DDS技術在構建中波同步廣播單頻網中的應用

韓大國

（安徽廣播影視職業技術學院 信息工程系，安徽 合肥230022）

我國于上世紀六十年代開始使用中波同步廣播技術。改革開放以來，隨著我國經濟的飛速發展，廣播事業也得到了極大的發展，中波廣播已發展成為我國重要的信息傳輸手段。尤其是上世紀九十年代，利用智能化的中波同步激勵器構建了中波同步廣播單頻網，為我國的廣播事業快速發展提供了堅實的技術保證。近年來數字技術在同步廣播技術中得到廣泛應用，使得中波同步廣播技術發生新的變化。本文就數字化中波同步廣播技術的應用做一些介紹和探討。

1 DDS技術原理

DDS是直接數字頻率合成器（direct digital synthesizer）的縮寫，是1971年美國學者J.Tierncy.C.M.Rader和B.Gold提出的，由于近年來的器件和技術的提高，DDS技術在頻率合成方面體現了優越性能，得到了廣泛的應用。

直接數字頻率合成器（DDS）由基準時鐘、相位累加器、波形存儲器、D／A轉換器和低通濾波器（LPF）五部分構成，如圖1。

圖1 DDS的基本原理框圖

相位累加器由N位加法器N位寄存器構成。每來一個時鐘CLOCK，加法器就將頻率控制字與累加寄存器輸出的累加相位數據相加，相加的結果又被送至累加寄存器的數據輸入端，以使加法器在下一個時鐘脈沖的作用下繼續控制字相加。這樣，相位累加器在時鐘作用下，不斷對頻率控制字進行線性累加。其輸出的數據就是合成信號的相位，相位累加器的溢出頻率就是輸出的信號頻率。如果用相位累加器輸出的數據作為波形存儲器（ROM）的相位地址，這樣就可把存儲在波形存儲器內的波形抽樣值（二進制編碼）經查找表完成相位到幅值轉換.波形存儲器的輸出送到D／A轉換器。由D／A轉換器將信號轉換成模擬信號輸出。

1.1 AD9859芯片

HQ－10型中波同步廣播激勵器是基于AD9859芯片構成。AD9859外形圖如圖2。

圖2

內部功能圖如圖3。

AD9859是ADI公司生產的高集成度的數字頻率合成器，它的內核最高可以工作在400MHz。外部時鐘信號可以選擇直接輸入DDS內核或者通過AD9859內部的一個可編程的參考時鐘乘法器輸入內核。AD9859內部集成了一個高速高性能的10位DAC來產生數字化可編程的頻率高達200MHz的模擬正弦波形輸出，此正弦波可直接用作頻率信號源或經內部的高速比較器轉換為方波輸出。

圖3 AD9859功能結構圖

AD9859支持多種時鐘模式并且支持差分或單端輸入時鐘，可以通過向相關寄存器內寫入控制字來使用片內晶振或者鎖相環參考時鐘乘法器。而系統時鐘則是由CLKMODESELECT管腳的輸入與寄存器CFR1＜4＞、CFR2＜7：3＞中的數據來共同支配AD9859到六種工作模式中的一種來產生。

單頻工作模式是芯片默認的工作模式。當復位時，寄存器清零；當工作時，用戶向寄存器中寫入頻率控制字即可獲得DDS所需頻率點的單頻輸出。輸出電流幅度可由芯片內的數字乘法器的幅度控制功能來調整。在單頻工作模式下，頻率控制字的值被儲存在寄存器FTW0中隨后被截斷送入相位累加器。這個值被手動修改，通過在I／O UPDATE時鐘脈沖到達時向FTW0中寫入新的頻率控制字實現。相位調節則需要通過相位補償寄存器實現。

在AD9859中，重要的是有內部時鐘和外部時鐘的UPDATA CLOCK功能。輸入AD9859中的數據是和SYNC－CLK的信號同步的，這個信號通過SYNCCLK腳供給外部用戶。I／O UPDATE在SYNC－CLK的上升沿采樣。也就是說當數據輸入到AD9859的緩沖寄存器中時，并不會馬上按輸入指令開始工作。只有當一個SYNC－CLK時鐘信號上升沿到來且I／O UPDATE滿足條件時，AD9859的緩沖寄存器才按輸入指令開始輸出數據到工作寄存器中。

在芯片內部，SYSCLK被送入一個四分頻器來產生SYNC－CLK信號。當反向計數器計數到零的時候，DDS芯片自動更新SYNC－CLK時鐘信號通過SYNC－CLK管腳提供給用戶。這樣可以通過強制外部硬件遵從SYNC－CLK的時序來實現外部硬件和內部時鐘的同步。從圖3.4可以看出在SYNC－CLK上升沿和I／O UPDATE高電平時，緩沖寄存器中的數據轉移到DDS芯片的工作寄存器中。SYNC－CLK及I／O UPDATE管腳為用戶提供了一個與系統時鐘SYSCLK之間不變的潛在聯系，也保證了當一個新的頻率控制字或相位補償值產生時模擬波形輸出的連續性。圖4表明了I／O UPDATE的時序周期和同步性。

圖1 I／O UPDATE數據轉換圖

1.2 ARM微處理器

ARM微處理器對DDS進行操作。AD9859是通過SPI方式來控制內部的寄存器狀態的，基于ARM LPC2214只需對 AD9859的SCLK，SDIO，IO／UPDATE，三個I／O口進行操作，很容易把各種控制字寫入AD9859的狀態寄存器中，從而產生所需的頻率。SCLK是控制字寫入的時鐘口，SDIO是控制字寫入口，IO／UPDATE用來更新寫入的寄存器的控制字狀態。

AD9859的頻率輸出后，經過一段橢圓濾波器濾波，再經過AD8132全差分放大器進行放大，然后經過耦合線圈將兩路差分信號合成一路輸出合成頻率。

輸入10M標準參考信號為FPGA測頻的閘門時間，在閘門時間內對輸入的待測信號進行計數，所計的數值暫存在FPGA內部。ARM與FPGA之間進行串行通信，只需4個I／O口就將數據讀至ARM，這個通信方式類似SPI的時序。

1.3 基于AD9859的中波同步廣播激勵器性能特點

（1）低噪聲和低漂移

DDS系統中合成信號的頻率穩定度直接由參考源的頻率穩定度決定，合成信號的相位噪聲與參考源的相位噪聲相同。HQ－10型中波同步廣播激勵器引入的由GPS信號產生的高精度高穩定度的10MHz參考源，穩定度達到1×10－11，所以合成信號頻率輸出穩定度和相位噪聲的性能也極為優異。這是一般數字鎖相環和模擬鎖相環頻率合成器所達不到的性能。

（2）輸出信號幅度平坦

DDS的最低輸出頻率是所有的時鐘頻率的最小分辨率或相位累加器的分辨率。乃奎斯特采樣定理保證了早直到該時鐘頻率一半的所有頻率下，DAC都可以再現信號。

（3）易于集成 易于調整

DDS中幾乎所有的部件都屬于數字信號處理器件，除DAC和濾波器外，無需任何調整，從而降低了成本，簡化了機器結構。

2 DDS技術構成的HQ－10中波同步廣播激勵器

HQ－10中波同步廣播激勵器由GPS接收器、基準源和DDS頻率合成器組成。

GPS接收器接收GPS信號，這個信號源由GPS衛星發送，發送的是時間信號，這個時間信號源的換算為頻率指標，頻率穩定度為10－13，經過長距離傳輸，被接收器接收。

在基準源里，接收器將接收到時間碼信息轉換為頻率信息，這個過程有計算機控制，加上信號源甄別功能和信號源溯源中斷保持功能，使得輸出的基準頻率穩定度很高而且穩定，這是一般基準源難以做到的功能。值得一提的是，GPS信號眾所周知，時間信號源精度和頻率穩定度很高，實際上，在服務過程中是不穩定的，常受到各種自然和人為因素的干擾，在使用過程中有必要采取措施加以甄別和過濾，還要有精度（本文取精度和穩定度同意）保持功能，保證基準源輸出的頻率穩定度連續穩定。

在DDS頻率合成器中，利用DDS技術將高精度高穩定度的基準源合成為各種頻率。

系統總體硬件設計方案框圖如圖5。本系統主要由系統控制部分、頻率合成部分和系統輸出部分組成。其中控制部分的主要任務是完成對DDS芯片AD9859YSV頻率控制字和控制信號以及選用的ARM芯片LPC2138和FPGA芯片EP1C3T144C8的控制信號和同步時鐘的引入。頻率合成部分則主要是是AD9859YSV通過輸入的頻率控制字FTW和選用的乘法器的倍頻系數來合成所需的頻率輸出。而輸出部分則完成濾波、放大和顯示的功能。其中利用運算放大器AD8390實現DDS輸出波形的放大功能，利用鍵盤輸入控制四路DDS合成頻率的輸出通道以及輸出頻率大小的測量并及時送到液晶顯示。

圖5 DDS頻率合成系統硬件設計框架圖

3 中波同步廣播單頻網

中波同步廣播單頻網就是在不同地點的若干部發射機嚴格工作于同一頻率，播送同一廣播節目的廣播形式。就我國來說已有若干地方的廣播電臺采用了這種方式，充分利用了寶貴的頻率資源，極大節約了頻率。但由于種種原因，單頻網的運行質量得不到應有的保證，其中技術因素是一個重要的原因。從技術來講，是很多人把中波同步廣播的概念移植到中波同步廣播單頻網所造成的。傳統的中波同步廣播是基于三頻組成中波同步廣播網，標準要求的中波同步廣播激勵器輸出的頻率穩定度達到10－8即可，大多數的中波同步激勵器完全可以滿足要求。

但中波同步廣播單頻網的技術指標與三頻中波同步廣播網的技術指標有很大的不同。中波同步廣播單頻網是相鄰兩臺使用同一頻率發射，覆蓋區域有重疊，形成相干區，出現了特殊現象，對頻率技術指標也提出了新的要求。在現代中波同步廣播單頻覆蓋網中，主要是兩個技術指標：同頻和同時延。有人認為需要同調制，有實驗證明，這是不必要的。

在中波同步廣播單頻網的運行中，頻率相同是最重要的指標。也就是說，單頻網中運行的兩個相鄰的發射臺要求使用相同頻率發射（實際上做不到）。通常發射機使用都是標稱頻率發射，實際頻率跟標稱頻率是有差別的。這種差別在中波同步廣播技術中一般用頻率的穩定度來說明，中波發射機頻率穩定度一般要求10－5，三頻同步廣播要求發射機的頻率穩定度為10－8，，單頻網頻率穩定度的指標有更高的要求。

穩定度分為長期、短期和瞬時。長期一般只一天以上；短期指一天以內；瞬時指秒級及以內。對于同步廣播來說至少用短期穩定度才有意義。一般所說的穩定度都是指短期。在同步廣播實踐中，一般用穩定度指標加上相位噪聲指標，來完整體現頻率指標－穩定度的含義。下面討論穩定度的指標來中波同步廣播的影響。

表1 同步方式和頻率的關系

表2 頻差在相干區的聽覺表現

從以上的表中我們可以得出，相鄰發射機的頻率差小于0.001以下中波同步廣播單頻網才能較高質量的運行。以0.001Hz頻差我們來倒推發射機的頻率穩定度要求，頻率穩定度、頻差和標稱頻率的關系為

中波廣播的頻率范圍是531—1602kHz，取中心頻率1000kHz為例計算，這時的δ為10－9，這是中波同步廣播單頻網運行時的最低頻率指標要求。

中波同步廣播單頻網運行時，相鄰的兩個發射臺的覆蓋重疊區域，形成相干區。評價單頻網的運行質量是以確定相干區的范圍大小以及在相干區的收聽效果為原則的。相干區范圍大小的確定，一般以收聽效果有同頻干擾而且收聽音質的綜合評價得到3分為標準進行界定。收聽效果因為有移動收聽和固定收聽兩種方式，主觀音質評價既要結合兩種方式的收聽效果進行音質效果的主觀綜合評價。單頻網相干區的的音質評價，主要是收聽時主觀聽覺有衰落，我們希望同步衰落越慢越好。同步時，兩列電磁波在相干區域形成駐波，對于0.001Hz的頻差，其頻率的穩定度為10－10，在相干區產生的衰落時間為1000秒，也就是說在相干區收聽節目，經過250秒聲音的大小變化一次。這時在相干區收聽，對于移動接收，這或許可以忍受。但固定接收，這樣指標難以接受。實驗證明，為了單頻網的高質量運行，衰落時間需要提高一個量級，也就是說，穩定度需要提高一個量級，因此中波同步廣播單頻網頻率的穩定度要求為10－10。

4 應用

由于廣播信號發射傳輸和收聽效果的特殊性，要求收聽效果穩定和可靠，收聽質量滿意（收聽音質的主觀評價分值在3分以上）。，在中波同步廣播單頻覆蓋網中，要求單頻網中運行的發射機頻率穩定度是10－10以上。頻率穩定度達到此值，相干區的收聽效果可以接受，穩定度量級的穩定使相干區域的范圍穩定，最終形成的相干區域范圍穩定和收聽效果良好。在實踐中，中波同步廣播采用主從方式進行同步，頻率穩定度的穩定跟基準源的穩定和壓控振蕩器的穩定度有關?；鶞试词侨∽訥PS信號，GPS信號源受到各種因素干擾和制約，不能長期穩定工作。當基準源異常時，要求同步激勵器必須具有GPS授時信號可用性的甄別能力，確保溯源跟蹤的有效性。同時，要求內置高穩定度的振蕩器，GPS授時系統可用時，內置振蕩器跟蹤GPS，被同步修正；不可用時，內置振蕩器脫離跟蹤同步，進入精度保持狀態，并且在一個相當長時間內，滿足單頻網對頻率精度的要求。

HQ－10中波同步廣播激勵器就是基于DDS技術，具有信號源甄別和精度保持功能的同步頻率源設備，滿足頻率穩定度為10－10而且連續穩定的要求，由此種技術支持的中波同步廣播單頻覆蓋網才能正常穩定運行，也才是真正意義上的中波同步廣播單頻覆蓋網。

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