矿用无线视频发射器的分析与设计

摘 要：本文设计了一种适合于矿井无线视频通信的发射器，该设备适应性强，传输距离远，采用模块化设计，分别设计了视频采集模块、处理模块、混频模块、功率放大模块及天线。本文分别介绍了发射器的各个模块的设计原理和方法，设计详细，最后结合高频设备对设备做了具体要求，开发出符合要求的无线视频发射器。

关键词：无线视频；混频；发射器

中图分类号：TP311

1 无线视频发射器总体结构

首先发射器在设计上必须符合国家标准《GB3836.4爆炸性气体环境用电气设备第4部分本质安全型“i”》的相关规定。从电路设计上必须符合本质安全型电路的设计要求。在外壳的防护性能要求上，既要为了躲避铁壳对无线信号的屏蔽性，也要突出系统的便携性的特点。

无线发射模块硬件上可以分为，视频采集模块，视频处理模块，本地振荡模块，混频模块，功率放大模块，天线，设计发射频率为2.4GHz，各个功能模块整体连接图如图1所示：

2 模块设计

2.1 视频采集模块

视频采集模块采集巷道的图像信息，转化为视频信号输出，视频采集模块用于采集现场的实时图像，是人们对监控现场情况的最直观的手段，由于采集模块是安装在移动设备上的，故采用的视频采集模块具有很高的清晰度，低照度，能够适应井下亮度不高的特殊环境。

2.2 视频处理模块

视频处理模块是接收视频采集模块的输出的75Ω、1Vp-p的模拟电信号。复合视频输入后需要进行滤波放大，在滤波放大电路中设置电感、电容。其中电感起着去除交流信号的作用，电容起着隔直的作用。复合视频信号定义为包括亮度和色度的单路模拟信号，也即从全电视信号中分离出伴音后的视频信号，这时的色度信号还是分布在亮度信号的高端。复合视频信号也称为基带视频信号或RCA视频信号，它使用NTSC或PAL电视信号传送图像数据。

2.3 混频电路

滤波后的视频信号与本地振荡载波进行混频调制，将带宽6MHz的视频信号调制在微波段2.4GHz的载频上。微波混频电路是一种常用的微波电路。目前，大多数微波中继通信都采用中频转接方式，即把接收到的微波信号转换成中频信号，经中频放大后，再转换成微波信号，然后由天线发射到下一站。

（1）锁相环频率合成的实现

视频信号经过处理模块后仍是低频信号，要经过频率合成技术变为中频信号，即将6MHz的视频信号调制到几百兆赫兹的中频信号，系统选用LMX233xA作为锁相环的核心元件。

LMX233xA包含双重的预分频器。有64/65或128/129预分频器，可选择为8/9预分频的射频合成器或选择为16/17预分频的中频合成器。LMX233XA采用数字锁相环技术，由一个鉴相器和一个环路滤波器，并经过一个压控振荡器来产生一个非常稳定的中频本振信号。编程序列数据经由一个三线接口（Data，Enable，Clock）接入进LMX233xA.它的工作电压范围从2.7V到5.5V。LMX233xA系列有着非常低的电流功耗特性：在3V的工作电压下LMX2331仅有12mA的电流。

LMX233xA管脚3DORF：内部输出。连接到环路滤波器以控制外部压控振荡器的输入。管脚18FinRF：射频预分频输入，来自压控振荡器的小信号输入。由上面介绍的管脚功能可以知道，管脚3的输出相当于锁相环路中鉴相器的输出，也正是由LMX2331A芯片实现了鉴相器的功能。管脚5的信号则是压控振荡器（VCO）的反馈输入信号。

（2）载波本振与混频电路的实现

基带信号经过频率合成技术调制成为中频信号与本振信号经过混频才能得到最终需要的高频信号。

2.4 功率放大模块

高频功率放大器用于无线发射模块的末级，它将已调制的频带信号放大到适合巷道传输的功率值，送到天线发射，保证在设计的接收范围内能够正常的传输视频信号，既接收机能接收到满意的信号电平，同时不干扰相邻信道的通信。

2.5 天线

天线是微波无线摄录发射器对发射信号处理的最后一道关口。2.4GHz微波天线大致可分为几种：2.4GHz抛物面栅格天线、2.4GHz全向天线、2.4GHz片状天线、2.4GHz板状天线、2.4GHz车载天线。其中2.4GHz抛物面栅格天线是反射式栅格天线为远距离使用而设计，增益大（24dBi-31dBi），而且能在水平或垂直极化两个方向使用。其特点是结实耐用，但是不便于携带，接收信号具有方向性。2.4GHz全向天线的特点是为玻璃钢结构，而且有高硬度的突出状铝托。它是在多点应用及较宽范围覆盖的理想选择，增益在（8dBi-15dBi）。2.4GHz片状天线适合在室内或室外使用，其结构紧凑而且美观，增益在（18dBi-22dBi）。2.4GHz板状天线是为“基站”使用而设计，提供包括各种增益和波瓣宽度的产品，增益在（14dBi-17dBi）。2.4GHz车载天线能提供各种增益和物理尺寸，结构紧凑耐用，增益在（5dBi-7dBi）。以上五种天线中，综合发射器的便携性、发射功率、天线极化等多个方面因素的考虑，选择2.4GHz全向天线。天线是发射模块的最后环节，也是关键的环节，适当的增益与波瓣宽度和摆放位置都直接关系无线发射距离的远近，不同的巷道对天线的要求也是不同的。

3 小结

发射机设计电路设计为自主设计，设计包含以上各功能模块及电源功能模块，电源由具有过流、过压保护的本质安全电源提供，有较低的纹波参数。设备可作为井下移动设备的监视装置，有很高的应用价值，目前已使用在多个煤矿，效果良好。

参考文献：

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[2]赵红，孙继平.矿井移动通信频率的选择[J].煤矿自动化，1997，4：18-20.

[3]孙孺石，丁怀元，穆万里，王泽权.GSM数字移动通信工程[M].北京：高等教育出版社，1988.

[4]南京工学院无线电工程系《电子线路》编写组编.电子线路[M].北京：人民教育出版社，1979.

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

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