礦用無線視頻發(fā)射器的分析與設(shè)計(jì)

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種適合于礦井無線視頻通信的發(fā)射器，該設(shè)備適應(yīng)性強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，采用模塊化設(shè)計(jì)，分別設(shè)計(jì)了視頻采集模塊、處理模塊、混頻模塊、功率放大模塊及天線。本文分別介紹了發(fā)射器的各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)原理和方法，設(shè)計(jì)詳細(xì)，最后結(jié)合高頻設(shè)備對(duì)設(shè)備做了具體要求，開發(fā)出符合要求的無線視頻發(fā)射器。

關(guān)鍵詞：無線視頻；混頻；發(fā)射器

中圖分類號(hào)：TP311

1 無線視頻發(fā)射器總體結(jié)構(gòu)

首先發(fā)射器在設(shè)計(jì)上必須符合國家標(biāo)準(zhǔn)《GB3836.4爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第4部分本質(zhì)安全型“i”》的相關(guān)規(guī)定。從電路設(shè)計(jì)上必須符合本質(zhì)安全型電路的設(shè)計(jì)要求。在外殼的防護(hù)性能要求上，既要為了躲避鐵殼對(duì)無線信號(hào)的屏蔽性，也要突出系統(tǒng)的便攜性的特點(diǎn)。

無線發(fā)射模塊硬件上可以分為，視頻采集模塊，視頻處理模塊，本地振蕩模塊，混頻模塊，功率放大模塊，天線，設(shè)計(jì)發(fā)射頻率為2.4GHz，各個(gè)功能模塊整體連接圖如圖1所示：

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 視頻采集模塊

視頻采集模塊采集巷道的圖像信息，轉(zhuǎn)化為視頻信號(hào)輸出，視頻采集模塊用于采集現(xiàn)場的實(shí)時(shí)圖像，是人們對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場情況的最直觀的手段，由于采集模塊是安裝在移動(dòng)設(shè)備上的，故采用的視頻采集模塊具有很高的清晰度，低照度，能夠適應(yīng)井下亮度不高的特殊環(huán)境。

2.2 視頻處理模塊

視頻處理模塊是接收視頻采集模塊的輸出的75Ω、1Vp-p的模擬電信號(hào)。復(fù)合視頻輸入后需要進(jìn)行濾波放大，在濾波放大電路中設(shè)置電感、電容。其中電感起著去除交流信號(hào)的作用，電容起著隔直的作用。復(fù)合視頻信號(hào)定義為包括亮度和色度的單路模擬信號(hào)，也即從全電視信號(hào)中分離出伴音后的視頻信號(hào)，這時(shí)的色度信號(hào)還是分布在亮度信號(hào)的高端。復(fù)合視頻信號(hào)也稱為基帶視頻信號(hào)或RCA視頻信號(hào)，它使用NTSC或PAL電視信號(hào)傳送圖像數(shù)據(jù)。

2.3 混頻電路

濾波后的視頻信號(hào)與本地振蕩載波進(jìn)行混頻調(diào)制，將帶寬6MHz的視頻信號(hào)調(diào)制在微波段2.4GHz的載頻上。微波混頻電路是一種常用的微波電路。目前，大多數(shù)微波中繼通信都采用中頻轉(zhuǎn)接方式，即把接收到的微波信號(hào)轉(zhuǎn)換成中頻信號(hào)，經(jīng)中頻放大后，再轉(zhuǎn)換成微波信號(hào)，然后由天線發(fā)射到下一站。

（1）鎖相環(huán)頻率合成的實(shí)現(xiàn)

視頻信號(hào)經(jīng)過處理模塊后仍是低頻信號(hào)，要經(jīng)過頻率合成技術(shù)變?yōu)橹蓄l信號(hào)，即將6MHz的視頻信號(hào)調(diào)制到幾百兆赫茲的中頻信號(hào)，系統(tǒng)選用LMX233xA作為鎖相環(huán)的核心元件。

LMX233xA包含雙重的預(yù)分頻器。有64/65或128/129預(yù)分頻器，可選擇為8/9預(yù)分頻的射頻合成器或選擇為16/17預(yù)分頻的中頻合成器。LMX233XA采用數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)，由一個(gè)鑒相器和一個(gè)環(huán)路濾波器，并經(jīng)過一個(gè)壓控振蕩器來產(chǎn)生一個(gè)非常穩(wěn)定的中頻本振信號(hào)。編程序列數(shù)據(jù)經(jīng)由一個(gè)三線接口（Data，Enable，Clock）接入進(jìn)LMX233xA.它的工作電壓范圍從2.7V到5.5V。LMX233xA系列有著非常低的電流功耗特性：在3V的工作電壓下LMX2331僅有12mA的電流。

LMX233xA管腳3DORF：內(nèi)部輸出。連接到環(huán)路濾波器以控制外部壓控振蕩器的輸入。管腳18FinRF：射頻預(yù)分頻輸入，來自壓控振蕩器的小信號(hào)輸入。由上面介紹的管腳功能可以知道，管腳3的輸出相當(dāng)于鎖相環(huán)路中鑒相器的輸出，也正是由LMX2331A芯片實(shí)現(xiàn)了鑒相器的功能。管腳5的信號(hào)則是壓控振蕩器（VCO）的反饋輸入信號(hào)。

（2）載波本振與混頻電路的實(shí)現(xiàn)

基帶信號(hào)經(jīng)過頻率合成技術(shù)調(diào)制成為中頻信號(hào)與本振信號(hào)經(jīng)過混頻才能得到最終需要的高頻信號(hào)。

2.4 功率放大模塊

高頻功率放大器用于無線發(fā)射模塊的末級(jí)，它將已調(diào)制的頻帶信號(hào)放大到適合巷道傳輸?shù)墓β手?，送到天線發(fā)射，保證在設(shè)計(jì)的接收范圍內(nèi)能夠正常的傳輸視頻信號(hào)，既接收機(jī)能接收到滿意的信號(hào)電平，同時(shí)不干擾相鄰信道的通信。

2.5 天線

天線是微波無線攝錄發(fā)射器對(duì)發(fā)射信號(hào)處理的最后一道關(guān)口。2.4GHz微波天線大致可分為幾種：2.4GHz拋物面柵格天線、2.4GHz全向天線、2.4GHz片狀天線、2.4GHz板狀天線、2.4GHz車載天線。其中2.4GHz拋物面柵格天線是反射式柵格天線為遠(yuǎn)距離使用而設(shè)計(jì)，增益大（24dBi-31dBi），而且能在水平或垂直極化兩個(gè)方向使用。其特點(diǎn)是結(jié)實(shí)耐用，但是不便于攜帶，接收信號(hào)具有方向性。2.4GHz全向天線的特點(diǎn)是為玻璃鋼結(jié)構(gòu)，而且有高硬度的突出狀鋁托。它是在多點(diǎn)應(yīng)用及較寬范圍覆蓋的理想選擇，增益在（8dBi-15dBi）。2.4GHz片狀天線適合在室內(nèi)或室外使用，其結(jié)構(gòu)緊湊而且美觀，增益在（18dBi-22dBi）。2.4GHz板狀天線是為“基站”使用而設(shè)計(jì)，提供包括各種增益和波瓣寬度的產(chǎn)品，增益在（14dBi-17dBi）。2.4GHz車載天線能提供各種增益和物理尺寸，結(jié)構(gòu)緊湊耐用，增益在（5dBi-7dBi）。以上五種天線中，綜合發(fā)射器的便攜性、發(fā)射功率、天線極化等多個(gè)方面因素的考慮，選擇2.4GHz全向天線。天線是發(fā)射模塊的最后環(huán)節(jié)，也是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，適當(dāng)?shù)脑鲆媾c波瓣寬度和擺放位置都直接關(guān)系無線發(fā)射距離的遠(yuǎn)近，不同的巷道對(duì)天線的要求也是不同的。

3 小結(jié)

發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)為自主設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)包含以上各功能模塊及電源功能模塊，電源由具有過流、過壓保護(hù)的本質(zhì)安全電源提供，有較低的紋波參數(shù)。設(shè)備可作為井下移動(dòng)設(shè)備的監(jiān)視裝置，有很高的應(yīng)用價(jià)值，目前已使用在多個(gè)煤礦，效果良好。

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作者簡介：楊勇（1981-），男，河北涉縣人，教師，助教，碩士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)。

作者單位：徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州 221140；兗礦集團(tuán)楊村煤礦，山東濟(jì)寧 272118