衛(wèi)星通信用單路衰減可調(diào)中頻單元的設(shè)計(jì)范文

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在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，所有終端設(shè)備發(fā)送的中頻載波信號都要通過中頻單元調(diào)整好電平后合成為一路，以送到射頻設(shè)備進(jìn)一步處理；而下行中頻信號也必須通過中頻單元分成多路，再分別送到各個終端設(shè)備。顯然，中頻單元是系統(tǒng)的中頻信號處理樞紐，其性能對整個系統(tǒng)的工作質(zhì)量及可靠性都有著重要影響[1]。對于采用FDMA尋址方式的衛(wèi)星通信系統(tǒng)[2]，目前大量使用的中頻單元方案主要存在兩方面的缺陷：一是使用分合路器代替中頻單元，這種解決方案常會造成設(shè)備間連接的電纜較多，增加了系統(tǒng)的不可靠性；二是群路衰減可調(diào)式中頻單元的電平調(diào)整方式不能滿足要求。采用FDMA尋址方式的衛(wèi)星通信網(wǎng)，為減少交調(diào)失真及大信號對小信號的抑制，要求載波等幅度，而有些調(diào)制器的電平調(diào)節(jié)范圍有限，無法在進(jìn)入中頻單元之前調(diào)整到要求的電平，群路衰減中頻單元又不能對單路中頻載波電平進(jìn)行調(diào)整，致使該載波對其他載波產(chǎn)生干擾，影響了衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的質(zhì)量。為解決以上問題，提高中頻單元性能，完善功能，滿足任務(wù)要求，有必要設(shè)計(jì)并開發(fā)一種衛(wèi)星通信用單路衰減可調(diào)的中頻單元。

1設(shè)計(jì)需求

（1）載波電平調(diào)整方式為單路衰減可調(diào)，可調(diào)范圍為0~15dB，步進(jìn)制為0.5dB。（2）根據(jù)需要選擇中頻輸入/輸出端口數(shù)量。為方便用戶，采用模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)實(shí)際需求增加或減少輸入/輸出端口的模塊，增強(qiáng)系統(tǒng)擴(kuò)展性和靈活性。（3）具備自動監(jiān)測功能。要能夠監(jiān)視各部分電路的工作狀態(tài)和各路輸入/輸出衰氣減量的變化，發(fā)現(xiàn)異常情況及時發(fā)出告警，報(bào)告發(fā)生故障的部位，以便縮短故障停機(jī)時間。

2系統(tǒng)整體架構(gòu)

圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，為提高設(shè)備的靈活性和性能，采用8031微處理器[3]控制各部分電路實(shí)現(xiàn)所需功能。上行中頻信號經(jīng)單路可調(diào)衰減模塊調(diào)整后通過合路器合并后送至中頻發(fā)送接口，而下行中頻信號正好相反。每個程序控制衰減模塊有8個輸入或輸出端口，每個機(jī)箱發(fā)送和接收部分最多各裝2個模塊，共16對輸入/輸出端口。超過16對端口時，要將程序控制衰減模塊安裝在另一個機(jī)箱中，中頻信號通過發(fā)送擴(kuò)展端口Tx和接收擴(kuò)展端口Rx連接，由主中頻單元通過擴(kuò)展總線對該模塊進(jìn)行控制。由于級聯(lián)的中頻單元相對主中頻單元多一級4分合路器，增加了6dB的衰減，所以需要一個6dB的中頻放大器，這樣，就保證了從擴(kuò)展接口接入的中頻信號與直接輸入的中頻信號有相同的傳輸增益，當(dāng)中頻信號傳輸距離較遠(yuǎn)時，該中頻放大器可以補(bǔ)償部分傳輸損耗。遙控接口可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)遙控或網(wǎng)絡(luò)控制。液晶顯示可以用菜單顯示每一路輸入或輸出的配置參數(shù)，定量顯示衰減量以及中頻單元的當(dāng)前狀態(tài)等。

3電路實(shí)現(xiàn)

3.1程序控制衰減模塊程序控制衰減模塊是決定中頻單元性能的關(guān)鍵部分。它的工作過程是：微處理器通過控制總線將控制信息傳送給相應(yīng)的信號變換電路，變換成相應(yīng)的電流信號，控制可變衰減器達(dá)到要求的衰減量。

3.1.1可變衰減器可變衰減器一般由T型網(wǎng)絡(luò)[4]構(gòu)成。利用PIN管作為可變電阻器，具有工作頻率高、控制能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，由PIN二極管組成的T型衰減器如圖2（a）所示，在這里PIN二極管D1和D2是變阻元件，與R2和R3共同構(gòu)成一個T型電路。PIN二極管的等效電阻取決于控制電流I0，當(dāng)電流I0增加時，二極管的內(nèi)阻減小，T型網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù)增高，衰減減小。只要保證電流I0穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)的衰減量就是固定的。這里使用兩個二極管串聯(lián)作為變阻器件，是為了減少PIN管結(jié)電容對T型網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性產(chǎn)生影響。經(jīng)過簡化的工作原理如圖2（b）所示，實(shí)際上就是串聯(lián)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)。為實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，取R為50Ω，則W=1531Ω。經(jīng)查，選用1SV172作為核心器件[5]，該器件在100MHz，導(dǎo)通電流在10mA時，導(dǎo)通電阻典型值為3Ω；10μA時，導(dǎo)通電阻典型值為500Ω，完全滿足使用要求。

3.1.2信號變換信號轉(zhuǎn)換電路將來自CPU的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換成驅(qū)動可變衰減器的電流信號，主要由鎖存器、D/A轉(zhuǎn)換器和電壓/電流變換電路組成。鎖存器用來存儲CPU送來的衰減量信息；D/A轉(zhuǎn)換器用于將數(shù)字衰減量信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓信號，可選用8位D/A轉(zhuǎn)換器件[6]DAC0832，對于0~15dB的衰減范圍，分辨率約為0.06dB，能夠滿足精度要求；電壓/電流變換電路將電壓信號變換成控制可變衰減器的電流信號，基本原理如圖3所示。

3.26dB增益放大器從擴(kuò)展接口級聯(lián)的中頻單元相對主中頻單元多一級4分合路器，增加了6dB的衰減，所以要增加一個6dB的中頻放大器來補(bǔ)償這一衰減。當(dāng)中頻單元與上下變頻器距離較遠(yuǎn)時，使用該放大器可以補(bǔ)償部分傳輸損耗。但是，使用放大器就要考慮三階交調(diào)、相位噪聲、帶寬、幅頻特性等指標(biāo)。選用MWA系列薄膜集成寬頻帶放大器[8]0311，單級增益可達(dá)14dB，在100MHz內(nèi)有平坦的頻率特性，可達(dá)±1dB，輸入/輸出阻抗為50Ω，輸出功率為8.2dBm。電路如圖4所示。

3.3自動監(jiān)測工作狀態(tài)設(shè)備自動監(jiān)測工作狀態(tài)是提高設(shè)備工作可靠性的重要手段之一。監(jiān)測的內(nèi)容包括存儲器的狀態(tài)、電源電壓、衰減量等模擬量和輸入/輸出控制的開關(guān)狀態(tài)，隨時采集匯報(bào)所監(jiān)視的參數(shù)的變化，并與存儲的值作比較，判斷工作狀態(tài)是否正常。模擬量的監(jiān)測原理如圖5所示。電平轉(zhuǎn)換電路將數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾妷海?jīng)模擬多路開關(guān)選擇并緩沖放大后，由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成8位數(shù)字信號，傳給CPU進(jìn)行處理。

3.4邏輯控制電路邏輯控制電路選用8031單片機(jī)作為微處理器，控制各模塊協(xié)調(diào)工作。控制電路設(shè)計(jì)成總線結(jié)構(gòu)，微處理器通過總線控制程序控制衰減模塊的工作。該總線包括控制總線、數(shù)據(jù)總線和地址總線。因?yàn)楦鞣N數(shù)據(jù)信號都是8位的，所以數(shù)據(jù)總線只需8位。鑒于衛(wèi)星通信的特點(diǎn)，一個中頻單元只須控制同一個衛(wèi)星的一個轉(zhuǎn)發(fā)器的相應(yīng)中頻信號，這樣，中頻單元只要具備128路中頻信號的控制能力即可滿足要求，所以采用6位地址總線即可滿足要求。中頻單元要對程序控制衰減模塊的配置參數(shù)進(jìn)行管理，且在意外停電等情況時保證這些不會丟失，這些參數(shù)保存在非易失性存儲器中。為了簡化程序設(shè)計(jì)，采用閃爍存儲器。閃爍存儲器的存取速度快，與RAM相當(dāng)，擦/寫次數(shù)可達(dá)百萬次，保持時間長，能提高設(shè)備性能，延長使用壽命。LCD顯示器采用字符數(shù)16×2，自掃描，帶背光的點(diǎn)陣字符式液晶顯示模塊[9]LCD⁃016M002D。這種液晶顯示模塊性能好，外形美觀，同時，它內(nèi)含存儲器和字符點(diǎn)陣庫，只需將要顯示的字符代碼寫入顯示存儲器即可，這不僅簡化了電路，也降低了軟件編寫的難度。電源可以采用開關(guān)電源模塊，體積小、效率高，對散熱要求較低，市場上貨源充足，價格也不高。為了提高系統(tǒng)可靠性，可采用雙電源供電方式，以便縮短故障停機(jī)時間。

4結(jié)語

單路衰減可調(diào)中頻單元改善了FDMA尋址方式衛(wèi)星通信系統(tǒng)中頻信號電平調(diào)整的便利性，減小了內(nèi)部干擾的風(fēng)險，提高了衛(wèi)星通信站的任務(wù)保障能力。該硬件單元研制成功后，進(jìn)行了為期一年的運(yùn)行測試，測試結(jié)果表明，該單元性能穩(wěn)定，能夠滿足設(shè)計(jì)需求，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價值，可以在同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)中推廣借鑒。

作者：韓帥 孟曉鑫 曹勇 張維杰 單位：中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心