某型功率和頻點(diǎn)可控的視頻發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

殷希梅，程洪濤

（1.解放軍炮兵學(xué)院一系 彈藥工程教研室，安徽 合肥 230031；2.解放軍炮兵學(xué)院 信息化彈藥研究所，安徽 合肥 230031）

某型電視圖像發(fā)射機(jī)檢測(cè)儀已經(jīng)研制成功并投入生產(chǎn)。由于發(fā)射機(jī)是被完全密封、加固的，因此對(duì)其主要的參數(shù)、指標(biāo)的檢測(cè)只能采用間接的方法，其中對(duì)其最重要的指標(biāo)——發(fā)射功率，更是只能以無(wú)線接收的方式，根據(jù)接收到信號(hào)的AGC進(jìn)行判斷，由于環(huán)境對(duì)無(wú)線信號(hào)的影響巨大，因此在檢測(cè)儀的日常使用、維護(hù)和調(diào)試中的標(biāo)定工作非常重要。目前市面上美國(guó)安捷侖和德國(guó)RS公司生產(chǎn)的射頻信號(hào)儀器雖然滿足使用要求，但價(jià)格昂貴，體積較大，不便于攜帶，因此很有必要設(shè)計(jì)一種針對(duì)型號(hào)專門使用的信標(biāo)機(jī)，以代替昂貴的進(jìn)口設(shè)備，降低裝備成本。下面著重介紹該型功率、頻點(diǎn)可控視頻發(fā)射機(jī)（信標(biāo)機(jī)）的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法[1]。

1 系統(tǒng)組成

信標(biāo)機(jī)作為標(biāo)定檢測(cè)儀的工具，不僅要求頻點(diǎn)和功率可調(diào)，可以完美的模擬待測(cè)型號(hào)的視頻發(fā)射機(jī)，而且還要具備頻點(diǎn)穩(wěn)定、功率線性化調(diào)節(jié)和參數(shù)顯示等功能。根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，視頻發(fā)射機(jī)采用模擬傳輸方式傳送圖像，由單片機(jī)、液晶屏、鍵盤、微型攝像頭、供電電源、調(diào)頻發(fā)射電路組成。其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 視頻發(fā)射機(jī)系統(tǒng)組成圖Fig.1 Configuration diagram of video transmitter system

其中，視頻發(fā)射單元里調(diào)頻發(fā)射電路中的頻率合成技術(shù)是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。目前的頻率合成技術(shù)中比較成熟的是鎖相環(huán)技術(shù)（PLL：Phase Lock Loop）。本方案采用的鎖相環(huán)技術(shù)，是以ADF4360芯片為核心。ADF4360芯片是美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的一款高性能整數(shù)型鎖相頻率合成芯片，其內(nèi)部集成壓控振蕩器，內(nèi)含數(shù)字鑒相器、電荷泵、可編程參考分頻器R（14 bit）、可編程 A（5 bit）預(yù)置、B（13 bit）計(jì)數(shù)器及雙模前置（P/P+1)分頻器。其工作頻率范圍是 2 400～2 725 MHz，工作電壓為 3.0～3.6 V，可編程雙模預(yù)分頻為 8/9，16/17，32/33，輸出功率可編程范圍是-13～-6 dBm，電荷泵電流可編程，并可編程反后沖脈沖寬度，能夠進(jìn)行模擬和數(shù)字鎖定檢測(cè)，具有硬件和軟件掉電模式，同時(shí)可三線并行傳輸[2]。ADF4360的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于此芯片內(nèi)部包含VCO（壓控振蕩器)，因此只需外接環(huán)路濾波器即可組成一個(gè)完整的鎖相環(huán)路，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本較低。ADF4360芯片通過(guò)單片機(jī)的控制，輸出合適的分頻比，得到穩(wěn)定的頻點(diǎn)和功率，同時(shí)單片機(jī)控制在LED屏上實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)的數(shù)值，還設(shè)置了鍵盤的輸入操作，使用起來(lái)簡(jiǎn)單方便。

圖2 ADF4360的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Inside composition diagram of ADF4360

該型頻點(diǎn)和功率可控的視頻發(fā)射機(jī)（信標(biāo)機(jī)）尺寸小巧，成本低廉，比常規(guī)信號(hào)源小的多，而且便于攜帶，可隨時(shí)在野外環(huán)境中給某型電視圖像發(fā)射機(jī)檢測(cè)儀提供穩(wěn)定可靠的標(biāo)定信號(hào)源，為實(shí)際工作的展開(kāi)提供了極大的方便[3]。圖3為視頻發(fā)射機(jī)（信標(biāo)機(jī)）效果圖，圖4為機(jī)身按鍵標(biāo)示圖。

圖3 信標(biāo)機(jī)效果圖Fig.3 Effect figure diagram of beacon machine

圖4 信標(biāo)機(jī)按鍵示意圖Fig.4 Schematic diagram of beacon machine button

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 微型攝像頭

微型攝像頭的主要作用是圖像信號(hào)的采集，輸出 PAL格式的視頻信號(hào)。當(dāng)微型攝像頭完成對(duì)圖像信息的采集后，通過(guò)視頻信號(hào)送往調(diào)頻發(fā)射電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，最終將采集的視頻信號(hào)顯示在監(jiān)測(cè)儀的顯示界面上。

2.2 單片機(jī)控制電路

單片機(jī)的功能主要分為兩方面，一方面定時(shí)查詢鍵盤信息，控制調(diào)頻發(fā)射電路的頻點(diǎn)，控制數(shù)控衰減器的衰減值，使信標(biāo)機(jī)輸出設(shè)定的頻點(diǎn)和功率信號(hào)；另一方面，控制液晶屏LED顯示相應(yīng)的頻點(diǎn)和功率值及其他相關(guān)信息。本方案所采用的單片機(jī)為美國(guó)ATMEL公司ATmega 128單片機(jī)作為主控制芯片，該單片機(jī)基于RISC結(jié)構(gòu)，具有快速、靈活、加密性強(qiáng)和易實(shí)現(xiàn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，是普通的復(fù)雜指令集微處理器的10倍，可以緩減系統(tǒng)功耗和處理速度之間的矛盾[5]。當(dāng)鍵盤發(fā)送變頻指令，單片機(jī)接收指令后改變ADF4360芯片上的各分頻比，從而得到所需的頻率，并且將該頻率值在LED上顯示出來(lái)。

圖5 單片機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖Fig.5 Principle block diagram of single-chip microcomputer control

2.3 調(diào)頻發(fā)射電路

調(diào)頻發(fā)射部分主要負(fù)責(zé)對(duì)微型攝像頭采集到的模擬視頻信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制并發(fā)射出去。調(diào)頻發(fā)射電路的原理框圖如圖6所示，包括預(yù)加重電路、鎖相環(huán)調(diào)頻電路、功率放大電路和發(fā)射天線。其中鎖相環(huán)技術(shù)是本系統(tǒng)的核心。預(yù)加重電路先將視頻信號(hào)的低頻分量壓低并提高高頻分量，然后視頻信號(hào)與鎖相環(huán)路的誤差直流信號(hào)一起控制VCO使之產(chǎn)生需要的中心頻率，鎖相環(huán)路把VCO的輸出頻率分頻后與參考頻率分頻后的信號(hào)進(jìn)行鑒相，輸出誤差信號(hào)，通過(guò)低通濾波器后形成誤差直流信號(hào)；視頻信號(hào)對(duì)VCO控制產(chǎn)生的已調(diào)信號(hào)將送往功率放大器進(jìn)行功率放大，以提高信號(hào)的發(fā)射功率，增加傳輸?shù)木嚯x[4]。系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)無(wú)線視頻傳輸?shù)奈⑿』偷凸模⑶覀鬏斁嚯x要盡可能的遠(yuǎn)，所以在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候選擇了調(diào)頻調(diào)制方式，因?yàn)樵诠β省㈩l率、天線效率、環(huán)境相同的情況下，調(diào)頻方式會(huì)比其他的調(diào)制方式（如調(diào)幅調(diào)制）傳輸?shù)酶h(yuǎn)。

圖6 調(diào)頻發(fā)射電路框圖Fig.6 Block diagram of FM transmitter circuit

鎖相環(huán)調(diào)節(jié)電路的設(shè)計(jì)是本方案的核心部分，它應(yīng)滿足如下要求：

1）視頻信號(hào)帶寬較大，因此要有比較大的調(diào)制頻偏；

2）圖像信號(hào)對(duì)線性度的要求比較高，否則很容易發(fā)生圖像的畸變和扭曲；

3）電路簡(jiǎn)單，尺寸質(zhì)量等都必須符合微小型的要求。

考慮到以上幾個(gè)因素，選用簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)的直接調(diào)頻方式。

直接利用變?nèi)荻O管進(jìn)行調(diào)頻的方法原理簡(jiǎn)單、頻偏較大，但由于調(diào)制器是由普通的LC自激振蕩器和并聯(lián)的變?nèi)荻O管組成，所以有很多因素會(huì)引起振蕩頻率發(fā)生變化，這些因素包括變?nèi)荻O管的非線性、電源電壓的變動(dòng)、負(fù)載的變化、溫度等環(huán)境條件的變化、電路元器件老化、機(jī)械振動(dòng)等。為了消除以上這些導(dǎo)致中心頻率不穩(wěn)定的因素，除了注意電路和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)外，選用了鎖相環(huán)調(diào)頻的方式來(lái)穩(wěn)定中心頻率。ADF4360芯片的鎖相環(huán)調(diào)頻電路方框圖如圖7所示。

圖7 鎖相環(huán)調(diào)頻電路方框圖Fig.7 Block diagram of PLL FM circuit

其外部電路只需一個(gè)環(huán)路濾波器和一個(gè)參考輸入，所有功能均可通過(guò)控制字進(jìn)行配置。其輸出頻率范圍為F0-F6，采用3.3 V-3.6 V供電，擁有可編程的預(yù)分頻器，方便用戶改變其分頻比；輸出功率電平可調(diào)，方便改變輸出功率的大小;對(duì)外通信采用簡(jiǎn)單的三線串行接口，易于使用。該芯片廣泛用于無(wú)線手持設(shè)備、測(cè)試儀器、無(wú)線局域網(wǎng)和CATV設(shè)備中[6]。 基于ADF4360的鎖相環(huán)電路原理圖如圖8所示。

圖8 鎖相環(huán)電路原理圖Fig.8 Principle block diagram of PLL circuit

該芯片有兩個(gè)輸出端：RFoutA和RFoutB，二者相位相反。要想得到大的輸出功率，需對(duì)其進(jìn)行輸出匹配。輸出匹配的方法很多，最好的輸出匹配方法是將RFoutA和RFoutB結(jié)合起來(lái)輸出，如圖9所示。此電路可提供5 dBm的輸出功率。

圖9 射頻輸出匹配電路Fig.9 RF export martch circuit

2.4 功率放大電路

由于壓控振蕩器輸出增益不大，如果直接用天線進(jìn)行發(fā)射的話，發(fā)射距離將會(huì)很近，所以必須加上功率放大電路以加大電路的發(fā)射功率，增加信號(hào)的傳輸距離。根據(jù)功率要求本方案采用一級(jí)驅(qū)動(dòng)放大，選用RF公司的RF2301，該芯片的放大增益為20 dB，集成VCO的輸出功率為-4 dBm，放大以后的功率為18 dBm（63 mW）。其電路原理如圖10所示。

圖10 一級(jí)驅(qū)動(dòng)放大電路原理圖Fig.10 Principle diagram of first dirve enlarge circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括鍵盤掃描子程序LED顯示子程序和鎖相環(huán)芯片控制子程序設(shè)計(jì)。其中鍵盤掃描子程序采用編程掃描方式，所有的程序采用匯編語(yǔ)言設(shè)計(jì)。鎖相環(huán)芯片控制子程序，其核心是數(shù)據(jù)處理算法的實(shí)現(xiàn)。相關(guān)程序流程圖如圖11所示。

圖11 主要程序流程圖Fig.11 Flow chart of main program

4 結(jié) 論

該視頻發(fā)射機(jī)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)定要求，同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，頻率調(diào)節(jié)靈活方便，簡(jiǎn)單實(shí)用，特別是戶外作業(yè)的使用更說(shuō)明了該信標(biāo)機(jī)設(shè)計(jì)的便攜特性，目前已成功地應(yīng)用在某型圖像發(fā)射機(jī)檢測(cè)儀的日常維護(hù)中，取得良好的效果。

[1]林巧莉.基于ADF4360系列的小型化頻率綜合器設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù)，2008（10）:81-83.LIN Qiao-li.Miniaturization design of frequency synthesizer based on ADF4360 series[J].Telecommunication Engineering，2008（10）:81-83.

[2]葉碧霞，董天臨.鎖相頻率合成芯片ADF4360_0及其應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2007（11）:139-140.YE Bi-xia，DONG Tian-lin.Application and design of PLL frequency synthesizer IC ADF4360_0[J].Computer&Digital Engineering，2007（11）:139-140.

[3]孫景濤，胡永紅，楚亞飛，等.一種新型信標(biāo)機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2008（3）:396-397.SUN Jing-tao，HU Yong-hong，CHU Ya-fei，et al.Design and accomplish of a novel beaconing[J].Computer Measurement&Control，2008（3）:396-397.

[4]夏敏.無(wú)線電信標(biāo)機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì) [J].艦船電子工程，2008（3）:183-184.XIA Min.Design of improvement on radio beacon equipment[J].Ship Electronic Engineering，2008（3）:183-184.

[5]鞏蓉，王青.信標(biāo)機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研制 [J].電訊技術(shù)，2003（3）:83-84.GONG Rong，WANG Qing.Researchoftheauto-testing system for beacon[J].Telecommunication Engineering，2003（3）:83-84.

[6]李丹，劉宏立.鎖相頻率合成芯片ADF4360_1及其在2.4G射頻發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用[J].儀器儀表用戶，2006（4）:97-98.LIDan，LIU Hong-li.Application and design ofpll fenquency synthesizer IC ADF4360_1 in 2.4G RF transmitter[J].Electronic Instrumentation Customer，2006（4）:97-98.