調幅廣播調幅度監測A/D采集卡設計實現

調幅廣播調幅度監測A/D采集卡設計實現

國家新聞出版廣電總局七三一臺 ?林大橋

【摘要】在廣播覆蓋“三滿”指標中的調幅度監測，以往都是通過人工手動來測量的，有些進口儀器有自動測量調幅度的功能，但功能復雜，價格昂貴。文本介紹在原來測量發射機調幅度板的基礎上，設計了通過測量NRD545接收機中頻測量調幅度的A/D采集卡。

【關鍵詞】監測;調幅度;A/D采集卡

1.概述

隨著廣播電視事業的迅猛發展，廣播電視監測工作更是日新月異地發生著巨大變化，同時廣播監測技術也有了很大提高。以往對調幅度的監測都是通過人工手動來測量的，有些進口儀器有自動測量調幅度的功能，如ESVN-40，但功能復雜，價格昂貴。我們在原來監測發射機調幅度板的基礎上，設計了通過測量NRD545接收機中頻來測量調幅度的測量卡，通過對NRD-545接收機的中頻信號（455KHz，3dB帶寬16KHz）進行實時監測，測量板卡將測量結果將由RS232接口傳送至上位機。

2.接收機法調幅度測試原理

根據GY31-84調幅度的定義：用單一頻率的音頻信號對載波進行調制的已調波，其最大或最小瞬時振幅與調制期間載波振幅差值再與調制期間載波振幅之比用百分比表示，既為發射機的調幅度。實際上是音頻幅度與載波幅度之比。可用下式來表示：

式中：mp =正峰調幅度;mn=負峰調幅度;A0=調制期間的載波幅度;amax=已調波的最大振幅;amin=已調波的最小振幅。

根據調幅度計算的基本公式，只要知道已調信號包絡的最大值和最小值，即可得出調幅度。利用高性能接收機從天線獲得調幅廣播信號，對其進行濾波、放大以及AGC控制后，經過二次變頻獲得中頻信號，對取得的中頻信號進行檢波，將檢波信號送入A/D變換成數字信號。系統的設計框圖如圖1所示。采用該方法可以將測量到的數據進行本地存儲，也可以遠程查看。通過對測量數據的自動統可以實現自動監視，當調幅度出現異常時，及時的給出報警，從而達到自動監測的目的。

圖1 調幅度測試方框圖

對NRD-545接收機的中頻信號（=455KHz，3dB寬帶16KHz）進行瞬時監測，其調幅度為中頻信號檢波后的音頻電平幅度與直流電平之比。據此設計適合計算機控制的調幅度測量卡。該板可插入計算機中的任意AT總線插槽中，通過RS-232串口將數據傳給服務器處理。系統框圖如圖2所示。

圖2 調幅度A/D采集卡系統框圖

由圖2可知，調幅度A/D采集卡將接收機的中頻信號檢波后，分別取出音頻分量和直流分量送入A/D變換器，轉換成數字量，送入單片機。單片機以一定的測量時間為間隔將音頻分量提取出最大值，這個最大值即可認為是這個測量時間中的音頻的幅度值，以此幅度值除以直流電平既為這段測量時間中信號的調幅度值。

2.1 采樣率的選擇

根據仙農采樣定理：采樣頻率大于或等于信號最高頻率的兩倍，則該信號在時域里完全可以由一系列采樣點所確定。當然，采樣率越高，取得的最大值越精確。該板的采樣率為33KHz，對接收機來講，是接收機最高頻率的4倍。這個采樣率是由單片機的運算速度決定的。

2.2 測量時間的選擇

測量時間，即在一定的時間段內，以33KHz的采樣率進行采樣，經過對比，選出一個最大值，以此最大值作為這段時間內的音頻的幅度值，用此最大值除以直流電平值，則得出一個調幅度值。這個調幅度值即可認為是這段測量時間段的調幅度值。因為NRD545接收機的中頻3dB寬帶是16KHz，發射機的頻率響應是50Hz—8KHZ所以，要測量得信號的頻率響應范圍是50Hz～8KHz，因此，測量時間取為20ms。這樣做是為了取出最低頻率（50Hz）的幅度值。由于廣播信號的復雜性，如果計算時間取長，其最大值將不代表這一段測量時間內的音頻幅度;如果取得太短，50Hz信號的幅度將不能取出。因此，筆者認為20ms的計算周期比較合理。從實際測量結果來看，這樣測完全可以反映出音頻的包絡變化。

3.調幅度A/D采集卡硬件組成

采用PC小板結構，用PC機內的電源供電。單片機采用89C51，單片機是電路板控制的核心，它不僅控制AD轉換器的運行，還控制著數據處理以及與上位機的通信。軟件采用匯編語言編程。A/D芯片采用四通道高速八位A/D變換器，其采樣速率可達400KHz，帶內部采樣保持電路和微處理器接口電路。選用八位A/D是為了提高系統的運算速度，在滿足精度要求的情況下降低成本。前級用超高速運算放大器作程控放大器，放大倍數由單片機根據直流電平值自動調整，以充分利用A/D的動態范圍，其放大倍數分別為2，3，4，5，6，7，8，9。這樣的放大量能使接收機的中頻輸出滿足調幅度測量的要求。

NR545接收機提供的455KHz中頻信號，經過一個由1μF電容和10K電阻組成的一階無源高通濾波電路（f=15Hz，高頻成分通過）清除信號攜帶的直流分量，經過此濾波電路后，信號將分送給AD8130進行13dB的放大，作調幅度的測量。

信號經AD8130進行前級放大后，需經過一個由0.1μF電容和1K電阻組成的一階無源高通濾波電路來濾除信號在放大過程中所引進的直流分量（電容隔直，頻率高于1.6KHz的信號通過）。此部分電路原理圖如圖3所示：

圖3 中頻信號放大電路

放大后的信號進入由OPA27組成的精密半波整流電路得到信號的正半周。此時，信號一路通過一個由OPA27組成的二階低通濾波電路得到調幅信號的音頻包絡，送至A/D進行轉換后送入單片機;另一路經過簡單的由10K電阻和10μ電容組成的一階低通濾波得到直流載波，送入單片機的ADC0口，在其內部實現A/D轉換。電路圖如圖4所示。通過編程實現在一定時間間隔內取出包絡的最大值和直流電平，并傳給單片機。

由OPA27組成的二階低通濾波器的截止頻率為：f=37.5KHz。在截止頻率的選擇上，應保證在此帶寬中有用信號不會衰減，同時濾掉高頻信號。由10K電阻和10μ電容組成的無源低通濾波器的截止頻率為：f=1.6Hz。

4.誤差分析

系統誤差主要來自以下兩個方面：

（1）A/D變換帶來的誤差：由于A/D采樣采用8位A/D，即0—5V電壓的量化臺階是255級，考慮到100%調幅的情況，直流電平的最大值不能超過127，否則正峰將被切削，這時的計算誤差是1/127=0.8%。當直流電平為1.25V時，對應的數值為64，這時的計算誤差是1/64=1.56%。本系統選取直流電平大于1V時開始計算，程控放大器的控制范圍是1.25V～2.5V，當直流電平為1V時的對應數值是51，這時的計算誤差是1/51=2%，即系統的最大計算誤差是2%。這是由A/D變換帶來的最大誤差。

當輸入信號較小時，接收機的信噪比下降，輸出的中頻信號變弱，中頻信號的信噪比更差，這時測量出的調幅度值誤差較大，因此，當射頻信號較弱時，調幅度板不進行測量。

（2）采樣誤差是由于采樣沒有采到最大值而引起的誤差。以8KHz為例，對8KHz的正弦波，如果以33KHz的采樣率進行采樣，則每個周期可以采樣4點，它們離最大點的距離為360度/4/2=45度，這時的數值是Sin（90°±45°）=0.707，而最大值是1。所以，其最大誤差是30%。由于每個測量周期中要采樣666點，有160點在最大值附近，只要采樣點在90°±11°內，其計算誤差就小于2%，按平均分布計算，有39點可能采到最大值;實際上，高音頻出現峰值的次數多，低音頻出現峰值的次數少，因此，采樣誤差在這里可以忽略。

5.小結

測試儀的軟件部分采用C/S模式，服務器端固定于工控機，用于控制板卡工作以及原始資料的采集處理計算，而客戶端通過TCP協議與客戶端交互，完成主要的數據處理存儲等功能。設計好的調幅度A/D采集卡在調幅度測試儀中的測試結果與采用進口儀器測試的結果在調幅度的變化趨勢上是一致的，并且數據相差很小，達到了預期的效果。

參考文獻

[1]馬友本等主編.廣播電視監測技術.國家廣播電影電視總局監測中心編印.

[2]崗位培訓教材.廣播接收與監測.國家廣播電影電視總局無線電臺管理局.

作者簡介：林大橋（1973-），男，福建龍巖人，工程碩士，國家新聞出版廣電總局七三一臺高級工程師。