衛(wèi)星通信用單路衰減可調(diào)中頻單元的設(shè)計與實現(xiàn)

韓帥等

摘 要： 設(shè)計和開發(fā)了衛(wèi)星通信用單路增益可調(diào)中頻單元。闡述了系統(tǒng)設(shè)計需求和整體結(jié)構(gòu)，詳細(xì)介紹了程序控制衰減模塊、6 dB增益放大器、工作狀態(tài)監(jiān)測電路和邏輯控制電路等主要硬件組成部分的工作原理和實現(xiàn)方法。該設(shè)計解決了現(xiàn)有中頻單元工作模式影響通信業(yè)務(wù)質(zhì)量的問題，降低了內(nèi)部干擾的風(fēng)險，提高了任務(wù)保障能力。測試結(jié)果表明符合設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞： 衛(wèi)星通信； 頻分多址； 中頻單元； 單路衰減可調(diào)

中圖分類號： TN927+.2?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）21?0083?03

Design and realization for intermediate frequency unit of single?channel adjustable attenuation applied to satellite communication

HAN Shuai， MENG Xiaoxin， CAO Yong， ZHANG Weijie

（Luoyang Electronic Equipment Test Center of China， Luoyang 471000， China）

Abstract： An intermediate frequency （IF） unit of single?channel adjustable attenuation applied to satellite communication was designed and developed. The design requirements and integral structure of the system are described， and the working principle and realization method of the main hardware components （program controlled attenuation module， 6 dB gain amplifier， working condition monitoring circuit and logic control circuit） are introduced in detail. This design solved the problem that the working mode of current IF unit influences on the communication service quality， reduced the risk of internal interference， and improved the guarantee capability of the task. The test results indicate that the system is comply with the design requirements.

Keywords： satellite communication； FDMA； IF unit； single?channel adjustable attenuation

0 引 言

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0～15 dB，步進制為0.5 dB。

（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，可以根據(jù)實際需求增加或減少輸入/輸出端口的模塊，增強系統(tǒng)擴展性和靈活性。

（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，報告發(fā)生故障的部位，以便縮短故障停機時間。

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箱中，中頻信號通過發(fā)送擴展端口Tx和接收擴展端口Rx連接，由主中頻單元通過擴展總線對該模塊進行控制。

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6 dB的衰減，所以需要一個6 dB的中頻放大器，這樣，就保證了從擴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時，該中頻放大器可以補償部分傳輸損耗。

遙控接口可以實現(xiàn)遠端計算機遙控或網(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、控制能力強的優(yōu)點，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，實際上就是串聯(lián)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)。輸入/輸出關(guān)系為：

圖2 串聯(lián)二極管T型衰減器

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0～15 dB的衰減范圍，分辨率約為0.06 dB，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。圖3中，[R2]為反饋電阻，[R3]為電流采樣電阻，輸出電壓[uo]為：

3.2 6 dB增益放大器

從擴展接口級聯(lián)的中頻單元相對主中頻單元多一級4分合路器，增加了6 dB的衰減，所以要增加一個6 dB的中頻放大器來補償這一衰減。當(dāng)中頻單元與上下變頻器距離較遠時，使用該放大器可以補償部分傳輸損耗。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14 dB，在100 MHz內(nèi)有平坦的頻率特性，可達±1 dB，輸入/輸出阻抗為50 Ω，輸出功率為8.2 dBm。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)采集點的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾妷?，?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進行處理。

3.4 邏輯控制電路

邏輯控制電路選用8031單片機作為微處理器，控制各模塊協(xié)調(diào)工作。

控制電路設(shè)計成總線結(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。因為各種數(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，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，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，進行了為期一年的運行測試，測試結(jié)果表明，該單元性能穩(wěn)定，能夠滿足設(shè)計需求，具有較高的實際應(yīng)用價值，可以在同類產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)中推廣借鑒。

參考文獻

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