一種低通濾波器及LNB模塊及信號處理方法與流程
2024-04-01 22:14:05
本發明涉及一種直播衛星電視高頻頭，具體涉及一種低通濾波器及LNB模塊及信號處理方法。
背景技術：
隨著信息技術的發展，直播電視衛星高頻頭在農村區域得到極大的推廣，但由於市場山寨機、黑盒子越來越多，甚至更有國家招標的盒子被拿到城市使用，衝擊當地有線數字機頂盒的市場，給市場和管理造成混亂。因而廣電總局推出了具有接受GNSS信號的直播電視衛星高頻頭的產品，其最終目的是向廣電戶戶通用戶提供滿足其技術需求的、穩定的、高質量、低成本的產品，給客戶提供滿意產品和服務。
帶定位功能的LNB模塊的作用是：不僅能夠接收Ku波段的直播衛星電視信號，通過對其進行放大、合路、濾波、下變頻以及中頻放大等信號處理，然後輸出直播衛星電視信號的中頻信號950MHz～1450MHz；而且能夠同時接收GNSS信號，並將接收到的GNSS信號進行濾波、放大；最後，將直播電視衛星中頻信號和GNSS信號合路後送到衛星接收機或機頂盒解調。
為了防止直播電視衛星信號受到帶內信號幹擾，可選擇的GNSS信號可以為北鬥衛星導航信號中心頻率為1561.098MHz的B1頻段信號，或者GPS衛星信號中心頻率為1575.42MHz的L1頻段信號或者GLONASS信號頻段範圍為1602MHz+0.5625MHz*K的L1頻段信號等，其中K＝1～24。
帶定位功能的LNB模塊是通過一根同軸電纜線將直播電視衛星中頻信號和GNSS信號合路後送到衛星接收機或機頂盒解調。此時將需要在直播電視衛星高頻頭上進行異頻合路器的設計。異頻合路器性能的優劣主要看兩通路的帶外抑制比、插入損耗、駐波比和帶內波動。在通常的設計中採用分立元器件進行濾波器選頻設計和合路，此設計方法複雜，且元件插入損耗比較大，造成通帶損耗大。
使用微帶線設計的異頻合路器，由於直播電視衛星中頻信號和GNSS信號的波長較長，在印刷電路板上四分之一波長將超過20毫米，此時將增加了印刷電路板的尺寸，造成成本增加。又或者是使用異頻合路器集成晶片的異頻合路器，集成晶片一般價格比較貴，將導致成本將增加。
由於電視中頻信號和北鬥衛星信號的頻率間隔很近，因此實現「帶外高抑制比」是整個射頻通路設計的關鍵。在LNB電路尺寸較小的前提下，採用分立LC元器件的濾波器很難實現這種「帶外高抑制比」濾波器(濾波器的矩形係數較差)；這是因為要實現濾波器的「帶外高抑制比」性能，必須增加LC濾波器的階數，這樣會增加電容、電感等元器件數量；同時由於元器件精度影響，在大批量生產過程中濾波器的通帶和阻帶的頻率將產生偏移，從而影響直播衛星電視信號和北鬥衛星信號。總而言之，在有限電路空間尺寸下，基於LC分離元器件的濾波器將使直播衛星電視中頻信號幹擾GNSS衛星導航信號，從而導致衛星接收機不能正常收視及定位。
技術實現要素：
本發明的目的在於，針對上述存在的問題，提供一種用高阻帶抑制、頻率精確穩定的濾波器，使得GNSS衛星導航信號不會受到直播衛星電視信號幹擾，從而讓衛星接收機正常收視和定位，並提供相應的LNB高頻頭以及信號處理方法。
為了實現本發明的目的，本發明提供一種用於LNB模塊中的低通濾波器，所述LNB模塊包括LNB電路和衛星定位電路，所述低通濾波器的通帶頻率範圍為950MHz到1450MHz，所述低通濾波器的濾除頻率範圍為1560MHz到1616MHz，所述低通濾波器輸入端連接LNB電路，所述低通濾波器處理後的直播衛星電視信號與經所述衛星定位電路處理後的衛星定位信號合路輸出。
所述低通濾波器由兩顆LTCC濾波器串聯組成；或者所述低通濾波器由一顆分立LC元器件低通濾波器和一顆LTCC濾波器串聯組成。
所述低通濾波器通帶插入信號小於5dB，輸入駐波比和輸出駐波比小於1.8，在1560MHz～1580MHz處的抑制範圍在38dB到60dB。
所述衛星定位電路所接收的衛星定位信號為北鬥衛星定位信號。
相應的，本發明還提供了一種包括低通濾波器的LNB模塊。
相應的，本發明還提供了一種應用於LNB的信號處理方法，所述LNB具有接收衛星定位信號和直播衛星電視信號的功能，所述步驟包括：
將由LNB電路接收的直播衛星電視信號，由低通濾波器濾除1560MHz到1616MHz範圍的信號；再將經過低通濾波器處理後的直播衛星電視信號與經過處理後的衛星定位信號進行合路輸出。
所述方法還包括：
接收直播衛星電視信號，將所述直播衛星電視信號經過LNB電路中的兩級LNA電路進行放大處理；
通過鏡像抑制濾波器進行濾波；
由下變頻和中頻放大電路進行下變頻和中頻放大處理，在將處理後的直播衛星電視信號輸入至低通濾波器。
所述方法還包括：
接收信號頻率範圍在1560MHz到1616MHz的衛星定位信號；
通過衛星定位電路中的兩級LNA電路進行放大處理。
所述方法還包括：
基於聲表濾波器對衛星定位信號進行濾波；
所述基於聲表濾波器對衛星定位信號進行濾波步驟在衛星定位信號經過兩級LNA電路放大後進行，或者在衛星定位信號經過第一級LNA電路後進行。
所述衛星定位信號和直播衛星電視信號經過處理後合路輸入至異頻合路器，再由異頻合路器合路輸出至機頂盒或者衛星接收機。
所述由異頻合路器合路輸出至機頂盒或者衛星接收機包括：
基於異頻合路器中的分離元器件匹配電路將F頭合路輸出匹配到75歐姆系統。
採用上面的方案後，本發明的有益效果包括：
1、本發明涉及的直播衛星信號處理鏈路後端的LTCC濾波器矩形係數好，阻帶抑制好，能有效保證GNSS衛星導航信號不會受到直播衛星電視信號幹擾。
2、本發明涉及的直播衛星信號處理鏈路後端的LTCC濾波器通帶插入損耗小，埠駐波比好，使得信號傳輸性能好。
3、本發明涉及的直播衛星信號處理鏈路後端的LTCC濾波器頻率精確穩定，體積小，生產貼片工藝簡單，保證了產品的品質，同時簡化了電路設計，提高生產效率。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。
圖1是本發明實施例中帶導航/定位功能的直播衛星高頻頭(LNB)的信號處理流程示意圖；
圖2是本發明實施例中異頻合路器模塊電路原理圖；
圖3是本發明實施例中低通濾波器第一實施例的電路原理圖；
圖4是本發明實施例中低通濾波器第二實施例的電路原理圖；
圖5是本發明實施例中異頻合路器模塊電路中低通濾波器的插入損耗S21測試結果圖；
圖6是本發明中異頻合路器模塊電路中低通濾波器的輸入駐波比測試結果圖；
圖7是本發明中異頻合路器模塊電路中低通濾波器的輸出駐波比測試結果圖；
圖8是本發明中異頻合路器模塊電路中聲表濾波器的插入損耗S21測試結果圖；
圖9是本發明中異頻合路器模塊電路中聲表濾波器的輸入駐波比和輸出駐波比測試結果圖；
圖10是本發明中聲表濾波器放置第二級低噪聲放大器電路(LNA)後位置示意圖；
圖11是本發明中聲表濾波器放置第一級低噪聲放大器電路(LNA)後位置示意圖；
圖12是本發明中異頻合路器模塊兩通路合路輸出採用垂直方式示意圖；
圖13是本發明中異頻合路器模塊兩通路合路輸出採用相對方式示意圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本發明保護的範圍。
本發明實施例所涉及的用於LNB模塊中的低通濾波器，該LNB模塊包括LNB電路和衛星定位電路，該低通濾波器的通帶頻率範圍為950MHz到1450MHz，低通濾波器的濾除頻率範圍為1560MHz到1616MHz，低通濾波器輸入端連接LNB電路，低通濾波器處理後的直播衛星電視信號與經衛星定位電路處理後的衛星定位信號合路輸出。低通濾波器由兩顆LTCC濾波器串聯組成；或者所述低通濾波器由一顆分立LC元器件低通濾波器和一顆LTCC濾波器串聯組成。
本發明實施例所涉及的應用於LNB的信號處理方法，該LNB具有接收衛星定位信號和直播衛星電視信號的功能，該LNB具有接收衛星定位信號和直播衛星電視信號的功能，在此過程中，將LNB電路接收的直播衛星電視信號，由低通濾波器濾除1560MHz到1616MHz範圍的信號；再將經過低通濾波器處理後的直播衛星電視信號與經過處理後的衛星定位信號進行合路輸出。
具體實施實施過程中，LNB中直播衛星電視處理過程包括：接收直播衛星電視信號，將所述直播衛星電視信號經過LNB電路中的兩級LNA電路進行放大處理；通過鏡像抑制濾波器進行濾波；由下變頻和中頻放大電路進行下變頻和中頻放大處理，在將處理後的直播衛星電視信號輸入至低通濾波器；將LNB電路接收的直播衛星電視信號，由低通濾波器濾除1560MHz到1616MHz範圍的信號；再將經過低通濾波器處理後的直播衛星電視信號與經過處理後的衛星定位信號進行合路輸出。
具體實施過程中，LNB模塊中衛星定位信號處理過程包括：接收信號頻率範圍在1560MHz到1616MHz的衛星定位信號；通過衛星定位電路中的兩級LNA電路進行放大處理。在此過程中，還涉及到基於聲表濾波器對衛星定位信號進行濾波；基於聲表濾波器對衛星定位信號進行濾波步驟在衛星定位信號經過兩級LNA電路放大後進行，或者在衛星定位信號經過第一級LNA電路後進行。
具體實施過程中，衛星定位信號和直播衛星電視信號經過處理後合路輸入至異頻合路器，再由異頻合路器合路輸出至機頂盒或者衛星接收機。由異頻合路器合路輸出至機頂盒或者衛星接收機包括：基於異頻合路器中的分離元器件匹配電路將F頭合路輸出匹配到75歐姆系統。
下面將參考附圖來進一步說明本發明，參考圖1至圖13。
如圖1所示，帶導航/定位功能的直播衛星高頻頭(LNB)天線接收到GNSS衛星定位信號頻率為1560MHz～1580MHz，信號特徵為採用偽隨機序列調製的擴頻信號，信號的積分噪聲強度約為-110dBm；然後通過第一級低噪聲放大器(LNA)電路和第二級低噪聲放大器(LNA)電路進行放大處理，鏈路總增益約為33dB，最後輸出的信號強度約為-77dBm。
如圖1所示，直播衛星電視信號到達地面時信號強度約為-123dBm，衛星電視天線的增益約為13dB，饋入到帶導航/定位功能的直播衛星高頻頭(LNB)的信號強度約為-110dBm；直播衛星電視信號通過第一級低噪聲放大器(LNA)電路、第二級低噪聲放大器(LNA)電路進行放大處理、通過濾波、下變頻和中頻放大電路進行處理；整個直播衛星信號處理鏈路總增益為55dB，則最終輸出的直播衛星電視中頻信號強度為-110+55＝-55dBm。直播衛星電視信號頻段RF為11.7GHz～12.2GHz，帶導航/定位功能的直播衛星高頻頭(LNB)本振信號頻率LO為10.75GHz，根據下變頻公式IF＝RF-LO，得出變頻後的直播衛星電視中頻信號IF為950MHz～1450MHz。同時，由於直播衛星電視信號放大變頻電路的放大作用，導致在1560MHz～1580MHz頻段範圍的底部寬帶噪聲信號強度約-55dBm。
此時，得出的直播衛星電視中頻信號和GNSS(全球定位衛星系統)信號將進行合路輸出，由上所述，為了保證GNSS衛星導航信號不受到底部寬帶噪聲信號的影響，如圖2所示，異頻合路器模塊電路需要對直播衛星電視中頻信號(950MHz～1450MHz)進行濾波，通過低通濾波器將1560MHz～1580MHz處的本底噪聲信號強度抑制到-55-(-77)+12＝34dB以上,考慮到地域性差異、空間電磁特性、以及各種天氣因素等，異頻合路器模塊電路中的低通濾波器的帶外抑制實際需要做到38dBc以上。
圖2示出了本發明實施例中的異頻合路器模塊結構示意圖，本發明的異頻合路器模塊由聲表濾波器、第一分立元器件匹配電路，該聲表濾波器輸入端與GNSS信號電路連接，該聲表濾波器輸出端與第一分立元器件匹配電路連接，第一分立元器件匹配電路輸出端與所述F頭合路輸出口連接；以及低通濾波器、第二分立元器件匹配電路，低通濾波器輸入端與LNB電路連接，低通濾波器輸出端與所述第二分立元器件匹配電路輸入端連接，第二分立元器件匹配電路輸出端與所述F頭合路輸出口連接。
總體來說，異頻合路器模塊通過聲表濾波器、低通濾波器、若干個分立LC元器件等構成，該異頻合路器模塊的帶外抑制比、插入損耗、駐波比和帶內波動完全滿足設計需求，高穩定性且成本低廉。
由上所述，由於直播衛星電視中頻信號(950MHz～1450MHz)和GNSS(全球定位衛星系統)信號(1560MHz～1580MHz)頻率相間隔比較小，而要在這麼小的頻率間隔裡異頻合路器模塊電路中的低通濾波器的帶外抑制至少需要做到34dBc以上，可靠設計需要做到38dBc以上，目前分立LC元器件構建的這種低通濾波器由於分立LC元器件的插損必將是帶內插入損耗大，或者帶外抑制達不到要求。而在本發明異頻合路器模塊中的低通濾波器有兩種實施方式，分別為：1、如圖3所示，低通濾波器採用了兩顆LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic，低溫陶瓷共燒)濾波器串聯構成。2、如圖4所示，低通濾波器採用了一顆LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic，低溫陶瓷共燒)濾波器和一個由分立LC分立構建的低通濾波器串聯組成。本發明兩種方式的低通濾波器對比分立LC元器件構建而成的低通濾波器，它具有小型化、高品質因數、高穩定性、高集成度，設計簡單等優點，而且對比其他集成濾波器有著價格低廉而不失性能優良的特點。
如圖5至圖7所示，低通濾波器的通帶插入損耗IL小於5dB，輸入駐波比和輸出駐波比小於1.8，在1560MHz～1580MHz處的抑制遠大於38dBc，可至60dBc。這樣，使得直播衛星信號處理鏈路總增益在55dB～70dB動態範圍內都能保證在1560MHz～1580MHz處的本底噪聲低於-95dBm，使得衛星接收機(機頂盒)能夠正常收視和定位。
如圖2所示，本發明異頻合路器模塊電路中的通過GNSS衛星定位信號的通路採用聲表濾波器進行濾波。聲表濾波器具有矩形係數好、抗幹擾能力強、體積小等優點。如圖8和圖9所示，聲表濾波器通帶插入損耗IL小於2dB，輸出駐波比和輸出駐波比小於1.6，在950MHz～1450MHz處的抑制大於30dBc。
本發明實施例中的模塊包括：GNSS信號電路、LNB電路，以及異頻合路器模塊，該GNSS信號電路與所述異頻合路器模塊連接，該LNB電路與異頻合路器模塊連接，該異頻合路器模塊輸出端與衛星接收機或者機頂盒連接，其中：GNSS信號電路包括第一級低噪聲放大器和第二級低噪聲放大器，以及LNB電路包括第一級低噪聲放大器、第二級低噪聲放大器和濾波、下變頻和中頻放大電路等等。具體如圖10和圖11所示，聲表濾波器的在直播衛星高頻頭(LNB)電路設計中可放置第二級低噪聲放大器電路(LNA)後或者放置第一級低噪聲放大器電路(LNA)後，電路設計靈活。
帶導航/定位功能的直播衛星高頻頭(LNB)是通過一根75歐姆同軸電纜線將直播衛星電視中頻信號和GNSS信號傳輸到衛星接收機(機頂盒)解調，如圖2所示，在F頭合路輸出前，在兩通路有分立LC元器件匹配電路。通過分立LC元器件匹配電路，將F頭合路輸出匹配到75歐姆系統，最終F頭合路輸出的駐波比小於2.0。
為避免直播衛星電視中頻信號和GNSS(全球定位衛星系統)信號平行耦合幹擾影響信號質量，如圖12和圖13所示，在兩通路匯入直播衛星高頻頭(LNB)的F頭輸出口時，採用相互垂直的方式或者是相對匯入的方式進行合路輸出，減小了信號之間的幹擾。
本領域普通技術人員可以理解上述實施例的各種方法中的全部或部分步驟是可以通過程序來指令相關的硬體來完成，該程序可以存儲於一計算機可讀存儲介質中，存儲介質可以包括：只讀存儲器(ROM，Read Only Memory)、隨機存取存儲器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或光碟等。
以上對本發明實施例所提供的低通濾波器及LNB模塊及信號處理方法進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。