CN112134561B - 窄带调频数字精密频率合成装置 - Google Patents

Abstract

窄带调频数字精密频率合成装置，涉及调频广播技术领域，为解决现有窄带调频方法无法满足调频广播节目的频率分辨度要求，该装置由单片机实现，频率数值从输入端输入，经过计算单元计算，获得分频值序列，保存在存贮器中；DMA控制器每次收到DRQ请求信号时，从存贮器中的分频值序列中取得一个数据，传输至寄存器；***时钟输出频率为固定值，采用计数器进行计数；比较器对计数器和寄存器输出的数值进行比较，当两个数值不相等时，比较器输出低电平；当两个数值相等时，比较器输出高电平，向外输出信号，同时向计数器发出清零信号，以及向DMA控制器发出DRQ请求信号；实现在输出端向合成装置外部输出精密频率信号。

Description

窄带调频数字精密频率合成装置

技术领域

本发明涉及调频广播技术领域，具体涉及一种窄带调频数字精密频率合成装置。

背景技术

在设计数字电子***时，经常采取对***高频时钟分频的方法产生指定频率信号，例如用单片机中的定时器对频率为F的***时钟进行N分频，可生成频率F1＝F/N；若进行N+1分频，则生成频率F2＝F/(N+1)；然而这种方法无法产生介于F1与F2之间的频率。并且随着输出频率的升高，分频数值N也相应减小，导致F1与F2两个频率步进的间隔随之明显增大，越是高频的频率分辨度越差。

我国调频广播标准GB/T4311-2000规定，调频广播采用频率调制，100％调制度下的频偏为±75KHz。按照传统调制方式需要把数字化的声音电压数据经过D/A变换成为模拟量之后，用压控振荡器调制。这种方式不仅电路元件较多，失真和噪声较大。当多个模拟调制电路靠近安装在一起时，因为存在频率占据现象，还会导致不同节目之间串音。用单片机把多套节目同时分别调制到几个较低的中频信号上，再用后级电路进行二次调制发射(采用现有技术)。不仅电路元件少，调制通道多，并且电路免调试，各通道之间无串扰。

调频广播声音信号的每一个电压值对应一个频率，也就是线性V/F变换。因此设计目标是用单片机输出方波，实现不同的声音数据对应输出不同频率。具体采用型号为STM32F407的单片机设计，利用定时器输出方波，整数分频只需设置重装载寄存器ARR即可。传统分频方式随着输出频率提高，分频的频率步进间隔越来越大，无法满足调频广播节目的频率分辨度要求。例如，单片机在翻转模式下分频168MHz主时钟，分频值等于84时，可输出1MHz频率方波；分频值为83时输出方波频率却是1.012MHz；然而8位声音信号所要求的频率分辨度必须小于0.586KHz，性能至少还需要提高20多倍才能满足要求。

发明内容

本发明为解决现有窄带调频方法无法满足调频广播节目的频率分辨度要求，提供一种窄带调频数字精密频率合成装置。

窄带调频数字精密频率合成装置，该装置由单片机实现，具体包括由***时钟、计数器、寄存器和比较器组成的定时器，D触发器，输出端，DMA控制器，存贮器，计算单元和输入端；频率数值从输入端输入，经过计算单元计算，获得分频值序列，保存在存贮器中；

所述DMA控制器每次收到DRQ请求信号时，从存贮器中的分频值序列中取得一个数据，传输至寄存器；

所述***时钟输出频率为固定值，采用计数器进行计数；所述比较器对计数器和寄存器输出的数值进行比较，当两个数值不相等时，比较器输出低电平；当两个数值相等时，所述比较器输出高电平，并向D触发器的时钟输入端发出上升沿信号，同时向计数器发出清零信号，以及向DMA控制器发出DRQ请求信号；D触发器的D输入端与Q反输出端连接，D触发器的Q输入端与输出端连接，实现在输出端向合成装置外部输出精密频率信号。

本发明的有益效果：

本发明采用单片机的DMA驱动定时器，调频产生精度足以达到广播节目调制用途的方波信号。

本发明采用单片机设计的V/F变换器响应速度比较快，只要DMA把分频新数值送给了定时器，那么新频率立即生效。因此最大延迟时间为定时器的一个溢出周期。

本发明所述的合成装置可以持续输出较高频率精度的方波，突破传统定时器分频的频率间隔限制。利用STM32F4系列单片机中支持DMA功能的定时器，经过软件设置之后就不再需要软件干预就能持续稳定输出固定的精密频率，在应用这种技术设计的多通道调频广播数字调制电路中，因为没有模拟电路环节，所以具有电路简单、体积小和免调试的优点，各节目之间隔离很好，不会相互串音。设备样机经过实际试用，效果良好。

附图说明

图1为本发明所述的窄带调频数字精密频率合成装置的结构示意图；

图2为本发明所述的窄带调频数字精密频率合成装置的联动原理图；

图3为本发明所述的窄带调频数字精密频率合成装置中计算单元的流程图；

图4为本发明所述的窄带调频数字精密频率合成装置的分频原理图。

具体实施方式

结合图1至图4说明本实施方式，窄带调频数字精密频率合成装置，该装置由单片机实现，所述单片机包括***时钟1，计数器2，寄存器3，比较器4，D触发器5，输出端6，DMA控制器7，存贮器8，计算单元9，输入端10；***时钟1输出频率为固定值，用计数器2进行计数；

计数器2输出数值，以及寄存器3中的数值用比较器4比较，当二者不相等时，比较器输出低电平；当计数器2输出数值，与寄存器3中的数值相等时，比较器4输出高电平，向D触发器5的时钟输入端发出上升沿信号，并且同时向计数器2发出清零信号，还要同时向DMA控制器7发出DRQ请求信号；

D触发器5的D输入端与Q反输出端联接，实现了每个时钟输入的上升沿都能翻转D触发器5；

D触发器5的Q输入端与输出端6联接，实现在输出端6向装置外部输出精密频率信号；

输出频率数值从输入端10输入，经过计算单元9的计算，得到一个分频值序列，保存在存贮器8中；如果要求输出频率固定不变，那么保存在存贮器8中的分频值序列只需计算一次不再改变；如果要求输出频率发生改变，那么每次频率改变都需要改变保存在存贮器8中的分频值序列；

DMA控制器7每次收到DRQ请求信号时，都从存贮器8中的分频值序列里取得一个数据，传输给寄存器3；DMA控制器7中有一个DMA地址寄存器，设置DMA控制器工作在循环模式下，DMA的起始地址为存贮器8中的分频值序列的首地址，DMA的结束地址为存贮器8中的分频值序列的末尾地址；每个DRQ请求信号传输一个数据，并且传输完成后DMA地址加1，当DMA地址寄存器累加达到DMA的结束地址时，DMA地址寄存器可自动恢复成为DMA起始地址。

本实施方式中，当输出频率数值固定不变时，保存在存贮器8中的分频值序列只需计算一次不再改变；当输出频率数值发生改变，则每次频率数值改变均需要改变保存在存贮器8中的分频值序列。

本实施方式中，所述DMA控制器7中设置有一个DMA地址寄存器，设置DMA控制器工作在循环模式下，DMA地址寄存器的起始地址为存贮器8中的分频值序列的首地址，DMA地址寄存器的结束地址为存贮器8中的分频值序列的末尾地址；每个DRQ请求信号传输一个数据，并且传输完成后DMA地址加1，当DMA地址寄存器累加达到DMA的结束地址时，DMA地址寄存器自动恢复成为DMA起始地址。

本实施方式中，所述窄带调频数字精密频率合成装置进行窄带调频原理为：采用一个角频率为Ω的调制信号对另一个角频率为ω的载波信号进行调频，当调频指数为m时，输出调频信号：

V＝cos(ω+m*sinΩt)t＝cosωt*cos(m*sinΩt)t-sinωt*sin(m*sinΩt)t

若m<<1，则cos(m*sinΩt)t≈1，并且sin(m*sinΩt)t≈m*sinΩt

代入上式得：V≈cosωt+m*cos(ω+Ω)t/2-m*cos(ω-Ω)t/2

由此可见，窄带调频信号V由载波信号及上下两个边带信号组成，边带信号的振幅等于调频指数的一半；若调频指数m非常小接近零，则窄带调频信号：V≈cosωt。通常认为由调频所引起的最大瞬时相位偏移远小于30°时，称为窄带调频。

图2与图3分别适用于满足两种不同应用情况的实施方式；图2适用于输出频率需要改变的情况，图3适用于输出频率固定不变的情况；这两种情况的设计目标都是希望尽可能减小分频值序列的长度M用以节约存贮空间。

结合图2说明本实施方式，本实施方式中，窄带调频实现过程为：在每次计数溢出重装载之前，动态设置下次计数的溢出上限，就可改变定时器的周期。这种调频方法使整体输出的平均频率接近设计频率，产生足够精度的信号。

例如，为了生成周期为T，频率f＝1.000586MHz的信号，其可以让定时器先产生X次F1＝1MHz，再产生Y次F2＝1.012MHz的两种频率的信号。只要经过L个T周期，它们开始与结束时刻能够吻合，那么利用F1和F2合成信号的平均频率就等于f。使频率为F1和F2的两种信号交错排列，尽可能均匀分布，就实现了窄带调频。为了方便设计，在输出频率需要改变的情况下采用这种分频值序列的长度M＝X+Y为固定值的设计方案。

本实施方式中，频率分辨度的需要决定着分频值序列的长度M。如果用M个T1合成一个频率f1，相邻下一个频率f2使用M个T2合成，那么两个合成周期的步进差值Δ经过M次累计可以达到主时钟的一个周期t。即有：t＝M(1/f1-1/f2)，因此可以确定在输出频率需要改变情况下，分频值序列的长度M。

结合图3说明本实施方式，所述计算单元设计函数输入参数有合成目标频率、定时器时钟频率、分频值序列的长度三个参数，输出参数是这个频率对应的一个缓存区数组，在其中均匀填充了供每次DMA传送给ARR寄存器的分频值。具体过程为：

步骤一、输入合成目标频率、定时器时钟频率并确定分频值序列的长度M，计算数值N，采用N填充全部分频值序列缓存区；具体为：

在存贮器8的缓存区中存储分频值序列，如果分频值序列中所有数据均为N，则DRQ信号周期为T1；如果分频值序列中所有数据都为N+1，则DRQ信号周期为T2；对于要输出的周期为T的任意信号，存在以下比例关系：

式中，X为分频值序列中数值N的个数，Y为分频值序列中数值等于N+1的数值个数；计算X与Y的最简整数比之后，在输出频率固定不变的情况下，可获得分频值序列的长度M＝X+Y；因此对于输出不同频率的多套电路装置，它们的M值各不相同；

在所述存贮器8的缓存区中存储分频值数值是由N和N+1两种数值组成的分频值序列，所述N＝定时器时钟频率/合成目标频率-1；

步骤二、判断定时器时钟频率值是否能被合成目标频率值整除，如果是，执行步骤三；如果否，缓存区中的保存的分频数组中全为N，退出；

步骤三、步长K＝M/Y；设置变量i＝0；

步骤四、将分频数组下标为(i*K)位置的数值改为N+1，然后i值加1；

步骤五、判断i是否等于Y，如果是，则退出，获得按序排列的分频值数据；如果否，返回执行步骤四。

本实施方式中，因为涉及的数值范围不太大，所以用定点数计算来提高速度。为了减小定点计算误差，需要先算乘法，最后再算除法，还要注意防止乘法计算过程中可能数值过大的溢出。

本实施方式中，单片机型号为STM32F4系列的STM32F407，定时器有两组，其中TIM1和TIM8两个定时器输入高频168MHz时钟并支持DMA，低频84MHz时钟输入并支持DMA的定时器有TIM2、TIM3、TIM4、TIM5、TIM6和TIM7。因此单个芯片最多可以同时调制8套节目。合成高频需要更长的分频缓冲区，所以优先选择高频的定时器合成高频节目，剩下低频的定时器可合成其他低频节目。

为了使输出方波的占空比尽可能接近50％，设置定时器输出比较功能的管脚工作在翻转模式下，此时单片机这个管脚在芯片中被联接在一个D触发器的输出端，定时器输出比较信号接在这个D触发器的时钟端。因为每次定时器溢出时，管脚电平只翻转一次，所以输出频率是定时器溢出频率的一半。这相当于定时器输入的时钟频率降低了一半。

在定时器每次溢出重装载之前，及时变更重装载寄存器中数值，实现用N或N+1两个值交替分频。需要用到STM32F407单片机内部的定时器和DMA两个硬件设备。

本实施方式中，定时器溢出可以自动重装载，并且具有影子寄存器功能，对重装载寄存器的修改不会立即生效，直到下次定时器溢出时才能生效。这个特性可以保证定时器输出的方波周期不会被意外打断，在任何时刻都可以修改重装载寄存器。用定时器溢出触发DMA，再用DMA来修改重装载寄存器，只需软件为合成频率一次性准备好数据，剩下的工作就交给定时器和DMA硬件，此后不需要软件再进行干预，就能持续输出指定频率的信号，使***具有很高的运转效率。

本实施方式中，当定时器溢出时，生成Update更新事件，用于触发DMA控制器7，程序中必须注意，在设置其中任何一个设备之前，必须先把这两个硬件的时钟全部开启，否则可能导致两个硬件不能联动工作。以调用ST固件库函数设置DMA2和TIM8为例：

按照以下步骤设置型号为STM32F407的单片机，用单片机中的DMA2_Stream1部件向TIM8部件传输分频值序列，可实现TIM8通过单片机的PC7引脚向外输出精密频率信号；

步骤A、初始化DMA控制器7；

步骤B、启动DMA控制器7；

步骤C、设定由定时器的更新事件触发DMA控制器7；

步骤D、设定定时器的输出端口PC7引脚作为输出端6；

步骤E、将PC7引脚映射到定时器输出比较通道2的输出端上；

步骤F、启动定时器，并同时使能定时器的输出端口功能；

步骤G、启动定时器更新事件输出功能。

若上述步骤顺序不正确，则定时器与DMA控制器无法相互配合工作，就不能正确实现窄带调频功能。

结合图4说明本实施方式，节目的每个声音电压值都对应一个分频值序列，只要把这个序列的起始地址和长度设置到DMA，硬件就可以自动输出指定的频率。枚举所有声音电压值，对应其分频值序列全部保存在一个二维数组中。图4举例介绍用单片机中DMA2_Chan7_Stream1驱动TIM8产生中心频率为2000KHz的调频广播中频信号的原理。

中心频率2000KHz与声音电压值127对应，当声音电压值等于2时，对应的频率是1926.1719KHz。DMA控制器在每次TIM8溢出时，从这个电压值对应的数组中依次取得一个分频数据更新TIM8->ARR寄存器，即可输出1926.1719KHz频率。若声音电压发生改变，则更换其他的分频值序列用于DMA传输，硬件就自动输出相应的频率。

每当声音电压值变化时，理论上只需重设DMA控制器的内存读取地址，就可以合成相应的频率。然而因为对DMA的调整需要暂时打断DMA，所以这种方式会引入较大的相位噪声。因此采用DMA缓存区固定，变更缓存区数据的方式。具体就是让DMA控制器不停地传输一个固定缓存区中数据给定时器，每当声音电压值改变时，由软件复制新的分频值序列到这个缓存区，实现不打扰DMA，保证输出信号准确稳定。

本实施方式中，受单片机中定时器和DMA硬件限制，实际测试STM32F407单片机进行这种窄带调频的输出频率上限大约为7MHz。若设置输出频率过高，输出的方波会发生无规律的瞬时中断现象。也就是说，在本***中，单片机不受传统必须整数分频的限制，可以输出低于7MHz的任意频率。

本实施方式所述的合成装置，在窄带调频输出信号中，主要杂波是上下两个边频信号，只要调频指数足够小，边频振幅就可以非常小。若N分频数量与N+1分频数量相等，则边频振幅达到最大值，此时调频指数m可以计算：

m＝1/(2N+1)

因此当输出中心频率在2MHz附近的调频广播中频信号，N值为42，因此可计算出最差情况是：存在比输出信号高或低24KHz的上、下两个边频信号，其振幅为输出信号总振幅的0.6％；作为广播调制器使用时可忽略不计。

模拟V/F变换电路通常采用深负反馈的积分电路，所以精度较高，但是不容易分析一个实际电路的精度。而用单片机设计的变换精度可以直接计算。

在晶体时钟精度足够高时，数字V/F变换输出的频率精度由频率分辨度确定。分频缓存区越长，频率分辨度越高。然而用于2MHz中频的广播调制器时，因输入16KHz的声音采样电压信号，相邻两个数据的时间间隔62.5us，可以容纳2MHz频率的125个周期，因此分频缓存区长度超过125就失去意义了。实际***设计分频缓存区长度为96的所有电压对应的频率数据，可以看到在设计频率为2.030469MHz的误差最大，实际合成频率为2.030723MHz，相对误差为0.0125％。

即：若输出频率为F，分频值序列的长度M，则进行频率动态调整的最短极限周期G＝M/F；频率动态调整的周期必须大于最短极限周期；如果频率固定输出不进行动态调整，则不必考虑这个问题。如果强迫用比G更短的周期进行动态，则输出频率的精度将会下降，达不到原始计算分频值序列的长度为M时的设计要求。

本实施方式采用单片机设计的V/F变换器响应速度比较快，只要DMA把分频新数值送给了定时器，那么新频率立即生效。因此最大延迟时间为定时器的一个溢出周期。

本实施方式可以在设置之后无需软件干预，可以持续输出较高频率精度的方波，突破传统定时器分频的频率间隔限制。STM32F4系列单片机具有多个定时器，还支持复杂的DMA功能，可以实现一些无需软件干预就能自动工作的功能。在应用这种技术设计的多通道调频广播数字调制电路中，因为没有模拟电路环节，所以具有电路简单、体积小和免调试的优点，各节目之间隔离很好，不会相互串音。设备样机经过实际试用，效果良好。

Claims (5)

1.窄带调频数字精密频率合成装置，该装置由单片机实现，具体包括由***时钟(1)、计数器(2)、寄存器(3)和比较器(4)组成的定时器，D触发器(5)，输出端(6)，DMA控制器(7)，存贮器(8)，计算单元(9)和输入端(10)；其特征是：

频率数值从输入端(10)输入，经过计算单元(9)计算，获得分频值序列，保存在存贮器(8)中；

所述DMA控制器(7)每次收到DRQ请求信号时，从存贮器(8)中的分频值序列中取得一个数据，传输至寄存器(3)；

所述***时钟(1)输出频率为固定值，采用计数器(2)进行计数；所述比较器(4)对计数器(2)和寄存器(3)输出的数值进行比较，当两个数值不相等时，比较器(4)输出低电平；当两个数值相等时，所述比较器(4)输出高电平，并向D触发器(5)的时钟输入端发出上升沿信号，同时向计数器(2)发出清零信号，以及向DMA控制器(7)发出DRQ请求信号；

D触发器(5)的D输入端与Q反输出端连接，D触发器(5)的Q输入端与输出端(6)连接，实现在输出端(6)向合成装置外部输出精密频率信号；

所述计算单元(9)对频率数值计算，获得分频值序列的过程为：

步骤一、输入合成目标频率、定时器时钟频率并确定分频值序列的长度M，计算数值N，采用N填充全部分频值序列缓存区；具体为：

在存贮器(8)的缓存区中存储分频值序列，如果分频值序列中所有数据均为N，则DRQ信号周期为T1；如果分频值序列中所有数据都为N+1，则DRQ信号周期为T2；对于要输出的周期为T的任意信号，存在以下比例关系：

式中，X为分频值序列中数值N的个数，Y为分频值序列中数值等于N+1的数值个数；计算X与Y的最简整数比之后，获得分频值序列的长度M＝X+Y；

在所述存贮器(8)的缓存区中存储分频值数值是由N和N+1两种数值组成的分频值序列，所述N＝定时器时钟频率/合成目标频率-1；

步骤二、判断定时器时钟频率值是否能被合成目标频率值整除，如果是，执行步骤三；如果否，缓存区中的保存的分频数组中全为N，退出；

步骤三、步长K＝M/Y；设置变量i＝0；

步骤四、将分频数组下标为i*K位置的数值改为N+1，然后i值加1；

步骤五、判断i是否等于Y，如果是，则退出，获得按序排列的分频值数据；如果否，返回执行步骤四。

2.根据权利要求1所述的窄带调频数字精密频率合成装置，其特征在于：

当输出频率数值固定不变时，保存在存贮器(8)中的分频值序列只需计算一次不再改变；当输出频率数值发生改变，则每次频率数值改变均需要改变保存在存贮器(8)中的分频值序列。

3.根据权利要求1所述的窄带调频数字精密频率合成装置，其特征在于：所述DMA控制器(7)中设置有一个DMA地址寄存器，设置DMA控制器工作在循环模式下，DMA地址寄存器的起始地址为存贮器(8)中的分频值序列的首地址，DMA地址寄存器的结束地址为存贮器(8)中的分频值序列的末尾地址；每个DRQ请求信号传输一个数据，并且传输完成后DMA地址加1，当DMA地址寄存器累加达到DMA的结束地址时，DMA地址寄存器自动恢复成为DMA起始地址。

4.根据权利要求1所述的窄带调频数字精密频率合成装置，其特征在于：采用定时器溢出触发DMA控制器(7)，再采用DMA控制器(7)重新加载寄存器(3)，用DMA动态改变定时器下一次溢出时刻的方法实现调频；所述定时器按以下步骤触发DMA控制器(7)；

步骤A、初始化DMA控制器(7)；

步骤B、启动DMA控制器(7)；

步骤C、设定由定时器的更新事件触发DMA控制器(7)；

步骤D、设定定时器的输出端口PC7引脚作为输出端(6)；

步骤E、将PC7引脚映射到定时器输出比较通道的输出端上；

步骤F、启动定时器，并同时使能定时器的输出端口功能；

步骤G、启动定时器更新事件输出功能。

5.根据权利要求1所述的窄带调频数字精密频率合成装置，其特征在于：设定输出频率为F，分频值序列的长度M，则存在进行频率动态调整的最短极限周期G＝M/F，频率动态调整的周期必须大于最短极限周期。