一种适用于电视频段的接收系统

郑争兵

(陕西理工学院电信工程系，陕西 汉中 723003)

0 引言

目前，IEEE 802.22工作组将分配给电视广播VHF/UHF频带(北美为54～862 MHz)的频谱资源用作宽带接入信道［1］，采用了认知无线电技术对电视频段进行感知和测量，利用动态频谱管理技术找到空闲的电视频谱进行再分配。由于认知无线电技术具有频谱感知能力，能够充分利用频谱资源来提高频谱的利用率，认知无线电技术受到了人们的广泛关注［2］。在我国无线电视频道划分为VHF波段和UHF波段，其中VHF波段频率范围为48.5～99 MHz，167～223 MHz，UHF 波段频率范围为470～566 MHz，606～958 MHz，总计68个频道，占用频谱资源共约550 MHz，然而实际正在使用的无线电视频道利用率不到30%。如果能充分利用电视频道中的闲置频段，必将大大提高频谱利用率。因此，为了便于今后在体制上和国际接轨以及更进一步研究认知无线电技术，提出了一种适合于电视视频的接收系统。该系统具有检测空闲广播电视频道的能力。

1 系统设计

接收系统采用的是软件无线电的硬件体系结构。软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线通信的各种功能［3－4］。由于受到目前A/D器件带宽和处理器处理能力的限制，实现射频采样比较困难，采用中频采样的软件无线电结构，其系统硬件结构如图1所示。

该硬件系统结构包括射频单元、模拟中频处理单元、宽带A/D转换单元、数字下变频器和高速信号处理器。考虑到系统的实现难度，射频单元使用数字电视接收高频头TDM1316AL，射频输入的信号为电视全频段(51～858 MHz)，输出信号为36 MHz中心频率、8 MHz带宽的模拟中频信号［5］。模拟中频处理单元主要是模拟中频信号进行增益放大和带通滤波。为了保证系统有足够大的动态范围，采用的是增益可变的宽带AD8369和固定增益的宽带AD8350。通过灵活地调整增益大小，使信号送往A/D转换以前在一个合适幅度范围，以充分发挥AD9433芯片性能。根据高频头输出信号的频率和带宽，声表面滤波器选择LBN03601，该器件中心频率36.15 MHz，3 dB带宽8.12 MHz［6］。宽带A/D转换单元实现中频模拟信号的数字化。数字下变频器GC1012B将数字中频信号变频到基带信号，以I，Q两路输出到高速信号处理器。高速信号处理器采用“FPGA+DSP”架构，利用两者各自的优势，实现基带部分的同步、解调、空闲电视频道检测等算法，并完成中频器件的初始化和自动增益控制。

图1 硬件结构图

1.1 模拟中频增益分配方案

模拟中频处理单元主要对捷变高频头输出的模拟中频信号进行适当的放大和滤波，以便ADC能够发挥更好的性能［7］。为提供较灵活的增益调整范围并满足系统增益控制的要求，需要对放大增益合理分配。根据电视高频头TDM1316AL的中频输出范围是－40～+9 dBm和ADC器件AD9433的满量程差模输入是2 V峰值(＜13 dBm)，本方案使用了一片AD8369、一片AD8350、声表面波滤波器件LBN03601以及1∶4阻抗变换器XFM－0701－4W。具体的放大增益分配如图2所示。

图2 模拟中频增益分配框图

输入输出阻抗RL=200 Ω时，AD8369的运放增益为－10 ～ +35 dB，动态范围在 45 dB［8］;声表面波滤波器LBN03601插入损耗27.8 dB;XFM－0701－4W是1∶4阻抗变换器，应用频率范围是3.5～700 MHz，插入损耗约为1.7 dB［9］。输入输出阻抗 RL=200 Ω 时，AD8350 的固定增益20 dB，AD8350的输出1 dB压缩点是17.4 dBm，足以满足ADC器件满量程输入的需要。根据器件的特点估算可知:中频自动增益控制AGC的范围－21.2～+23.8 dB，动态范围在45 dB。该设计方案具有一定的灵活性。如果要求扩大增益的控制范围，只需要在此电路的基础上级联一片AD8369就可以增加45 dB的动态范围。

1.2 中频采样方案

为了实现中频数字化，需要对模拟中频信号直接进行采样，这要求A/D器件要有较高的采样速率和工作带宽。同时，为了适应复杂的电磁环境，A/D器件还需要有较大的动态范围。在本系统中，模拟中频信号的中心频率为36 MHz，带宽为8 MHz。对该中频信号进行采样，可以考虑低通采样和带通采样两种方案。如果使用低通采样方案，为了保证采样信号的信噪比，将采样频率定为信号最高频率的2.5倍，则采样时钟近100 MHz，100 MSample/s(兆采样/秒)采样点的中频数字信号对后续的数字下变频和基带信号处理器会带来很大的运算压力和存储压力。如果使用带通采样方案，为了保证频谱不发生混叠，采样频率fS、信号最高频率fH、最低频率fL必须满足以下条件［10］

对于36.13 MHz中心频率，8 MHz带宽的信号，fH=40.13 MHz，fL=32.13 MHz，可选的带通采样频率范围如表1所示，带通采样可以明显降低采样率。

表1 可选的带通采样频率范围

提高ADC的采样速率可以获得ADC的信噪比增益［11］，所以在本系统中，尽可能选择比较大的采样率fS对中频信号进行带通采样。同时，为了在数字下变频过程中有较好的滤波效果，带通采样获得的信号的镜像频谱与保留频谱之间的距离应尽可能大，那么对后续的抗混叠数字滤波器的阶数要求比较低。另外考虑到AD9433的性能、GC1012B的处理能力以及高速信号传输和处理给硬件电路的实现带来的影响，fS不宜过高。最终选择k=2的采样方案，采样率为51.2 MHz。

1.3 数字下变频方案

数字下变频器GC1012B主要由数字混频单元、抗混叠滤波单元和抽取单元3部分组成。数字混频单元主要是将AD9433采样之后的数字中频信号进行频谱搬移，搬移后的信号为基带复信号;抗混叠滤波单元的任务是把数字混频后的复信号的镜像频谱滤掉;滤波后的数据率仍然是输入数据采样率，抽取单元根据信号过采样程度适当抽取，输出即为低数据率的数字复基带信号。在本系统中，采样频率为51.2 MHz，基带带宽为6.4 MHz，中频模拟信号的中心频率36 MHz，中频信号变频至基带，进行4倍抽取并翻转频谱，以实数形式交替输出I/Q两路数据。频谱变换过程如图3所示。其中F表示信号对应的实际频率，f表示经采样频率归一化后的频率。图3a是中心频率为36 MHz、带宽为6.4 MHz的模拟信号频谱图。以51.2 MHz频率采样该信号，该信号将以采样频率51.2 MHz进行周期延拓，图3b是采样后信号在第一奈奎斯特区的频谱。信号经过数字下变频，信号频谱左移15.2 MHz，如图3c所示。图3d是图3c信号经低通滤波后只保留零频处的低频信号频谱。4倍抽取后的复基带信号频谱如图3e所示，可以看到信号的数字频谱展宽了4倍。为保证信号经4倍抽取后频谱无混叠，必须设置低通滤波的数字带宽为1/16。

图3 数字下变频频谱变换过程

根据数字下变频方案，需对GC1012B的16个8 bit的片上寄存器进行相应的配置:数字混频搬移的频率值通过寄存器0～3设定，频率字计算如

式中:F是目标搬移频率，即期望的模拟频谱的搬移量;FCK是采样率;输出数据可以选择实数或者复数形式［12］，实数形式输出时数据率为FO=2FCK/D，复数形式输出数据率为FO=FCK/D。

2 系统调试

为了确定接收系统是否符合设计的要求，利用广播电视信号对系统进行了测试，具体的测试过程如下:首先，对系统的各个模块进行调试，调试完成后将高频头、中频处理单位、AD9433、数字下变频器GC1012B和FPGA+DSP基带处理单位进行系统集成。接着，使用高性能的宽带频谱分析仪对686～694 MHz的电视频道信号进行扫频检测，测得该频段的电视信号频谱如图4所示。可以看到该电视信号占用8 MHz带宽，具有两个幅度相差较大的波峰，频谱的结构与电视信号的理论频谱一致。最后，使用接收系统接收电视信号。通过DSP对电视高频头进行参数配置将其接收频道定为686～694 MHz，基带单元DSP对接收到的信号进行FFT处理，利用TI公司的CCS开发环境得到的信号频谱如图5所示［13］。对图4和图5进行对比可以发现:接收系统得到的信号频谱的结构特征和频谱分析仪得到的信号频谱结构特征一致，接收系统接收到的信号是电视信号;接收系统能够检测到正在广播的电视信号，并且具有传输电视信号的能力。

图4 频谱分析仪接收到的信号频谱(截图)

图5 接收系统得到的信号频谱(截图)

3 小结

设计了一种基于软件无线电思想的接收系统。针对实际工程应用进行了工作测试，证明系统满足了设计要求。该系统可以作为认知无线电的接收终端，在现有的电视频道上，检测空闲的广播电视频道，对空闲电视频道进行动态频谱管理，从而验证了认知无线电技术。

［1］CORDEIRO C，CHALLAPALI K.IEEE 802.22:the first worldwide wireless standard based on cognitive radios［C］//Proc.2005 First IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks.［S.l.］:IEEE Press，2005:328 －337.

［2］赵勇.认知无线电的发展与应用［J］.电视技术，2009，34(6):93－94.

［3］杨小牛，楼才义，徐建良.软件无线电原理与应用［M］.北京:电子工业出版社，2000.

［4］钮心忻，杨义先.软件无线电技术与应用［M］.北京:北京邮电大学出版社，2000.

［5］PHILIPS.TDM1300AL Product specification［EB/OL］.［2011－04－03］.http://wenku.baidu.com/view/43ece328cfc789eb172dc8ea.html?from=related.

［6］信息产业部第26研究所.LBN03601声表面波滤波器技术手册［EB/OL］.［2011 －04 －21］.http://www.soiseek.cn/SIPAT/LBN03601/.

［7］马战刚，张宇平，孙弋.大动态范围AGC电路在接收机中的应用［J］.半导体技术，2010，35(2):191－192.

［8］ADI Corporation.AD8369 Data Sheet［EB/OL］. ［2011－04－20］.http://www.analog.com/zh/specialty－amplifiers/variable－gain－amplifiers/ad8369/products/product.html.

［9］Premier Devices Corporation.XFM －0701－4W data sheet［EB/OL］.［2011－04－18］.http://www.ic2ic.com/.

［10］刘丽华，赵宗印.软件无线电中的带通采样分析［J］.无线电工程，2007，31(1):26 －27.

［11］王萍，李小京.利用过采样法提高A/D分辨率和信噪比［J］.仪器仪表学报，2002，23(3):1 －2.

［12］Texas Instruments.GC1012B 3.3V digital tuner chip datasheet［EB/OL］.［2011－04－15］.http://focus－ webapps.ti.com.

［13］季方慧，王飞，何佩琨.TMS320C6000系列DSPs原理与应用［M］.2版.北京:电子工业出版社，2003.