kHz 以上时1kHz 处的相位噪声也将主要由鉴频鉴相器、分频器和输入参考信号的相位噪声决定。全数字智能锁相环就是利用微处理器技术，在锁相环路中，根据鉴相器的结果，输出给压控振荡器一个控制信号；同时分析压控振荡器的老化特性对环路的长期影响，采取数理统计和归一化处理，保证压控振荡器输出的频率稳定度在一个较长的时间内能稳定输出。因此，智能数字锁相环设计要求是：在中央处理器的控制作用下，引入溯源信号的跟踪和甄别功能，当参考源失效的情况时，有精度保持功能；同时利用智能化技术对晶体的老化规律进行校正，保证基准源输出稳定度极高且平滑的振荡信号，使得基准源能够输出满足要求的基准频率。

在频率基准源的短期频率稳定度实际电路设计中，需要对DCO 和电路板采用抗噪设计技术，从而降低相位噪声。采取的具体措施有：（1）利用共模噪声有高度抑制噪声的能力，消除抖动的趋向，接收和传递信号采用差分形式。（2）小心布线，走线尽可能短，避免与高速开关数字信号的走线产生交叉。（3）注意分布参数的影像，避免出现寄生信号，消除串扰或干扰对信号通路产生影响。

另外在智能芯片中也要采取一定措施进行抗噪和降噪处理：

（1）采用平衡方式信号收发：芯片的输入和输出信号都采用平衡模式。如果不是，也要将信号转化为平衡模式。

（2）信号通路的布设：在设计时序信号通路时要仔细布线，因为通路敏感，进行布线时必须小心，原则是：一要短，二要避免与其他数字信号产生交叉。

（3）输出缓冲器大小的选择：如果输出的信号有多路去向，在分配信号后，信号的强度要保持足够，才能避免噪声的侵入。当缓冲器驱动不足时，信号的上升/下降沿就可能过缓，容易产生噪声污染。

（4）保持基底的干净：在有多路同步数字输出的芯片内，存在地线反弹噪声（ground bounce），其幅度可达到几百毫伏，引起了确定性抖动。可以采取的措施是：芯片上的电源设计，宜选择电源对的形式，并且尽量靠近数字输出入端口。

（5）地的设计：数字信号的地与模拟信号的地要分开设计。在高驱动输出数字电路的电源很容易引入噪声，这时时序电路也与之公用电源，增大了时序电路的抖动，利用电源滤波来进一步减小电源噪声的影响，同时也减小了对DPLL 电路的影响。

3.2 基于AD9859 的数字化DDS 频率激励输出设计

DDS 是最新一代的频率合成技术，优越的性能使其在频率合成领域得到广泛应用。DDS 的基本原理是利用相位累加器输出存储器的地址不同，通过查表法产生相应波形。DDS 的基本原理见图3。

在图3中，K 为频率控制字；N 为相位累加器的字长；M 为波形存储器（ROM）地址线位数；m 为波形存储器（ROM）数据线位数，fc是一个具有高稳定性晶体振荡器的基准输出频率，是DDS 系统的参考时钟源，也可以为系统中各个组成部分提供同步时钟。

图3 DDS的基本原理

DDS 是从相位概念出发，直接对参考正弦信号进行抽样，得到不同的相位，通过数字计算技术产生对应的电压幅度，最后滤波平滑输出所需频率波形。DDS 的数学模型是：在每一个时钟周期T内，加法器将频率控制字K 与累加器的N（N 位二进制数表示）比特相位数据累加1次，同时对2N 取模运算，得到的和作为波形存储器的相位地址值，以二进制代码的形式查询正弦函数表ROM，完成相位到幅值的转化，再将此数字量化正弦幅度值序列经D/A 转换器转变为模拟信号，再经过低通滤波器滤波平滑后输出单一频率的正弦波模拟信号[4]，其频率为：

本系统实际设计中，相位累加器的字长N 取值32，即N=32，ROM 的 地 址 线 宽M 取 值 为8，故RAM 为256×8位。如图4所示。

图4 DDS设计的基本结构

此项设计中输出为中波载频频率的正弦波，故一些控制字可以直接固定，在精确的有源晶振提供工作的时钟源时，只用在9kHz 脉冲的上升沿来临时，将相位累加器复位，即可产生与9kHz 脉冲同步的中波载频的频率信号[5]。

4 改造与总结

4.1 改造

目前，我省的中波载频频率大都采用发射机内部激励频率，这样的载频频率稳定度都依赖于内置晶体，内置晶体的频率稳定度一般为10-6，产生的载频频率稳定度和频率差与中波同步广播载频频率的要求相差2个数量级，因此我省的中一和省一节目同频干扰严重，并且不能有效对抗其他频率的干扰。为了积极稳妥的解决同频干扰问题，采取二步走的方式，即第一步抽取具有典型性（载频频率相同，覆盖区搭界）的两个台先行改造试验，效果良好达到预定要求。第二步再对管理中心管辖的全省的整个中波同步广播网进行全面改造。

去年12月份，我中心选取两个相邻进行改造试验，安装了全数字化的中波同步广播激励器，该激励器的频率输出稳定度可达10-10，频率差可达0.001以下。改造的方式是：（1）将发射机的内置频率改为外部激励方式；（2）安装GPS 卫星天线，并引至激励器GPS 天线输入端；（3）将激励器的载频频率输出用连接电缆（连接电缆：连接器是BNC 型号，电缆型号为SYV50-3-1）连接至发射机外部激励输入口；（4）调节载频激励幅度为5VP-P。开发射机工作正常，经相邻干扰区收听测试，干扰区效果明显改善，达到预期目标。

4.2 总结

经过近二个月的中波载频频率的改造，我管理中心管辖的内部二十个中波台全部替换为新式的全数字化中波同步广播激励器，经初步测试达到了同步干扰明显改善，对抗干扰的效果有显著提升的效果。这也为进一步提高频率利用率、覆盖效率、方便听众收听实行一套节目一个频率覆盖全省打下了坚实的基础。