C波段数字卫星电视射频接收系统ADS设计与仿真

顾 磊

(上饶师范学院,江西 上饶 334001)

引言

目前,我国数字卫星广播主要工作在C波段,采用DVB-S制式[1]。DVB-S方式是符合欧洲电信标准ETS 300 421的数字卫星广播方式,是目前数字卫星广播的主流方式。它采用的信号调制方式是四相相移键控(QPSK)[2]。QPSK调制方式因为具有包络恒定、功率效率高、对传送途径的信噪比要求不高等特点而常用于数字卫星电视广播系统。本文将探讨基于QPSK数字调制方式的C波段卫星电视射频接收系统,在Agilent公司的ADS(Advanced Design System)软件环境下,利用谐波平衡[3]、电路包络[4～5]等仿真方法分析接收机系统性能。

1 接收系统方案

接收机的方案主要有零中频方案、超外差方案[6]等。

零中频方案中,射频信号直接转换为模拟基带I/Q信号,然后再进行解调。其主要特点是:没有镜频干扰,不需要片外高Q值的带通滤波器,所以很容易实现单片集成;存在直流偏差、本振泄漏等问题。

超外差方案中,射频信号转换为中频,再转换为模拟基带I/Q信号,然后再进行解调。这种方案有三方面的优点:首先,可以将接收到的微弱信号分别在射频、中频部分进行放大,中频高增益放大器要比射频高增益放大器容易实现;其次,在中频实现信道选择比在射频上实现对滤波器Q值要求低得多;第三,在中频上解调相对容易。超外差接收机的最大缺点就是组合干扰频率多。

总的来说,零中频方案易于集成,但性能指标不如超外差方案。所以,我们采用超外差方案并对接收机的各个组成部分进行详细分析。

1.1 基带信号

模拟的音频和视频信号经信源编码器,生成压缩过的数字信号。然后,复接器将音频数据包,视频数据包和数据数据包组合在一起,形成一个整体的数据信号,再送入信道编码器。信道编码器输出的是矩形基带脉冲信号,为了实现无符号间干扰,需将它的频谱设计成升余弦滚降形状的基带信号。理论上来说,基带信号的带宽为:BW=SR(1+α)。式中,SR为QPSK符号率,单位是symb/s,α是升余弦滚降滤波器的滚降系数。本文取SR=20Msymb/s,α=0.2。

1.2 接收机输入信号源

C波段的卫星下行频率是3700～4200MHz,带宽500MHz,其内采用了频分复用技术,共24个信道,相邻信道中心频率间隔为19.18 MHz。本文分析的信道中心频率为3996MHz。接收机输入信号源如图1所示,I、Q两路基带信号经升余弦滚降滤波后,分别调制在3996MHz的两正交载波上,合成QPSK信号。

图1 输入信号源

1.3 室外单元

图2 室外单元结构

室外单元又称高频头,是卫星电视接收系统的关键部件,决定着接收系统整机噪声性能。其主要工作原理是:接收到的微弱信号加到低噪声放大器(LNA)输入端,被低噪声宽频带地放大后,经镜频抑制滤波器抑制镜频干扰,在第一混频器里与第一本振信号进行混频得第一中频信号,再经前置第一中频放大器,由射频电缆送给室内单元。高频头结构如图2所示,其中本振频率为5.15GHz,第一中频频率1.154GHz。

1.4 室内单元

由射频电缆输出的第一中频信号先经过第一带通滤波器(电调谐窄带滤波器),抑制镜频干扰和防止第二本振信号泄漏,再经后置第一中频放大器放大,以补偿前面各种损耗。第二本振频率和前面的电调谐窄带滤波器中心频率实现统调,以获得固定的第二中频70MHz。本文中,第二本振频率设定为1.224GHz,电调谐窄带滤波器中心频率设定为1.154GHz。第二中频信号再经第二带通滤波,送入带自动增益控制的第二中频放大器,输出幅度基本稳定的信号。之后,再进行IQ解调,输出I、Q两路基带信号。室内单元结构如图3所示:

图3 室内单元结构

2 接收系统性能分析

2.1 高频头性能分析

由于天线接收到的电信号十分微弱,高频头性能的好坏,极大地影响接收系统的总体指标。对高频头的几个重要指标分析如下:

2.1.1 噪声温度和增益

高频头的噪声温度决定了整机的噪声温度。高频头的噪声温度愈低,整机的噪声温度愈低,接收微弱信号的灵敏度愈高,图象质量愈好。同时,高频头需要足够高的增益,才能把微弱信号放大到室内单元所需的输入电平。高频头增益应计及低噪声放大器功率增益、镜频抑制滤波器损耗、第一混频器损耗和第一中放增益。当输入信号电平为-91dbm且温度为室温300K时,仿真得到的系统噪声温度为54.783K,总增益为65dB。

2.1.2 镜频抑制度

镜频干扰信号如果能加到混频器的输入端,混频器就能将其频率变换为中频,和有用中频信号混在一起。因此,要在混频器前加上镜像抑制滤波器[7～8]。当有用信号和镜频干扰信号输入电平均为-91dbm时,镜频抑制效果如图4所示,其中1.154GHz为3.996 GHz的有用信号下变频所得,1.155GHz为6.305GHz的镜频干扰信号下变频所得(在仿真中,为了分析镜频抑制度,特意把镜频信号错开1MHz,设置为6.305GHz,以便在混频器输出的中频信号里区分出有用和无用信号)。可见,中频输出信号中有用信号电平为-26dbm,镜频干扰信号电平为-78.707dbm,镜频抑制度达52.707dB。

2.1.3 饱和输入电平

当系统的输入功率较低时,输出功率与输入功率成比例关系。然而,当输入功率超过一定的量值之后,系统增益开始下降,最终结果是输出功率达到饱和。定义系统增益比其小信号增益低1dB时对应的输入电平称为饱和输入电平。当输入电平在-96～-40dbm范围内变化时,高频头总增益变化曲线如图5所示。可见,当输入电平为-41.5dbm时,系统增益降为63.995dB。此饱和输入电平指标远高于实际输入电平,余量很大。

图4 第一中频输出信号频谱

图5 高频头总增益变化曲线

2.2 自动增益控制电路(AGC)性能

由于各种原因,接收机输入信号变化范围很大。为了保证接收微弱信号时系统有较好的信噪比,而接收强信号时不会出现阻塞抑制现象,接收机就必须采用自动增益控制电路,自动调节中频放大器增益,保证中频输出信号幅度基本稳定。卫星电视接收机的自动增益控制电路,通常是从第二中频放大器的输出端取一部分信号,经过AGC检波、滤波,变换成与第二中频输出信号的载波电压振幅成正比的直流电压信号。此直流电压信号再经过直流放大和AGC门限控制(延迟式AGC)[9]及驱动放大后,馈给第二中频放大器自动增益控制级,从而达到控制增益、稳定中频输出信号幅度的目的。本文设计的AGC电路,对应图3的AGC模块,具体电路在其子电路图中,因篇幅问题未给出。当AGC环路中的基准信号电压取0.6v时,第二中频输出信号的载波幅度曲线如图6所示。可以看出,在60纳秒的响应时间后,曲线基本稳定在0.6v左右。

2.3 谱信号仿真

调制在3996MHz上的带宽为20MHz左右的QPSK谱信号,如图7所示。经过接收机,解调出的I、Q两路基带谱信号如图8所示。

图7表明,传输的基带谱信号具有快速高频滚降的频谱特性,即除主瓣外,只有很小的旁瓣。这说明QPSK数字调制方式能充分地节省频谱。比较图8可知,解调出的I、Q两路基带信号旁瓣功率仍然远小于主瓣功率,且频谱没有扩展。通过谱信号仿真,验证了射频接收系统设计的合理性。

图6 第二中频输出信号载波幅度

图7 传输的基带谱信号

图8 解调出的I、Q路基带谱信号

3 结论

本文提出了一种基于QPSK数字调制方式的C波段卫星电视射频接收系统方案。详细论述了接收系统原理,并对电路结构做了比较全面的分析。应用ADS软件构造了接收机的各个功能模块,并进行了整个接收链路的系统级仿真。仿真结果为:高频头性能方面,噪声温度为54.783K,增益为65dB,镜频抑制度达52.707dB,饱和输入电平达-41.5dbm;AGC响应时间为60纳秒;解调出的I、Q两路基带谱信号旁瓣抑制度达40dB以上。结果表明,本文提出的接收系统具有噪声温度低、增益高、镜频抑制度高、动态范围宽、AGC响应时间短、谱信号旁瓣抑制度高等优点,大大缩短了设计周期,并为最终硬件实现提供了理论依据。

[1]车晴,王京玲.数字卫星广播系统[M].北京:北京广播学院出版社,2000.

[2]韩兆勇,翟欣然.DVB-S传输系统中的QPSK技术[J].中国有线电视,1999,(3):21～23.

[3]张祖舜,沈灿.微波非线性电路全频域谐波平衡分析[J].电子学报,1995,(3):62～68.

[4]马洪,李正平,陈勇,何凌.使用遗传算法进行微波非线性电路包络仿真[J].微波学报,2006,(2):49～54.

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