顧 磊

(上饒師范學(xué)院,江西 上饒 334001)

引言

目前,我國數(shù)字衛(wèi)星廣播主要工作在C波段,采用DVB-S制式[1]。DVB-S方式是符合歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)ETS 300 421的數(shù)字衛(wèi)星廣播方式,是目前數(shù)字衛(wèi)星廣播的主流方式。它采用的信號調(diào)制方式是四相相移鍵控(QPSK)[2]。QPSK調(diào)制方式因?yàn)榫哂邪j(luò)恒定、功率效率高、對傳送途徑的信噪比要求不高等特點(diǎn)而常用于數(shù)字衛(wèi)星電視廣播系統(tǒng)。本文將探討基于QPSK數(shù)字調(diào)制方式的C波段衛(wèi)星電視射頻接收系統(tǒng),在Agilent公司的ADS(Advanced Design System)軟件環(huán)境下,利用諧波平衡[3]、電路包絡(luò)[4～5]等仿真方法分析接收機(jī)系統(tǒng)性能。

1 接收系統(tǒng)方案

接收機(jī)的方案主要有零中頻方案、超外差方案[6]等。

零中頻方案中,射頻信號直接轉(zhuǎn)換為模擬基帶I/Q信號,然后再進(jìn)行解調(diào)。其主要特點(diǎn)是:沒有鏡頻干擾,不需要片外高Q值的帶通濾波器,所以很容易實(shí)現(xiàn)單片集成;存在直流偏差、本振泄漏等問題。

超外差方案中,射頻信號轉(zhuǎn)換為中頻,再轉(zhuǎn)換為模擬基帶I/Q信號,然后再進(jìn)行解調(diào)。這種方案有三方面的優(yōu)點(diǎn):首先,可以將接收到的微弱信號分別在射頻、中頻部分進(jìn)行放大,中頻高增益放大器要比射頻高增益放大器容易實(shí)現(xiàn);其次,在中頻實(shí)現(xiàn)信道選擇比在射頻上實(shí)現(xiàn)對濾波器Q值要求低得多;第三,在中頻上解調(diào)相對容易。超外差接收機(jī)的最大缺點(diǎn)就是組合干擾頻率多。

總的來說,零中頻方案易于集成,但性能指標(biāo)不如超外差方案。所以,我們采用超外差方案并對接收機(jī)的各個(gè)組成部分進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.1 基帶信號

模擬的音頻和視頻信號經(jīng)信源編碼器,生成壓縮過的數(shù)字信號。然后,復(fù)接器將音頻數(shù)據(jù)包,視頻數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包組合在一起,形成一個(gè)整體的數(shù)據(jù)信號,再送入信道編碼器。信道編碼器輸出的是矩形基帶脈沖信號,為了實(shí)現(xiàn)無符號間干擾,需將它的頻譜設(shè)計(jì)成升余弦滾降形狀的基帶信號。理論上來說,基帶信號的帶寬為:BW=SR(1+α)。式中,SR為QPSK符號率,單位是symb/s,α是升余弦滾降濾波器的滾降系數(shù)。本文取SR=20Msymb/s,α=0.2。

1.2 接收機(jī)輸入信號源

C波段的衛(wèi)星下行頻率是3700～4200MHz,帶寬500MHz,其內(nèi)采用了頻分復(fù)用技術(shù),共24個(gè)信道,相鄰信道中心頻率間隔為19.18 MHz。本文分析的信道中心頻率為3996MHz。接收機(jī)輸入信號源如圖1所示,I、Q兩路基帶信號經(jīng)升余弦滾降濾波后,分別調(diào)制在3996MHz的兩正交載波上,合成QPSK信號。

圖1 輸入信號源

1.3 室外單元

圖2 室外單元結(jié)構(gòu)

室外單元又稱高頻頭,是衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,決定著接收系統(tǒng)整機(jī)噪聲性能。其主要工作原理是:接收到的微弱信號加到低噪聲放大器(LNA)輸入端,被低噪聲寬頻帶地放大后,經(jīng)鏡頻抑制濾波器抑制鏡頻干擾,在第一混頻器里與第一本振信號進(jìn)行混頻得第一中頻信號,再經(jīng)前置第一中頻放大器,由射頻電纜送給室內(nèi)單元。高頻頭結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中本振頻率為5.15GHz,第一中頻頻率1.154GHz。

1.4 室內(nèi)單元

由射頻電纜輸出的第一中頻信號先經(jīng)過第一帶通濾波器(電調(diào)諧窄帶濾波器),抑制鏡頻干擾和防止第二本振信號泄漏,再經(jīng)后置第一中頻放大器放大,以補(bǔ)償前面各種損耗。第二本振頻率和前面的電調(diào)諧窄帶濾波器中心頻率實(shí)現(xiàn)統(tǒng)調(diào),以獲得固定的第二中頻70MHz。本文中,第二本振頻率設(shè)定為1.224GHz,電調(diào)諧窄帶濾波器中心頻率設(shè)定為1.154GHz。第二中頻信號再經(jīng)第二帶通濾波,送入帶自動(dòng)增益控制的第二中頻放大器,輸出幅度基本穩(wěn)定的信號。之后,再進(jìn)行IQ解調(diào),輸出I、Q兩路基帶信號。室內(nèi)單元結(jié)構(gòu)如圖3所示:

圖3 室內(nèi)單元結(jié)構(gòu)

2 接收系統(tǒng)性能分析

2.1 高頻頭性能分析

由于天線接收到的電信號十分微弱,高頻頭性能的好壞,極大地影響接收系統(tǒng)的總體指標(biāo)。對高頻頭的幾個(gè)重要指標(biāo)分析如下:

2.1.1 噪聲溫度和增益

高頻頭的噪聲溫度決定了整機(jī)的噪聲溫度。高頻頭的噪聲溫度愈低,整機(jī)的噪聲溫度愈低,接收微弱信號的靈敏度愈高,圖象質(zhì)量愈好。同時(shí),高頻頭需要足夠高的增益,才能把微弱信號放大到室內(nèi)單元所需的輸入電平。高頻頭增益應(yīng)計(jì)及低噪聲放大器功率增益、鏡頻抑制濾波器損耗、第一混頻器損耗和第一中放增益。當(dāng)輸入信號電平為-91dbm且溫度為室溫300K時(shí),仿真得到的系統(tǒng)噪聲溫度為54.783K,總增益為65dB。

2.1.2 鏡頻抑制度

鏡頻干擾信號如果能加到混頻器的輸入端,混頻器就能將其頻率變換為中頻,和有用中頻信號混在一起。因此,要在混頻器前加上鏡像抑制濾波器[7～8]。當(dāng)有用信號和鏡頻干擾信號輸入電平均為-91dbm時(shí),鏡頻抑制效果如圖4所示,其中1.154GHz為3.996 GHz的有用信號下變頻所得,1.155GHz為6.305GHz的鏡頻干擾信號下變頻所得(在仿真中,為了分析鏡頻抑制度,特意把鏡頻信號錯(cuò)開1MHz,設(shè)置為6.305GHz,以便在混頻器輸出的中頻信號里區(qū)分出有用和無用信號)?？梢?中頻輸出信號中有用信號電平為-26dbm,鏡頻干擾信號電平為-78.707dbm,鏡頻抑制度達(dá)52.707dB。

2.1.3 飽和輸入電平

當(dāng)系統(tǒng)的輸入功率較低時(shí),輸出功率與輸入功率成比例關(guān)系。然而,當(dāng)輸入功率超過一定的量值之后,系統(tǒng)增益開始下降,最終結(jié)果是輸出功率達(dá)到飽和。定義系統(tǒng)增益比其小信號增益低1dB時(shí)對應(yīng)的輸入電平稱為飽和輸入電平。當(dāng)輸入電平在-96～-40dbm范圍內(nèi)變化時(shí),高頻頭總增益變化曲線如圖5所示。可見,當(dāng)輸入電平為-41.5dbm時(shí),系統(tǒng)增益降為63.995dB。此飽和輸入電平指標(biāo)遠(yuǎn)高于實(shí)際輸入電平,余量很大。

圖4 第一中頻輸出信號頻譜

圖5 高頻頭總增益變化曲線

2.2 自動(dòng)增益控制電路(AGC)性能

由于各種原因,接收機(jī)輸入信號變化范圍很大。為了保證接收微弱信號時(shí)系統(tǒng)有較好的信噪比,而接收強(qiáng)信號時(shí)不會(huì)出現(xiàn)阻塞抑制現(xiàn)象,接收機(jī)就必須采用自動(dòng)增益控制電路,自動(dòng)調(diào)節(jié)中頻放大器增益,保證中頻輸出信號幅度基本穩(wěn)定。衛(wèi)星電視接收機(jī)的自動(dòng)增益控制電路,通常是從第二中頻放大器的輸出端取一部分信號,經(jīng)過AGC檢波、濾波,變換成與第二中頻輸出信號的載波電壓振幅成正比的直流電壓信號。此直流電壓信號再經(jīng)過直流放大和AGC門限控制(延遲式AGC)[9]及驅(qū)動(dòng)放大后,饋給第二中頻放大器自動(dòng)增益控制級,從而達(dá)到控制增益、穩(wěn)定中頻輸出信號幅度的目的。本文設(shè)計(jì)的AGC電路,對應(yīng)圖3的AGC模塊,具體電路在其子電路圖中,因篇幅問題未給出。當(dāng)AGC環(huán)路中的基準(zhǔn)信號電壓取0.6v時(shí),第二中頻輸出信號的載波幅度曲線如圖6所示?？梢钥闯?在60納秒的響應(yīng)時(shí)間后,曲線基本穩(wěn)定在0.6v左右。

2.3 譜信號仿真

調(diào)制在3996MHz上的帶寬為20MHz左右的QPSK譜信號,如圖7所示。經(jīng)過接收機(jī),解調(diào)出的I、Q兩路基帶譜信號如圖8所示。

圖7表明,傳輸?shù)幕鶐ёV信號具有快速高頻滾降的頻譜特性,即除主瓣外,只有很小的旁瓣。這說明QPSK數(shù)字調(diào)制方式能充分地節(jié)省頻譜。比較圖8可知,解調(diào)出的I、Q兩路基帶信號旁瓣功率仍然遠(yuǎn)小于主瓣功率,且頻譜沒有擴(kuò)展。通過譜信號仿真,驗(yàn)證了射頻接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

圖6 第二中頻輸出信號載波幅度

圖7 傳輸?shù)幕鶐ёV信號

圖8 解調(diào)出的I、Q路基帶譜信號

3 結(jié)論

本文提出了一種基于QPSK數(shù)字調(diào)制方式的C波段衛(wèi)星電視射頻接收系統(tǒng)方案。詳細(xì)論述了接收系統(tǒng)原理,并對電路結(jié)構(gòu)做了比較全面的分析。應(yīng)用ADS軟件構(gòu)造了接收機(jī)的各個(gè)功能模塊,并進(jìn)行了整個(gè)接收鏈路的系統(tǒng)級仿真。仿真結(jié)果為:高頻頭性能方面,噪聲溫度為54.783K,增益為65dB,鏡頻抑制度達(dá)52.707dB,飽和輸入電平達(dá)-41.5dbm;AGC響應(yīng)時(shí)間為60納秒;解調(diào)出的I、Q兩路基帶譜信號旁瓣抑制度達(dá)40dB以上。結(jié)果表明,本文提出的接收系統(tǒng)具有噪聲溫度低、增益高、鏡頻抑制度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、AGC響應(yīng)時(shí)間短、譜信號旁瓣抑制度高等優(yōu)點(diǎn),大大縮短了設(shè)計(jì)周期,并為最終硬件實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)。

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