某型功率和频点可控的视频发射机的设计与实现

摘要：根据某型电视图像发射机检测仪的信号标定及日常维护调试需要，研发了一种以锁相环技术为核心，由单片机控制的低功耗、频点及功率可控的视频发射机(信标机)。给出了基于锁相环芯片ADF4360的信标机的设计方法及系统组成，阐述了系统的软硬件设计方案。测试结果表明，由该方法设计的信标机具有稳定、可靠的变频特性，且各项指标均达到了要求。在实际使用过程中，操作人员可以方便地设置所需的频点及功率点，人机界面友好，使得操作更为灵活方便，具有良好的性价比和市场前景。
关键词：视频发射；信号标定；锁相环；ADF4360

    某型电视图像发射机检测仪已经研制成功并投入生产。由于发射机是被完全密封、加固的，因此对其主要的参数、指标的检测只能采用间接的方法，其中对其最重要的指标——发射功率，更是只能以无线接收的方式，根据接收到信号的AGC进行判断，由于环境对无线信号的影响巨大，因此在检测仪的日常使用、维护和调试中的标定工作非常重要。目前市面上美国安捷仑和德国RS公司生产的射频信号仪器虽然满足使用要求，但价格昂贵，体积较大，不便于携带，因此很有必要设计一种针对型号专门使用的信标机，以代替昂贵的进口设备，降低装备成本。下面着重介绍该型功率、频点可控视频发射机(信标机)的设计与实现方法。

1 系统组成
    信标机作为标定检测仪的工具，不仅要求频点和功率可调，可以完美的模拟待测型号的视频发射机，而且还要具备频点稳定、功率线性化调节和参数显示等功能。根据以上设计要求，视频发射机采用模拟传输方式传送图像，由单片机、液晶屏、键盘、微型摄像头、供电电源、调频发射电路组成。其系统组成如图1所示。

    其中，视频发射单元里调频发射电路中的频率合成技术是本设计的关键所在。目前的频率合成技术中比较成熟的是锁相环技术(PLL：Phase Lock Loop)。本方案采用的锁相环技术，是以ADF4360芯片为核心。ADF4360芯片是美国ADI公司生产的一款高性能整数型锁相频率合成芯片，其内部集成压控振荡器，内含数字鉴相器、电荷泵、可编程参考分频器R(14 bit)、可编程A(5 bit)预置、B(13 bit)计数器及双模前置(P／P+1)分频器。其工作频率范围是2 400～2 725 MHz，工作电压为3．0～3．6 V，可编程双模预分频为8／9，16／17，32／33，输出功率可编程范围是-13～6 dBm，电荷泵电流可编程，并可编程反后冲脉冲宽度，能够进行模拟和数字锁定检测，具有硬件和软件掉电模式，同时可三线并行传输。ADF4360的内部电路结构如图2所示。由于此芯片内部包含VCO(压控振荡器)，因此只需外接环路滤波器即可组成一个完整的锁相环路，设计简单，成本较低。ADF4360芯片通过单片机的控制，输出合适的分频比，得到稳定的频点和功率，同时单片机控制在LED屏上实时显示相应的数值，还设置了键盘的输入操作，使用起来简单方便。

    该型频点和功率可控的视频发射机(信标机)尺寸小巧，成本低廉，比常规信号源小的多，而且便于携带，可随时在野外环境中给某型电视图像发射机检测仪提供稳定可靠的标定信号源，为实际工作的展开提供了极大的方便。图3为视频发射机(信标机)效果图，图4为机身按键标示图。

2 系统的设计与实现
2．1 微型摄像头
    微型摄像头的主要作用是图像信号的采集，输出PAL格式的视频信号。当微型摄像头完成对图像信息的采集后，通过视频信号送往调频发射电路进行信号调制，最终将采集的视频信号显示在监测仪的显示界面上。
2．2 单片机控制电路
    单片机的功能主要分为两方面，一方面定时查询健盘信息，控制调频发射电路的频点，控制数控衰减器的衰减值，使信标机输出设定的频点和功率信号；另一方面，控制液晶屏LED显示相应的频点和功率值及其他相关信息。本方案所采用的单片机为美国ATMEL公司ATmega 128单片机作为主控制芯片，该单片机基于RISC结构，具有快速、灵活、加密性强和易实现等诸多优点，数据吞吐率高达1MIPS／MHz，是普通的复杂指令集微处理器的10倍，可以缓减系统功耗和处理速度之间的矛盾。当健盘发送变频指令，单片机接收指令后改变ADF4360芯片上的各分频比，从而得到所需的频率，并且将该频率值在LED上显示出来。

2．3 调频发射电路
    调频发射部分主要负责对微型摄像头采集到的模拟视频信号进行频率调制并发射出去。调频发射电路的原理框图如图6所示，包括预加重电路、锁相环调频电路、功率放大电路和发射天线。其中锁相环技术是本系统的核心。预加重电路先将视频信号的低频分量压低并提高高频分量，然后视频信号与锁相环路的误差直流信号一起控制VCO使之产生需要的中心频率，锁相环路把VCO的输出频率分频后与参考频率分频后的信号进行鉴相，输出误差信号，通过低通滤波器后形成误差直流信号；视频信号对VCO控制产生的已调信号将送往功率放大器进行功率放大，以提高信号的发射功率，增加传输的距离。系统要求实现无线视频传输的微小化和低功耗，并且传输距离要尽可能的远，所以在设计系统的时候选择了调频调制方式，因为在功率、频率、天线效率、环境相同的情况下，调频方式会比其他的调制方式(如调幅调制)传输得更远。

    锁相环调节电路的设计是本方案的核心都分，它应满足如下要求：
    1)视频信号带宽较大，因此要有比较大的调制频偏；
    2)图像信号对线性度的要求比较高，否则很容易发生图像的畸变和扭曲；
    3)电路简单，尺寸质量等都必须符合微小型的要求。
    考虑到以上几个因素，选用简单、容易实现的直接调频方式。
    直接利用变容二极管进行调频的方法原理简单、频偏较大，但由于调制器是由普通的LC自激振荡器和并联的变容二极管组成。所以有很多因素会引起振荡频率发生变化，这些因素包括变容二极管的非线性、电源电压的变动、负载的变化、温度等环境条件的变化、电路元器件老化、机械振动等。为了消除以上这些导致中心频率不稳定的因素，除了注意电路和结构的设计外，选用了锁相环调频的方式来稳定中心频率。ADF4360芯片的锁相环调频电路方框图如图7所示。

    其外部电路只需一个环路滤波器和一个参考输入，所有功能均可通过控制字进行配置。其输出频率范围为F0-F6，采用3．3 V-3.6 V供电，拥有可编程的预分频器，方便用户改变其分频比；输出功率电平可调，方便改变输出功率的大小；对外通信采用简单的三线串行接口，易于使用。该芯片广泛用于无线手持设备、测试仪器、无线局域网和CATV设备中。基于ADF4360的锁相环电路原理图如图8所示。

    该芯片有两个输出端：RFoutA和RFoutB，二者相位相反。要想得到大的输出功率，需对其进行输出匹配。输出匹配的方法很多，最好的输出匹配方法是将RFoutA和RFoutB结合起来输出，如图9所示。此电路可提供5 dBm的输出功率。

2．4 功率放大电路
    由于压控振荡器输出增益不大，如果直接用天线进行发射的话，发射距离将会很近，所以必须加上功率放大电路以加大电路的发射功率，增加信号的传输距离。根据功率要求本方案采用一级驱动放大，选用RF公司的RF2301，该芯片的放大增益为20 dB，集成VCO的输出功率为-4dBm，放大以后的功率为18dBm(63mW)。其电路原理如图10所示。

3 系统软件设计
    系统的软件设计主要包括键盘扫描子程序LED显示子程序和锁相环芯片控制子程序设计。其中键盘扫描子程序采用编程扫描方式，所有的程序采用汇编语言设计。锁相环芯片控制子程序，其核心是数据处理算法的实现。相关程序流程图如图11所示。

4 结论
    该视频发射机已经经过了系统联调，各项指标均达到了预定要求，同时系统运行稳定可靠，频率调节灵活方便，简单实用，特别是户外作业的使用更说明了该信标机设计的便携特性，目前已成功地应用在某型图像发射机检测仪的日常维护中，取得良好的效果。