中波載頻同步廣播的數字化設計與改造

戚 敏

（山東省中波轉播臺管理中心，山東 濟南 250062）

0 引言

始于到20世紀60年代的中波同步廣播技術，在我國開始普遍實行，特別是我國改革開放以來，中波廣播事業得到了飛速發展，覆蓋一個省區的中波同步廣播的技術在全國范圍內得到普及，基本形成了我國頻率制的中波同步廣播覆蓋網。目前在我省在使用中波轉播中央一套和省一套節目時，各自使用了6個頻點進行全省覆蓋。我省共有20多個中波轉播臺，有的臺在轉播同一節目時，采用了同一頻率，這些臺的覆蓋范圍有的搭界，有的不搭界，總體來說，中波載頻同步廣播同頻覆蓋干擾嚴重。為此，我們進行了項目的前期試驗，采用了先進的數字化技術，較好的解決了我省兩個相鄰臺站的中波載頻同步干擾問題。

1 中波載頻同步廣播的原理

1.1 中波同步廣播的定義

中波同步廣播就是在不同地點的若干部發射機嚴格工作于同一頻率，播送同一節目的廣播方式。這種廣播方式可以節約頻率資源，有利于發展廣播網，并能在所使用的頻率上有效對抗干擾[1]。

1.2 中波同步廣播的基本原理

在我國普遍采用頻率制的中波同步廣播載頻覆蓋的條件下，中波同步廣播原則上每套節目分配至少3個頻率，組成三個頻率的中波同步廣播覆蓋網，其原理見圖1。

圖1 三個載頻頻率的中波同步廣播示意圖

這種載頻同步的方式，原則上載頻頻率覆蓋范圍不搭界，但由于我國地形、頻率規劃和經濟技術等因素的巨大差異，有相同頻率覆蓋相鄰并搭界的情況，也有超過三個頻率組成的中波同步廣播網。

2 中波載頻同步廣播的條件和規范

2.1 中波載頻同步廣播的條件

從同步廣播載頻的頻率條件來說，不同的頻率差，同步廣播的效果區別如表1所示。

表1 不同頻率差的同步廣播效果[2]

從以上的表中可以看出，中波同步廣播的載頻頻率差要小于0.015Hz，也就是說頻率穩定度要達到10-8以上方能實現頻率制的中波同步廣播。

2.2 實現中波載頻同步的技術規范

目前，我國中波載頻同步的方式都是采用主從同步方式，由于傳輸條件和技術的發展，頻率的主從同步方式都實行了自動校頻，特別是GPS 的廣泛應用和我國基準信號源采用數字傳輸方式。為了規范同步廣播的安全運行，國家廣電總局科技委在2007年提出了編號為8-4-1《關于嚴格中波同步廣播技術要求確保中波同步廣播網安全運行的建議》的建議書，書中主要要求：（1）明確要求新型同步廣播設備，必須具備GPS 溯源跟蹤可用性的甄別功能和GPS 溯源中斷后的頻率精度保持功能；（2）鼓勵在廣播電視行業的關鍵要害部門，利用我國自主的北斗衛星導航系統，實現時間與頻率的溯源同步。其主要意思是鑒于衛星無線傳輸和其他條件，我國的同步廣播網應采用北斗衛星的溯源跟蹤和甄別保持功能。

3 中波載頻同步廣播的數字化設計方案

根據目前我國的技術狀況和經濟條件，為達到中波載頻同步廣播，中波載頻同步裝置設置GPS 和北斗的雙模式，采用了全數字化的基準源校頻和頻率激勵設計。即基準源基于AD9548的內置數字PLL 產生72KHz 的基準源；基于AD9859的DDS 數字化頻率激勵輸出，產生滿足中波同步廣播的載頻頻率。

3.1 基于AD9548 的數字化基準源設計

在基準源里，由于GPS 信號服務過程中，常受到各種自然和人為因素的干擾，存在不穩定性和不確定性，在接收器將接收到時間碼信息轉換為頻率信息時嵌入計算機控制將時間碼轉化為頻率輸出。這個頻率可以作為基準頻率直接輸出，但這樣會因為GPS 信號的中斷和抖動，造成載頻信號的中斷和抖動，為此采用智能信號處理，引入智能分析測控系統，對GPS 基準源信號中存在的中斷、性能減低、漂移和抖動等諸多不利因素進行智能分析控制。智能分析測控系統就是對接收的GPS 衛星參考源進行人工智能實時檢測、分析、判斷和控制，通過軟件人工智能濾波和數字濾波和分析等方式，對GPS源信號甄別處理，同時具有源信號溯源中斷保持功能，消除GPS 參考源的相位抖動和突變的影響，輸出的參考信號基準頻率穩定度很高而且穩定[3]，也符合國家廣電總局科技委建議書8-4-1（2007年，西安）的規定。智能數字PLL 的參考模型見圖2。

圖2 智能數字PLL參考模型圖

在數字鎖相環路中，相位噪聲主要由DCO、鑒頻鑒相器、分頻器和輸入參考信號的相位噪聲這四部分引入。環路濾波器對于由鑒頻鑒相器、分頻器和輸入參考信號的相位噪聲這三部分引入的相位噪聲具有低通特性，對于DCO 產生的相位噪聲具有高通特性。一般來說環路帶寬內的相位噪聲主要決定于由鑒頻鑒相器、分頻器和輸入參考信號，環路帶寬以外的相位噪聲主要決定于DCO，在環路帶寬附近，這四部分的噪聲影響相當。

所以為了盡量降低輸出信號的相位噪聲環路濾波器的環路帶寬的最佳點是由鑒頻鑒相器、分頻器和輸入參考信號的相位噪聲這三部分引入的相位噪聲總和與DCO引入的相位噪聲相同時的頻率。在實際運用中環路濾波器的設計是非常重要的。對于遠端相位噪聲如100kHz和1MHz 處的一般遠遠高于環路帶寬，其相位噪聲主要決定于DCO，要保證其指標主要是選擇良好的DCO。而近端相位噪聲如100Hz 主要由鑒頻鑒相器、分頻器和輸入參考信號的相位噪聲決定，但如果環路帶寬取值較小如200Hz 則DCO 的影響也將非常之大。而如果環路帶寬遠遠大于1kHz 如為6kHz 以上時1kHz 處的相位噪聲也將主要由鑒頻鑒相器、分頻器和輸入參考信號的相位噪聲決定。全數字智能鎖相環就是利用微處理器技術，在鎖相環路中，根據鑒相器的結果，輸出給壓控振蕩器一個控制信號；同時分析壓控振蕩器的老化特性對環路的長期影響，采取數理統計和歸一化處理，保證壓控振蕩器輸出的頻率穩定度在一個較長的時間內能穩定輸出。因此，智能數字鎖相環設計要求是：在中央處理器的控制作用下，引入溯源信號的跟蹤和甄別功能，當參考源失效的情況時，有精度保持功能；同時利用智能化技術對晶體的老化規律進行校正，保證基準源輸出穩定度極高且平滑的振蕩信號，使得基準源能夠輸出滿足要求的基準頻率。

在頻率基準源的短期頻率穩定度實際電路設計中，需要對DCO 和電路板采用抗噪設計技術，從而降低相位噪聲。采取的具體措施有：（1）利用共模噪聲有高度抑制噪聲的能力，消除抖動的趨向，接收和傳遞信號采用差分形式。（2）小心布線，走線盡可能短，避免與高速開關數字信號的走線產生交叉。（3）注意分布參數的影像，避免出現寄生信號，消除串擾或干擾對信號通路產生影響。

另外在智能芯片中也要采取一定措施進行抗噪和降噪處理：

（1）采用平衡方式信號收發：芯片的輸入和輸出信號都采用平衡模式。如果不是，也要將信號轉化為平衡模式。

（2）信號通路的布設：在設計時序信號通路時要仔細布線，因為通路敏感，進行布線時必須小心，原則是：一要短，二要避免與其他數字信號產生交叉。

（3）輸出緩沖器大小的選擇：如果輸出的信號有多路去向，在分配信號后，信號的強度要保持足夠，才能避免噪聲的侵入。當緩沖器驅動不足時，信號的上升/下降沿就可能過緩，容易產生噪聲污染。

（4）保持基底的干凈：在有多路同步數字輸出的芯片內，存在地線反彈噪聲（ground bounce），其幅度可達到幾百毫伏，引起了確定性抖動。可以采取的措施是：芯片上的電源設計，宜選擇電源對的形式，并且盡量靠近數字輸出入端口。

（5）地的設計：數字信號的地與模擬信號的地要分開設計。在高驅動輸出數字電路的電源很容易引入噪聲，這時時序電路也與之公用電源，增大了時序電路的抖動，利用電源濾波來進一步減小電源噪聲的影響，同時也減小了對DPLL 電路的影響。

3.2 基于AD9859 的數字化DDS 頻率激勵輸出設計

DDS 是最新一代的頻率合成技術，優越的性能使其在頻率合成領域得到廣泛應用。DDS 的基本原理是利用相位累加器輸出存儲器的地址不同，通過查表法產生相應波形。DDS 的基本原理見圖3。

在圖3中，K 為頻率控制字；N 為相位累加器的字長；M 為波形存儲器（ROM）地址線位數；m 為波形存儲器（ROM）數據線位數，fc是一個具有高穩定性晶體振蕩器的基準輸出頻率，是DDS 系統的參考時鐘源，也可以為系統中各個組成部分提供同步時鐘。

圖3 DDS的基本原理

DDS 是從相位概念出發，直接對參考正弦信號進行抽樣，得到不同的相位，通過數字計算技術產生對應的電壓幅度，最后濾波平滑輸出所需頻率波形。DDS 的數學模型是：在每一個時鐘周期T內，加法器將頻率控制字K 與累加器的N（N 位二進制數表示）比特相位數據累加1次，同時對2N 取模運算，得到的和作為波形存儲器的相位地址值，以二進制代碼的形式查詢正弦函數表ROM，完成相位到幅值的轉化，再將此數字量化正弦幅度值序列經D/A 轉換器轉變為模擬信號，再經過低通濾波器濾波平滑后輸出單一頻率的正弦波模擬信號[4]，其頻率為：

本系統實際設計中，相位累加器的字長N 取值32，即N=32，ROM 的 地 址 線 寬M 取 值 為8，故RAM 為256×8位。如圖4所示。

圖4 DDS設計的基本結構

此項設計中輸出為中波載頻頻率的正弦波，故一些控制字可以直接固定，在精確的有源晶振提供工作的時鐘源時，只用在9kHz 脈沖的上升沿來臨時，將相位累加器復位，即可產生與9kHz 脈沖同步的中波載頻的頻率信號[5]。

4 改造與總結

4.1 改造

目前，我省的中波載頻頻率大都采用發射機內部激勵頻率，這樣的載頻頻率穩定度都依賴于內置晶體，內置晶體的頻率穩定度一般為10-6，產生的載頻頻率穩定度和頻率差與中波同步廣播載頻頻率的要求相差2個數量級，因此我省的中一和省一節目同頻干擾嚴重，并且不能有效對抗其他頻率的干擾。為了積極穩妥的解決同頻干擾問題，采取二步走的方式，即第一步抽取具有典型性（載頻頻率相同，覆蓋區搭界）的兩個臺先行改造試驗，效果良好達到預定要求。第二步再對管理中心管轄的全省的整個中波同步廣播網進行全面改造。

去年12月份，我中心選取兩個相鄰進行改造試驗，安裝了全數字化的中波同步廣播激勵器，該激勵器的頻率輸出穩定度可達10-10，頻率差可達0.001以下。改造的方式是：（1）將發射機的內置頻率改為外部激勵方式；（2）安裝GPS 衛星天線，并引至激勵器GPS 天線輸入端；（3）將激勵器的載頻頻率輸出用連接電纜（連接電纜：連接器是BNC 型號，電纜型號為SYV50-3-1）連接至發射機外部激勵輸入口；（4）調節載頻激勵幅度為5VP-P。開發射機工作正常，經相鄰干擾區收聽測試，干擾區效果明顯改善，達到預期目標。

4.2 總結

經過近二個月的中波載頻頻率的改造，我管理中心管轄的內部二十個中波臺全部替換為新式的全數字化中波同步廣播激勵器，經初步測試達到了同步干擾明顯改善，對抗干擾的效果有顯著提升的效果。這也為進一步提高頻率利用率、覆蓋效率、方便聽眾收聽實行一套節目一個頻率覆蓋全省打下了堅實的基礎。