摘要：根據某型電視圖像發射機檢測儀的信號標定及日常維護調試需要，研發了一種以鎖相環技術為核心，由單片機控制的低功耗、頻點及功率可控的視頻發射機(信標機)。給出了基于鎖相環芯片ADF4360的信標機的設計方法及系統組成，闡述了系統的軟硬件設計方案。測試結果表明，由該方法設計的信標機具有穩定、可靠的變頻特性，且各項指標均達到了要求。在實際使用過程中，操作人員可以方便地設置所需的頻點及功率點，人機界面友好，使得操作更為靈活方便，具有良好的性價比和市場前景。
某型電視圖像發射機檢測儀已經研制成功并投入生產。由于發射機是被完全密封、加固的，因此對其主要的參數、指標的檢測只能采用間接的方法，其中對其最重要的指標——發射功率，更是只能以無線接收的方式，根據接收到信號的AGC進行判斷，由于環境對無線信號的影響巨大，因此在檢測儀的日常使用、維護和調試中的標定工作非常重要。目前市面上美國安捷侖和德國RS公司生產的射頻信號儀器雖然滿足使用要求，但價格昂貴，體積較大，不便于攜帶，因此很有必要設計一種針對型號專門使用的信標機，以代替昂貴的進口設備，降低裝備成本。下面著重介紹該型功率、頻點可控視頻發射機(信標機)的設計與實現方法。
1 系統組成
信標機作為標定檢測儀的工具，不僅要求頻點和功率可調，可以完美的模擬待測型號的視頻發射機，而且還要具備頻點穩定、功率線性化調節和參數顯示等功能。根據以上設計要求，視頻發射機采用模擬傳輸方式傳送圖像，由單片機、液晶屏、鍵盤、微型攝像頭、供電電源、調頻發射電路組成。其系統組成如圖1所示。
其中，視頻發射單元里調頻發射電路中的頻率合成技術是本設計的關鍵所在。目前的頻率合成技術中比較成熟的是鎖相環技術(PLL：Phase Lock Loop)。本方案采用的鎖相環技術，是以ADF4360芯片為核心。ADF4360芯片是美國ADI公司生產的一款高性能整數型鎖相頻率合成芯片，其內部集成壓控振蕩器，內含數字鑒相器、電荷泵、可編程參考分頻器R(14 bit)、可編程A(5 bit)預置、B(13 bit)計數器及雙模前置(P/P+1)分頻器。其工作頻率范圍是2 400～2 725 MHz，工作電壓為3.0～3.6 V，可編程雙模預分頻為8/9，16/17，32/33，輸出功率可編程范圍是-13～6 dBm，電荷泵電流可編程，并可編程反后沖脈沖寬度，能夠進行模擬和數字鎖定檢測，具有硬件和軟件掉電模式，同時可三線并行傳輸。ADF4360的內部電路結構如圖2所示。由于此芯片內部包含VCO(壓控振蕩器)，因此只需外接環路濾波器即可組成一個完整的鎖相環路，設計簡單，成本較低。ADF4360芯片通過單片機的控制，輸出合適的分頻比，得到穩定的頻點和功率，同時單片機控制在LED屏上實時顯示相應的數值，還設置了鍵盤的輸入操作，使用起來簡單方便。
該型頻點和功率可控的視頻發射機(信標機)尺寸小巧，成本低廉，比常規信號源小的多，而且便于攜帶，可隨時在野外環境中給某型電視圖像發射機檢測儀提供穩定可靠的標定信號源，為實際工作的展開提供了極大的方便。圖3為視頻發射機(信標機)效果圖，圖4為機身按鍵標示圖。
2 系統的設計與實現
2.1 微型攝像頭
微型攝像頭的主要作用是圖像信號的采集，輸出PAL格式的視頻信號。當微型攝像頭完成對圖像信息的采集后，通過視頻信號送往調頻發射電路進行信號調制，最終將采集的視頻信號顯示在監測儀的顯示界面上。
2.2 單片機控制電路
單片機的功能主要分為兩方面，一方面定時查詢健盤信息，控制調頻發射電路的頻點，控制數控衰減器的衰減值，使信標機輸出設定的頻點和功率信號；另一方面，控制液晶屏LED顯示相應的頻點和功率值及其他相關信息。本方案所采用的單片機為美國ATMEL公司ATmega 128單片機作為主控制芯片，該單片機基于RISC結構，具有快速、靈活、加密性強和易實現等諸多優點，數據吞吐率高達1MIPS/MHz，是普通的復雜指令集微處理器的10倍，可以緩減系統功耗和處理速度之間的矛盾。當健盤發送變頻指令，單片機接收指令后改變ADF4360芯片上的各分頻比，從而得到所需的頻率，并且將該頻率值在LED上顯示出來。
2.3 調頻發射電路
調頻發射部分主要負責對微型攝像頭采集到的模擬視頻信號進行頻率調制并發射出去。調頻發射電路的原理框圖如圖6所示，包括預加重電路、鎖相環調頻電路、功率放大電路和發射天線。其中鎖相環技術是本系統的核心。預加重電路先將視頻信號的低頻分量壓低并提高高頻分量，然后視頻信號與鎖相環路的誤差直流信號一起控制VCO使之產生需要的中心頻率，鎖相環路把VCO的輸出頻率分頻后與參考頻率分頻后的信號進行鑒相，輸出誤差信號，通過低通濾波器后形成誤差直流信號；視頻信號對VCO控制產生的已調信號將送往功率放大器進行功率放大，以提高信號的發射功率，增加傳輸的距離。系統要求實現無線視頻傳輸的微小化和低功耗，并且傳輸距離要盡可能的遠，所以在設計系統的時候選擇了調頻調制方式，因為在功率、頻率、天線效率、環境相同的情況下，調頻方式會比其他的調制方式(如調幅調制)傳輸得更遠。
鎖相環調節電路的設計是本方案的核心都分，它應滿足如下要求：
1)視頻信號帶寬較大，因此要有比較大的調制頻偏；
2)圖像信號對線性度的要求比較高，否則很容易發生圖像的畸變和扭曲；
3)電路簡單，尺寸質量等都必須符合微小型的要求。
考慮到以上幾個因素，選用簡單、容易實現的直接調頻方式。
直接利用變容二極管進行調頻的方法原理簡單、頻偏較大，但由于調制器是由普通的LC自激振蕩器和并聯的變容二極管組成。所以有很多因素會引起振蕩頻率發生變化，這些因素包括變容二極管的非線性、電源電壓的變動、負載的變化、溫度等環境條件的變化、電路元器件老化、機械振動等。為了消除以上這些導致中心頻率不穩定的因素，除了注意電路和結構的設計外，選用了鎖相環調頻的方式來穩定中心頻率。ADF4360芯片的鎖相環調頻電路方框圖如圖7所示。
其外部電路只需一個環路濾波器和一個參考輸入，所有功能均可通過控制字進行配置。其輸出頻率范圍為F0-F6，采用3.3 V-3.6 V供電，擁有可編程的預分頻器，方便用戶改變其分頻比；輸出功率電平可調，方便改變輸出功率的大小；對外通信采用簡單的三線串行接口，易于使用。該芯片廣泛用于無線手持設備、測試儀器、無線局域網和CATV設備中。基于ADF4360的鎖相環電路原理圖如圖8所示。
該芯片有兩個輸出端：RFoutA和RFoutB，二者相位相反。要想得到大的輸出功率，需對其進行輸出匹配。輸出匹配的方法很多，最好的輸出匹配方法是將RFoutA和RFoutB結合起來輸出，如圖9所示。此電路可提供5 dBm的輸出功率。
2.4 功率放大電路
由于壓控振蕩器輸出增益不大，如果直接用天線進行發射的話，發射距離將會很近，所以必須加上功率放大電路以加大電路的發射功率，增加信號的傳輸距離。根據功率要求本方案采用一級驅動放大，選用RF公司的RF2301，該芯片的放大增益為20 dB，集成VCO的輸出功率為-4dBm，放大以后的功率為18dBm(63mW)。其電路原理如圖10所示。
3 系統軟件設計
系統的軟件設計主要包括鍵盤掃描子程序LED顯示子程序和鎖相環芯片控制子程序設計。其中鍵盤掃描子程序采用編程掃描方式，所有的程序采用匯編語言設計。鎖相環芯片控制子程序，其核心是數據處理算法的實現。相關程序流程圖如圖11所示。
4 結論
該視頻發射機已經經過了系統聯調，各項指標均達到了預定要求，同時系統運行穩定可靠，頻率調節靈活方便，簡單實用，特別是戶外作業的使用更說明了該信標機設計的便攜特性，目前已成功地應用在某型圖像發射機檢測儀的日常維護中，取得良好的效果。
