调幅广播调幅度监测A/D采集卡设计实现
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国家新闻出版广电总局七三一台 林大桥
【摘要】在广播覆盖“三满”指标中的调幅度监测，以往都是通过人工手动来测量的，有些进口仪器有自动测量调幅度的功能，但功能复杂，价格昂贵。文本介绍在原来测量发射机调幅度板的基础上，设计了通过测量NRD545接收机中频测量调幅度的A/D采集卡。
【关键词】监测;调幅度;A/D采集卡
1.概述
随着广播电视事业的迅猛发展，广播电视监测工作更是日新月异地发生着巨大变化，同时广播监测技术也有了很大提高。以往对调幅度的监测都是通过人工手动来测量的，有些进口仪器有自动测量调幅度的功能，如ESVN-40，但功能复杂，价格昂贵。我们在原来监测发射机调幅度板的基础上，设计了通过测量NRD545接收机中频来测量调幅度的测量卡，通过对NRD-545接收机的中频信号（455KHz，3dB带宽16KHz）进行实时监测，测量板卡将测量结果将由RS232接口传送至上位机。
2.接收机法调幅度测试原理
根据GY31-84调幅度的定义：用单一频率的音频信号对载波进行调制的已调波，其最大或最小瞬时振幅与调制期间载波振幅差值再与调制期间载波振幅之比用百分比表示，既为发射机的调幅度。实际上是音频幅度与载波幅度之比。可用下式来表示：
式中：mp =正峰调幅度;mn=负峰调幅度;A0=调制期间的载波幅度;amax=已调波的最大振幅;amin=已调波的最小振幅。
根据调幅度计算的基本公式，只要知道已调信号包络的最大值和最小值，即可得出调幅度。利用高性能接收机从天线获得调幅广播信号，对其进行滤波、放大以及AGC控制后，经过二次变频获得中频信号，对取得的中频信号进行检波，将检波信号送入A/D变换成数字信号。系统的设计框图如图1所示。采用该方法可以将测量到的数据进行本地存储，也可以远程查看。通过对测量数据的自动统可以实现自动监视，当调幅度出现异常时，及时的给出报警，从而达到自动监测的目的。
图1 调幅度测试方框图
对NRD-545接收机的中频信号（=455KHz，3dB宽带16KHz）进行瞬时监测，其调幅度为中频信号检波后的音频电平幅度与直流电平之比。据此设计适合计算机控制的调幅度测量卡。该板可插入计算机中的任意AT总线插槽中，通过RS-232串口将数据传给服务器处理。系统框图如图2所示。
图2 调幅度A/D采集卡系统框图
由图2可知，调幅度A/D采集卡将接收机的中频信号检波后，分别取出音频分量和直流分量送入A/D变换器，转换成数字量，送入单片机。单片机以一定的测量时间为间隔将音频分量提取出最大值，这个最大值即可认为是这个测量时间中的音频的幅度值，以此幅度值除以直流电平既为这段测量时间中信号的调幅度值。
2.1 采样率的选择
根据仙农采样定理：采样频率大于或等于信号最高频率的两倍，则该信号在时域里完全可以由一系列采样点所确定。当然，采样率越高，取得的最大值越精确。该板的采样率为33KHz，对接收机来讲，是接收机最高频率的4倍。这个采样率是由单片机的运算速度决定的。
2.2 测量时间的选择
测量时间，即在一定的时间段内，以33KHz的采样率进行采样，经过对比，选出一个最大值，以此最大值作为这段时间内的音频的幅度值，用此最大值除以直流电平值，则得出一个调幅度值。这个调幅度值即可认为是这段测量时间段的调幅度值。因为NRD545接收机的中频3dB宽带是16KHz，发射机的频率响应是50Hz―8KHZ所以，要测量得信号的频率响应范围是50Hz～8KHz，因此，测量时间取为20ms。这样做是为了取出最低频率（50Hz）的幅度值。由于广播信号的复杂性，如果计算时间取长，其最大值将不代表这一段测量时间内的音频幅度;如果取得太短，50Hz信号的幅度将不能取出。因此，笔者认为20ms的计算周期比较合理。从实际测量结果来看，这样测完全可以反映出音频的包络变化。
3.调幅度A/D采集卡硬件组成
采用PC小板结构，用PC机内的电源供电。单片机采用89C51，单片机是电路板控制的核心，它不仅控制AD转换器的运行，还控制着数据处理以及与上位机的通信。软件采用汇编语言编程。A/D芯片采用四通道高速八位A/D变换器，其采样速率可达400KHz，带内部采样保持电路和微处理器接口电路。选用八位A/D是为了提高系统的运算速度，在满足精度要求的情况下降低成本。前级用超高速运算放大器作程控放大器，放大倍数由单片机根据直流电平值自动调整，以充分利用A/D的动态范围，其放大倍数分别为2，3，4，5，6，7，8，9。这样的放大量能使接收机的中频输出满足调幅度测量的要求。
NR545接收机提供的455KHz中频信号，经过一个由1μF电容和10K电阻组成的一阶无源高通滤波电路（f=15Hz，高频成分通过）清除信号携带的直流分量，经过此滤波电路后，信号将分送给AD8130进行13dB的放大，作调幅度的测量。
信号经AD8130进行前级放大后，需经过一个由0.1μF电容和1K电阻组成的一阶无源高通滤波电路来滤除信号在放大过程中所引进的直流分量（电容隔直，频率高于1.6KHz的信号通过）。此部分电路原理图如图3所示：
图3 中频信号放大电路
放大后的信号进入由OPA27组成的精密半波整流电路得到信号的正半周。此时，信号一路通过一个由OPA27组成的二阶低通滤波电路得到调幅信号的音频包络，送至A/D进行转换后送入单片机;另一路经过简单的由10K电阻和10μ电容组成的一阶低通滤波得到直流载波，送入单片机的ADC0口，在其内部实现A/D转换。电路图如图4所示。通过编程实现在一定时间间隔内取出包络的最大值和直流电平，并传给单片机。
由OPA27组成的二阶低通滤波器的截止频率为：f=37.5KHz。在截止频率的选择上，应保证在此带宽中有用信号不会衰减，同时滤掉高频信号。由10K电阻和10μ电容组成的无源低通滤波器的截止频率为：f=1.6Hz。
4.误差分析
系统误差主要来自以下两个方面：
（1）A/D变换带来的误差：由于A/D采样采用8位A/D，即0―5V电压的量化台阶是255级，考虑到100%调幅的情况，直流电平的最大值不能超过127，否则正峰将被切削，这时的计算误差是1/127=0.8%。当直流电平为1.25V时，对应的数值为64，这时的计算误差是1/64=1.56%。本系统选取直流电平大于1V时开始计算，程控放大器的控制范围是1.25V～2.5V，当直流电平为1V时的对应数值是51，这时的计算误差是1/51=2%，即系统的最大计算误差是2%。这是由A/D变换带来的最大误差。
当输入信号较小时，接收机的信噪比下降，输出的中频信号变弱，中频信号的信噪比更差，这时测量出的调幅度值误差较大，因此，当射频信号较弱时，调幅度板不进行测量。
（2）采样误差是由于采样没有采到最大值而引起的误差。以8KHz为例，对8KHz的正弦波，如果以33KHz的采样率进行采样，则每个周期可以采样4点，它们离最大点的距离为360度/4/2=45度，这时的数值是Sin（90°±45°）=0.707，而最大值是1。所以，其最大误差是30%。由于每个测量周期中要采样666点，有160点在最大值附近，只要采样点在90°±11°内，其计算误差就小于2%，按平均分布计算，有39点可能采到最大值;实际上，高音频出现峰值的次数多，低音频出现峰值的次数少，因此，采样误差在这里可以忽略。
5.小结
测试仪的软件部分采用C/S模式，服务器端固定于工控机，用于控制板卡工作以及原始资料的采集处理计算，而客户端通过TCP协议与客户端交互，完成主要的数据处理存储等功能。设计好的调幅度A/D采集卡在调幅度测试仪中的测试结果与采用进口仪器测试的结果在调幅度的变化趋势上是一致的，并且数据相差很小，达到了预期的效果。
参考文献
[1]马友本等主编.广播电视监测技术.国家广播电影电视总局监测中心编印.
[2]岗位培训教材.广播接收与监测.国家广播电影电视总局无线电台管理局.
作者简介：林大桥（1973-），男，福建龙岩人，工程硕士，国家新闻出版广电总局七三一台高级工程师。