衛(wèi)星通信實(shí)踐課程中鎖相環(huán)測(cè)量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

廖希 廖莎莎 李強(qiáng) 余翔 明艷

摘要：本文依托衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，以鎖相環(huán)實(shí)驗(yàn)為例，從理論和實(shí)體實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)煞矫鎸?duì)相關(guān)教學(xué)環(huán)節(jié)、測(cè)量步驟和結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)介紹。理論部分重點(diǎn)介紹鎖相環(huán)的組成與基本工作原理，測(cè)量環(huán)節(jié)中結(jié)合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)測(cè)量方案，并且給出測(cè)量結(jié)果。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信；鎖相環(huán)；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）25-0277-02

一、概述

為了培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的實(shí)踐能力，我校依托衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)開(kāi)設(shè)衛(wèi)星通信隨課實(shí)驗(yàn)。課程設(shè)置16學(xué)時(shí)，8次實(shí)驗(yàn)。采用的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)主要包括中頻調(diào)制解調(diào)器模塊、濾波放大模塊、混頻模塊、模擬衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器模塊等，其中射頻信號(hào)主要由第一次混頻和第二次混頻產(chǎn)生，因此產(chǎn)生本振頻率的鎖相環(huán)至關(guān)重要。本文首先介紹了衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，強(qiáng)調(diào)信號(hào)傳輸流程，然后結(jié)合實(shí)驗(yàn)中的電路結(jié)構(gòu)給出鎖相環(huán)的組成與工作原理，最后進(jìn)行鎖相環(huán)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，并且給出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

二、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)采用標(biāo)準(zhǔn)的兩次變頻方案，以便于組網(wǎng)及頻段設(shè)置[1，2]。在發(fā)射端，由攝像頭變換來(lái)的視頻和音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)如下變換：①輸入調(diào)制器中變換成70MHz中頻信號(hào)；②經(jīng)中頻濾波、放大和衰減控制后輸入第一上變頻器；③將70MHz中頻信號(hào)和L波段本振頻率960MHz相加，變換成高中頻1.03GHz信號(hào)；④放大濾波和衰減控制后輸入第二上變頻器；⑤當(dāng)高中頻信號(hào)1.03GHz與C波段本振頻率4.865—5.365GHz信號(hào)相混頻，取上邊帶，并且濾波放大后成為發(fā)射信號(hào)（頻率為5.925—6.425GHz）；⑥通過(guò)6GHz天線將射頻信號(hào)發(fā)送給衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。

從衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器傳送來(lái)的射頻信號(hào)3.7—4.2GHz，由4GHz天線接收并送給低噪聲放大器，經(jīng)過(guò)放大、衰減控制、濾波器后輸入第一下變頻器；在此與本振頻率4.865—5.365GHz信號(hào)相混，取下邊帶得1.07GHz高中頻信號(hào)；再經(jīng)濾波和放大后輸入到第二下變頻器；與對(duì)應(yīng)的L波段頻合器1.140GHz信號(hào)相混，取下邊帶得70MHz中頻信號(hào)；再經(jīng)濾波和可控增益放大器后輸入到視頻和音頻解調(diào)器，解調(diào)后的信號(hào)接入顯示設(shè)備或電腦即可完成整個(gè)通信過(guò)程。

三、鎖相環(huán)組成與工作原理

鎖相環(huán)是一種典型的反饋控制電路[3-5]，利用外部輸入的參考信號(hào)控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號(hào)的頻率和相位，實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤。鎖相環(huán)主要由壓控振蕩器、鑒相器和環(huán)路低通濾波器組成，如圖1所示。

四、鎖相環(huán)測(cè)量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用二次變頻方式獲得C波段衛(wèi)星信號(hào)，其中本地振蕩頻率分別由960MHz和5.12GHz鎖相環(huán)產(chǎn)生。通過(guò)調(diào)節(jié)壓控振蕩器中的電位器可以改變壓V（t），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鎖相。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的可操作性，采用DSA800系列頻譜儀分別測(cè)試發(fā)射系統(tǒng)中的兩個(gè)鎖相環(huán)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：

①工作區(qū)間測(cè)量。將開(kāi)關(guān)撥動(dòng)至壓控振蕩器，調(diào)節(jié)電位器改變輸出頻率，觀察幅頻特性，將測(cè)量結(jié)果記錄在表1中。測(cè)量結(jié)果表明5.12GHz鎖相環(huán)工作頻率區(qū)間為4.61—5.74GHz。②鎖相狀態(tài)下的測(cè)量。校準(zhǔn)頻譜儀，開(kāi)關(guān)撥至鎖相狀態(tài)，將頻譜儀的輸入端與鎖相環(huán)輸出口相連，設(shè)置中心頻率和參考電平，觀察鎖相環(huán)的幅頻特性，分別如圖2所示。當(dāng)鎖相環(huán)進(jìn)入鎖相狀態(tài)時(shí)，能獲得5.12GHz的本振頻率。

五、結(jié)語(yǔ)

本文以鎖相環(huán)為例，詳細(xì)介紹鎖相環(huán)的組成和工作原理。結(jié)合實(shí)驗(yàn)可操作性，給出第二級(jí)鎖相環(huán)工作頻率和峰值功率的測(cè)量結(jié)果以及處于鎖相狀態(tài)時(shí)的中心頻率和峰值功率。本文為衛(wèi)星通信類實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]張乃通，趙康僆，劉功亮.對(duì)建設(shè)我國(guó)“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”的思考[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2015，10（03）：223-230.

[2]郭慶，王振永.衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3]曾然.一種具有小數(shù)分頻功能的鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2018.

[4]于建華，陳劍，李嘉.基于數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)的鎖相環(huán)自測(cè)試電路[J].中國(guó)集成電路，2018，27（05）：27-32.

[5]周紅，陳曉東.高頻鎖相環(huán)的可測(cè)性設(shè)計(jì)[J].電子與封裝，2005，（08）：23-26.