穩定DX系列中波發射機載波頻率的改進措施

鄭玉東

國家新聞出版廣電總局501 臺，云南安寧 650302

1 概述

DX 系列中波發射機是從美國引進的設備，在中國有著非常廣泛的應用，是我國大功率中波發射機的主用機型。DX 系列中波發射機集成度高，效率高，工作穩定，各大技術指標都非常優異，均優于甲級，但是其頻偏指標卻不盡如人意，甚至達不到丙級的要求，這樣DX 系列中波發射機的優異性能大打折扣。為此我們對DX 中波發射的頻率源進行改造，用直接數字頻率合成技術（DDS）代替晶體振蕩電路，使其頻偏指標小于1Hz,達到甲級的要求，從而使DX 中波發射機整體性能得到提高。

2 DX 系列中波發射機原用射頻源介紹

DX 系列中波發射機射頻源振蕩器原理圖如圖1(a)所示。該振蕩電路是石英晶體振蕩器，屬于典型的皮爾斯（Pierce）振蕩線路，工作在四倍或八倍載波頻率，輸出經4 分頻或8 分頻后，成為發射機的載波頻率。晶體Y1 被安裝在套管型的烘箱R1 里，烘箱保持在70℃的溫度。由于石英晶體穩定性和品質因數Q 非常高，用它來控制振蕩器的頻率，可以使頻率穩定度達到10-5-10-6 數量級，若采用恒溫控制，則會更高。

圖1 晶體振蕩器原理圖

圖1（b）是選頻電路等效圖，諧振頻率

因為Cq/(C0+CL)≤1,用二項式定理展開，取前兩項，

Cq 是動態電容，容量非常小，受溫度影響較大。通過上面公式分析可知，振蕩電路頻率主要取決于晶體串聯諧振頻率ωq 和晶體Cq，而Cq 也是和ωq 相關聯的重要參數之一，所以說Cq 是決定晶體振蕩器頻率穩定性的最重要參數。DX 中波發射機振蕩器的晶體沒有恒溫控制，雖然使用烘箱，但電路簡單，恒溫效果很不理想，隨著室內環境溫度變化，烘箱溫度偏差較大，有時可達到十多攝氏度，這樣導致了Cq 和振蕩頻率的變化。經我們多次對發射機射頻源頻率24 小時跟蹤測量，發現凌晨氣溫低時，頻率偏差為正值（最大+4Hz）,下午氣溫高時，頻率偏差為負值（最大-7Hz）。

按照廣播電影電視行業標準《中短波廣播發射機技術要求和測量方法》中的要求，中波發射機頻偏指標甲級≤1Hz, 乙級≤3Hz，丙級≤5Hz，可以說，DX 系列發射機頻偏指標已經不入級了，非常有必要對DX 中波發射機射頻源進行改造。

3 直接數字頻率合成技術對穩定中波發射機頻波頻率的改進

直接數字頻率合成技術（Direct Digital Frequency Synthesis簡稱DDS），不僅不同于晶體振蕩器，也和傳統頻率合成技術有著本質的區別。傳統頻率合成技術分為間接合成法（鎖相環PLL 合成法）和直接模擬合成法。間接合成法是利用鎖相環（PLL）技術對頻率進行四則運算，產生所需要的頻率，在國產中波發射機射頻源中有著廣泛的應用；早期的直接模擬合成法是利用倍頻、分頻、混頻和濾波得到所需要的頻率。DDS是一種先進波形產生技術，,從“相位”的角度來直接合成頻率，具有非常高的頻率準確性和穩定性，可以非常方便的輸出不同的頻率信號，而且可以控制波形的初始相位，通常將它視為第三代頻率合成技術。

3.1 DDS 的工作原理

圖2 DDS 結構原理圖

圖2 為DDS 結構原理圖。由于正弦波信號為一個非線性的函數，想要通過電路直接得到一個正弦波信號，第一步要把正弦波信U=sinωt 的波形量化為數字信號，接著把ωt 作為地址參數，把U 作為需要讀取的數據參數，按一定的順序存到存儲器中。DDS 使用相位累加技術控制波形存儲器的地址，根據參考信號fc 的時鐘脈沖,N 位累加器將頻率控制字K 循環累加，把相加后的結果作為取樣地址送入波形表，最后從存儲器的波形表中找到相應的數據。量化的波形數字信號經過D/A變換得到模擬形式的正弦波輸出，由濾波器濾除高次諧波，即可得到由頻率控制字決定的正弦波。

3.2 直接數字頻率合成器AD9951

圖3 AD9951 內部結構圖

我們采用的DDS 器件為Analog Devices 公司生產的AD9951。AD9951 是高集成度的DDS 集成電路，內含可編程DDS 系統和快速比較器，能實現程序控制的頻率合成。AD9951 在準確的時鐘頻率觸發下，輸出高可靠性，且頻率和相位由程序控制的正弦波。

AD9951 的主要性能如下：內部時鐘頻率400 MHz；集成化14 位D/A 輸出；32 位頻率轉換字；良好的動態性能；4～20倍可編程參考時鐘倍乘器；支持5 V 數字輸入；具有相位調整功能；可以在-40 度到+105 度工業溫度范圍內穩定工作。

圖4 中波直接數字頻率合成器原理圖

3.3 中波直接數字頻率合成器設計

圖4 是中波直接數字頻率合成器原理圖。硬件電路以AD9951 為核心部件。AD9951 需要一定的外部控制電路來完成其功能，由于 單片機性價比高，功能靈活，易于人機對話，數據處理能力強，而且編程方便，所以選用單片機AT89C52作為控制器件。

單片機功能有：片選(CS)、傳送頻率控制和相位控制數據、數字信號處理、I/O 信號控制等。AD9951 存儲器按照要求設置好后，產生預定頻率的正弦波，振幅為200 毫伏。合成的正弦波中含有一定的諧波成分，需要經過濾波器濾波，最后得到干凈的信號，該信號送到放大器，放大到需要的幅度。

DDS 輸出頻率是發射機載波頻率的四倍，所以要四分頻處理，由于DX 系列發射機射頻源需要的是方波，故還要經過波形整形，方可得到所需方波。

頻率合成器加電時, 單片機AT89C52 啟動AD9951，并立即對面板的顯示電路進行初始化，正常后向AT89C52返回指令。單片機將內部存儲器的數據送到面板指示，同時把指示的信息轉為頻率控制數據和相位控制數據，送到AD9951 中，輸出一定頻率的信號。最后執行按鍵程序，若有鍵盤被有效按下，則單片機執行相應的程序。

本系統中，關機斷電時的數據在下次開機時要重新調用，所以要能夠方便重新調用保存下來的頻率信號；另外，中波直接數字頻率合采用外接晶振，外接晶振的穩定性決定了頻率合成器輸出頻率的精度和穩定度，而實際使用的晶振是有一定誤差的，允許用戶根據實際情況進行頻率校正并保。

因此，系統有關參數的斷電保存非常重要。

該系統軟件采用混合語言在KEILC 軟件下編寫。計算頻率控制字的函數由匯編語言編寫，其他的用C 語言編寫。

程序采用模塊化編程，具體有：執行各種初始化工作和循環判鍵工作的主程序，執行用戶輸入所需各種頻率的鍵盤中斷管理程序，執行掉電數據保存的通信程序，以及顯示程序，計算頻率控制字程序等。每個模塊由獨立的一個程序來完成。

4 主用、備用射頻源自動切換電路設計

我們將DDS 合成器設置為發射機主用射頻源，晶振射頻源設置為備用射頻源，并且增加了主用、備用自動切換電路，當主用的DDS 頻率合成器因故障沒有輸出時，電路自動切換到備用上，大大增加了發射機射頻源的可靠性，減少了停播時間。

圖5 射頻源自動切換電路

圖5 為射頻源自動切換電路圖。CD4066 是數控開關芯片，有輸入腳、輸出腳和控制腳。

當控制腳為高電平時，開關導通；當控制腳為低電平時，開關截止。CD4066 開關可傳輸模擬信號的上限頻率為40MHz，遠大于中波頻段的上限。

當數字頻率合成器輸出正常時，CR3、C15、R9 將U5-5腳鉗位在低電平，U5-4 腳輸出保持高電平，U5-15 腳輸出保持低電平，這樣U1 的1、2 腳導通，4、3 腳截止，選擇數字頻率合成器的輸出信號。一旦數字頻率合成器出現故障，U1的1、2 腳截止，4、3 腳導通，選擇晶體振蕩器的輸出信號。

5 結論

通過改造，將發射機主用載波射頻源改為直接數字頻率合成器，提高載波頻率穩定性，將發射機原用晶振射頻源作為備用射頻源，主用和備用射頻源自動切換，提高了發射機射頻源的可靠性。

改造后，經測試，發射機工作穩定，頻偏優于甲級，各項指標正常。在人為斷開主用射頻源信號的情況下，主備切換迅速，為確保DX 系列發射機的“三滿”播出提供有力的技術保障。

[1]高吉祥主編.高頻電子線路.1766，2003.

[2]DX型大功率中波發射機維護手冊.國家廣播電影電視總局無線電臺管理局.

[3]TSD-10發射機原理圖.上海明珠廣播電視科技有限公司.