衛星通信用單路衰減可調中頻單元的設計與實現

韓帥等

摘 要： 設計和開發了衛星通信用單路增益可調中頻單元。闡述了系統設計需求和整體結構，詳細介紹了程序控制衰減模塊、6 dB增益放大器、工作狀態監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方法。該設計解決了現有中頻單元工作模式影響通信業務質量的問題，降低了內部干擾的風險，提高了任務保障能力。測試結果表明符合設計要求。

關鍵詞： 衛星通信； 頻分多址； 中頻單元； 單路衰減可調

中圖分類號： TN927+.2?34 文獻標識碼： 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

在衛星通信系統中，所有終端設備發送的中頻載波信號都要通過中頻單元調整好電平后合成為一路，以送到射頻設備進一步處理；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備。顯然，中頻單元是系統的中頻信號處理樞紐，其性能對整個系統的工作質量及可靠性都有著重要影響[1]。

對于采用FDMA尋址方式的衛星通信系統[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備間連接的電纜較多，增加了系統的不可靠性；二是群路衰減可調式中頻單元的電平調整方式不能滿足要求。采用FDMA尋址方式的衛星通信網，為減少交調失真及大信號對小信號的抑制，要求載波等幅度，而有些調制器的電平調節范圍有限，無法在進入中頻單元之前調整到要求的電平，群路衰減中頻單元又不能對單路中頻載波電平進行調整，致使該載波對其他載波產生干擾，影響了衛星通信業務的質量。

為解決以上問題，提高中頻單元性能，完善功能，滿足任務要求，有必要設計并開發一種衛星通信用單路衰減可調的中頻單元。

1 設計需求

（1） 載波電平調整方式為單路衰減可調，可調范圍為0～15 dB，步進制為0.5 dB。

（2） 根據需要選擇中頻輸入/輸出端口數量。為方便用戶，采用模塊化設計，可以根據實際需求增加或減少輸入/輸出端口的模塊，增強系統擴展性和靈活性。

（3） 具備自動監測功能。要能夠監視各部分電路的工作狀態和各路輸入/輸出衰氣減量的變化，發現異常情況及時發出告警，報告發生故障的部位，以便縮短故障停機時間。

2 系統整體架構

圖1為系統結構圖，為提高設備的靈活性和性能，采用8031微處理器[3]控制各部分電路實現所需功能。上行中頻信號經單路可調衰減模塊調整后通過合路器合并后送至中頻發送接口，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。

遙控接口可以實現遠端計算機遙控或網絡控制。液晶顯示可以用菜單顯示每一路輸入或輸出的配置參數，定量顯示衰減量以及中頻單元的當前狀態等。

3 電路實現

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的信號變換電路，變換成相應的電流信號，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型網絡[4]構成。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，]當電流[I0]增加時，二極管的內阻減小，T型網絡的傳輸系數增高，衰減減小。只要保證電流[I0]穩定，網絡的衰減量就是固定的。這里使用兩個二極管串聯作為變阻器件，是為了減少PIN管結電容對T型網絡的傳輸特性產生影響。經過簡化的工作原理如圖2（b）所示，實際上就是串聯電阻分壓網絡。輸入/輸出關系為：

圖2 串聯二極管T型衰減器

3.1.2 信號變換

信號轉換電路將來自CPU的數字控制信號轉換成驅動可變衰減器的電流信號，主要由鎖存器、D/A轉換器和電壓/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轉換器用于將數字衰減量信息轉換成相應的模擬電壓信號，可選用8位D/A轉換器件[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、相位噪聲、帶寬、幅頻特性等指標。

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 自動監測工作狀態

設備自動監測工作狀態是提高設備工作可靠性的重要手段之一。監測的內容包括存儲器的狀態、電源電壓、衰減量等模擬量和輸入/輸出控制的開關狀態，隨時采集匯報所監視的參數的變化，并與存儲的值作比較，判斷工作狀態是否正常。

模擬量的監測原理如圖5所示。電平轉換電路將數據采集點的模擬電壓信號轉換成適當的電壓，經模擬多路開關選擇并緩沖放大后，由A/D轉換器轉換成8位數字信號，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，控制各模塊協調工作。

控制電路設計成總線結構，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、數據總線和地址總線。因為各種數據信號都是8位的，所以數據總線只需8位。鑒于衛星通信的特點，一個中頻單元只須控制同一個衛星的一個轉發器的相應中頻信號，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，這些參數保存在非易失性存儲器中。為了簡化程序設計，采用閃爍存儲器。閃爍存儲器的存取速度快，與RAM相當，擦/寫次數可達百萬次，保持時間長，能提高設備性能，延長使用壽命。

LCD顯示器采用字符數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 語

單路衰減可調中頻單元改善了FDMA尋址方式衛星通信系統中頻信號電平調整的便利性，減小了內部干擾的風險，提高了衛星通信站的任務保障能力。該硬件單元研制成功后，進行了為期一年的運行測試，測試結果表明，該單元性能穩定，能夠滿足設計需求，具有較高的實際應用價值，可以在同類產品設計和開發中推廣借鑒。

參考文獻

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