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摘 要：本文设计了一种适合于矿井无线视频通信的接收器，该设备灵敏度强，保真度好，采用模块化设计，分别设计了低噪声放大器，本地振荡器，混频器，中频放大，视频输出模块。本文分别介绍了接收器器的各个模块的设计原理和方法，设计详细，通过对设备进行参数测试，鉴定设备的工作性能。
关键词：无线视频；灵敏度；接收器
中图分类号：TN919.82
1 无线视频接收器总体结构
无线视频接收机是无线视频发射的接收端，硬件上分为天线，低噪声放大器，本地振荡器，混频器，中频放大，视频输出模块，功能模块整体连接电路图如图1所示：
图1 接收模块总体框图
2 系统模块
2.1 低噪声放大器。低噪声放大器位于接收机最前端，这要求它的噪声越小越好，为了抑制后面各级噪声对系统的影响，还要求有一定的增益，但为了不使后面的混频器过载，产生非线性失真，它的增益又不宜过大。同时它接收的信号是很微弱的，所以低噪声放大器是一个小信号线性放大器，放大器的输入端须与天线很好的匹配，保证功率最大传输和最小噪声系数，同时它应具有一定的选频功能。
2.2 下变频模块。接收器的本振频率要与发射器的本振频率保持一致，才能真实地还原已调制信号。对应在接收分站的本振电路应采用与发射器相同的设计，同样采用PIC16C54C和LMX2331xA构成的本振电路。
接收机只是重点说明下变频电路设计，晶体管Q3，经低噪声放大器引入的高频信号电压与加到电阻器两端的本振电压在晶体管中进行混频，并由中频微带耦合变压器取出其中的差频，即可将高频输入信号变换为中频输出信号，并保证全波段的中频频率不变。晶体管变频器的优点是变频增益较高，输出与输入电路的隔离度好，常用于各种超外差电路中。
与晶体三极管混频器相适应的低通滤波电路由串连电感和并联电容组成π形低通滤波器。
图2 π形低通滤波器
其中：
（1）
π形滤波器的k参数：k1=15.88，k2=3180；
在电路原理图中可以看出，电容是C19=5pF，C21=1pF，总电容C=6pF；并联L=33nH。
代入上式得： = =15.88/（0.033）=481.2MHz
或 =3180/6=530MHz
所以，该低通滤波器的截至频率为480MHz左右。
2.3 中频放大电路。中频放大电路，是将混频器输出的中频信号进行放大的电路。其中的放大器件通常采用双栅极MOSFET，场效应管是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。场效应管的分类根据结构和工作原理的不同，场效应管可分为两大类：结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（IGFET）。信号通过栅极G1输入，栅极G2设成固定正偏压或连到作为增益控制信号的可变直流电压。
经过混频电路后得到的中频信号，经过电容耦合进中频放大电路。在经过两个具有自动增益控制的双栅极MOSFET放大器，进行信号的放大，自动增益控制可以稳定输出信号电平。
2.4 视频输出电路。从中频放大电路输出的视频信号经过耦合电容进入视频输出电路，由复合晶体管放大电路将信号进行放大，连接在晶体管基极和集电极的电阻为偏置电阻，以保证晶体管工作在放大区。然后再经过选频电路选择所需的信号；最后通过共集电极电路输出视频信号。共集电极电路也称为电压跟随器，其特点是：电压增益小于1而接近于1，输出电压与输入电压同相，输入电阻高，输出电阻低，能提高带负载能力。
图3、4的两个图片是摄像头捕获到的信号波形和最终解调输出的视频信号波形。从下两图可以看出视频输出前的信号与接收解调后的信号波形是一致的只是幅度有些差异。上面的波形是图像信号，下面的两个水平的信号是同步信号和消隐信号。
图3 CCD捕获到的信号波形 图4 调输出的视频信号波形
3 无线视频接收器性能分析
工作频带与通信容量：2.4-2.5GHz，中心射频频率为2.410GHz、2.430GHz、2.450GHz、2.470GHz，4个模拟通信通道；（1）调制方式与中频：调频，480MHz。（2）基带接口：输入信号：PAL，NTSL制式；（3）视频阻抗：75Ω。（4）通信距离：1000米，最佳通信距离500米。（5）发射功率：采用增益为3dB的全向天线，发射功率为20dBm；考虑到天线增益带来的功率变化，功率变化范围为15dBm-25dBm之间，功率的确定应当根据具体环境来确定。（6）频率精度：1ppm。（7）射频输出阻抗：50Ω。（8）矩形系数：0.4。（9）接收灵敏度：70dBm。
无线视频发射机调整在额定工作状态，将发射机开机加热到稳定工作状态后开始测量，频谱分析仪采用专用的2.4G虚拟频谱分析仪，测量接收端有40dB的微波衰减器，测量结果经过微波衰减器测得的功率值为-36dBm，频率值为2410.62MHz。虚拟频谱分析仪本身测量有一定的误差，最后结果要求校验表校对，功率准确值为15dBm。
4 小结
本章结合理论模型设计开发了频段为2.4GHz的无线视频通信系统，该系统经过测试，系统传输距离远，功耗小，性能好，并有效的避免井下人员定位、无线语音系统的干扰，完全适合应用于矿井机车监控系统。
参考文献：
[1]TARNGJ H，CHANGW R，HSU B J1Three2dimensional modeling of 900MHz and 2.144GHz radio propagation in corridors[J].IEEE Trans on Vehicular Technology，1997，7（5）：44-49.
[2]BULTITUDERJC，HAHNRF，DAVIES R J1Propagation considerations for the design of an indoor broad2band communications sys2tem at EHF[J].IEEE TransVehicularTechnology，1998，4（1）：25-27.
[3]谈德茂.微波中继通信[M].北京：水利电力出版社，1982.
[4]姚彦.数字微波中继通信[M].北京：人民邮电出版社，1981.
作者简介：杨勇（1981-），男，河北涉县人，教师，助教，硕士，研究方向：物联网应用技术。
作者单位：徐州工业职业技术学院，江苏徐州 221140；兖矿集团杨村煤矿，山东济宁 272118
关键词：无线视频；灵敏度；接收器
中图分类号：TN919.82
1 无线视频接收器总体结构
无线视频接收机是无线视频发射的接收端，硬件上分为天线，低噪声放大器，本地振荡器，混频器，中频放大，视频输出模块，功能模块整体连接电路图如图1所示：
图1 接收模块总体框图
2 系统模块
2.1 低噪声放大器。低噪声放大器位于接收机最前端，这要求它的噪声越小越好，为了抑制后面各级噪声对系统的影响，还要求有一定的增益，但为了不使后面的混频器过载，产生非线性失真，它的增益又不宜过大。同时它接收的信号是很微弱的，所以低噪声放大器是一个小信号线性放大器，放大器的输入端须与天线很好的匹配，保证功率最大传输和最小噪声系数，同时它应具有一定的选频功能。
2.2 下变频模块。接收器的本振频率要与发射器的本振频率保持一致，才能真实地还原已调制信号。对应在接收分站的本振电路应采用与发射器相同的设计，同样采用PIC16C54C和LMX2331xA构成的本振电路。
接收机只是重点说明下变频电路设计，晶体管Q3，经低噪声放大器引入的高频信号电压与加到电阻器两端的本振电压在晶体管中进行混频，并由中频微带耦合变压器取出其中的差频，即可将高频输入信号变换为中频输出信号，并保证全波段的中频频率不变。晶体管变频器的优点是变频增益较高，输出与输入电路的隔离度好，常用于各种超外差电路中。
与晶体三极管混频器相适应的低通滤波电路由串连电感和并联电容组成π形低通滤波器。
图2 π形低通滤波器
其中：
（1）
π形滤波器的k参数：k1=15.88，k2=3180；
在电路原理图中可以看出，电容是C19=5pF，C21=1pF，总电容C=6pF；并联L=33nH。
代入上式得： = =15.88/（0.033）=481.2MHz
或 =3180/6=530MHz
所以，该低通滤波器的截至频率为480MHz左右。
2.3 中频放大电路。中频放大电路，是将混频器输出的中频信号进行放大的电路。其中的放大器件通常采用双栅极MOSFET，场效应管是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。场效应管的分类根据结构和工作原理的不同，场效应管可分为两大类：结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（IGFET）。信号通过栅极G1输入，栅极G2设成固定正偏压或连到作为增益控制信号的可变直流电压。
经过混频电路后得到的中频信号，经过电容耦合进中频放大电路。在经过两个具有自动增益控制的双栅极MOSFET放大器，进行信号的放大，自动增益控制可以稳定输出信号电平。
2.4 视频输出电路。从中频放大电路输出的视频信号经过耦合电容进入视频输出电路，由复合晶体管放大电路将信号进行放大，连接在晶体管基极和集电极的电阻为偏置电阻，以保证晶体管工作在放大区。然后再经过选频电路选择所需的信号；最后通过共集电极电路输出视频信号。共集电极电路也称为电压跟随器，其特点是：电压增益小于1而接近于1，输出电压与输入电压同相，输入电阻高，输出电阻低，能提高带负载能力。
图3、4的两个图片是摄像头捕获到的信号波形和最终解调输出的视频信号波形。从下两图可以看出视频输出前的信号与接收解调后的信号波形是一致的只是幅度有些差异。上面的波形是图像信号，下面的两个水平的信号是同步信号和消隐信号。
图3 CCD捕获到的信号波形 图4 调输出的视频信号波形
3 无线视频接收器性能分析
工作频带与通信容量：2.4-2.5GHz，中心射频频率为2.410GHz、2.430GHz、2.450GHz、2.470GHz，4个模拟通信通道；（1）调制方式与中频：调频，480MHz。（2）基带接口：输入信号：PAL，NTSL制式；（3）视频阻抗：75Ω。（4）通信距离：1000米，最佳通信距离500米。（5）发射功率：采用增益为3dB的全向天线，发射功率为20dBm；考虑到天线增益带来的功率变化，功率变化范围为15dBm-25dBm之间，功率的确定应当根据具体环境来确定。（6）频率精度：1ppm。（7）射频输出阻抗：50Ω。（8）矩形系数：0.4。（9）接收灵敏度：70dBm。
无线视频发射机调整在额定工作状态，将发射机开机加热到稳定工作状态后开始测量，频谱分析仪采用专用的2.4G虚拟频谱分析仪，测量接收端有40dB的微波衰减器，测量结果经过微波衰减器测得的功率值为-36dBm，频率值为2410.62MHz。虚拟频谱分析仪本身测量有一定的误差，最后结果要求校验表校对，功率准确值为15dBm。
4 小结
本章结合理论模型设计开发了频段为2.4GHz的无线视频通信系统，该系统经过测试，系统传输距离远，功耗小，性能好，并有效的避免井下人员定位、无线语音系统的干扰，完全适合应用于矿井机车监控系统。
参考文献：
[1]TARNGJ H，CHANGW R，HSU B J1Three2dimensional modeling of 900MHz and 2.144GHz radio propagation in corridors[J].IEEE Trans on Vehicular Technology，1997，7（5）：44-49.
[2]BULTITUDERJC，HAHNRF，DAVIES R J1Propagation considerations for the design of an indoor broad2band communications sys2tem at EHF[J].IEEE TransVehicularTechnology，1998，4（1）：25-27.
[3]谈德茂.微波中继通信[M].北京：水利电力出版社，1982.
[4]姚彦.数字微波中继通信[M].北京：人民邮电出版社，1981.
作者简介：杨勇（1981-），男，河北涉县人，教师，助教，硕士，研究方向：物联网应用技术。
作者单位：徐州工业职业技术学院，江苏徐州 221140；兖矿集团杨村煤矿，山东济宁 272118