衛星通信寬帶接收機變頻組件研究與設計

摘 要在通信系統中，衛星通信系統發揮著重要的作用。而變頻組件是衛星廣播通信系統中非常重要的一個組成部分，主要作用是將收到的射頻信號變頻解調成基帶信號。文章首先介紹了衛星通信寬帶接收機變頻結構，然后對相應的指標進行了分析，最后對衛星通信寬帶接收機變頻組件的設計措施進行了探討。

【關鍵詞】衛星通信 寬帶接收機 變頻組件

目前，電視廣播已經成為了一項具有較高價值的業務，衛星業務也逐步從電話業務朝著數據傳輸和視頻業務過渡，尤其是一些家庭衛星電視傳播對衛星系統的潛力進行了充分的發揮。當衛星處在靜止軌道時，如果地面站使用固定天線，那么單顆衛星覆蓋面積會占據到底線球表面積的1/3。也就是說，只需利用一顆衛星就可以實現整個大陸廣播。在衛星通信寬帶接收變頻組件成為了新的發展趨勢。由于不需要進行中頻處理和鏡像抑制處理，可以使系統結構得到精簡，從而降低系統能耗，對于多標準系統和多頻帶系統具有非常強的靈活性，而且可以節省帶寬，減少了ADC負擔。文章重點對衛星通信寬帶接收機變頻組件研究和設計進行探討。

1 數字處理技術的概述

信息化時代的到來和數據技術的快速發展，促使無線通信領域接收技術產生顛覆性的變革，傳統模擬技術已經逐漸退出移動通信和衛星通信以及個人無線通信等各個領域，現如今僅部分電視廣播還沿用模擬傳輸技術，而其他通信領域和無線領域已經被數字傳輸技術覆蓋。其中，數字處理技術的快速發展主要依靠于模數轉換和數字處理技術的迅速發展，而模數轉換器能夠實現模擬信號與數字信號的轉化，數字處理技術再對數字信號進行快速處理。因此，數字化器件對于無線傳輸領域的發展發揮著重要的作用，有助于全面提升無線電技術領域的快速發展。

模數轉換器將模擬信號轉換為數字信號之后，數字處理技術需在接收端對數字信號進行濾波和變頻以及解碼等處理操作。然后在發射端對傳入信息進行編碼和調制處理操作。相對于模擬調制解調來說，數字調制解調技術在信息傳輸處理方面具備較大優勢。相對于模擬調制來說，數字調制技術具有抗干擾能力強、糾錯能力強和安全性高等特點，被無線技術領域廣泛應用。

2 系統設計和研制的總體方案

為了深入研究衛生通信地面接收機變頻組件的設計和研制，現對AGC電路和解調電路的設計和系統電路研制進行分析。根據功能劃分系統，主要包含有濾波器和寬帶下變模塊。其中，衛星通信接收機變頻之間輸入頻段為L波段，使用的是二級變頻結構，利用第一級變頻將輸入信號轉化為固定中頻810MHz，再在中頻上設計AGC電路結構，其中，AGC的動態范圍是50dB，通過AGC電路結構使得系統輸出穩定信息。第二級變頻結構則使用零中頻結構，并且二級本振頻率是固定的810MHz，再將系統中頻解調轉化成基帶的I/Q兩路信號。

3 對衛星通信寬帶接收機變頻組件進行研究和設計

3.1 對濾波器電路進行設計

通常情況下接收機系統中的前端濾波器在不同架構之中有兩種功能。其中，在超外差結構接收機之中前端濾波器的主要功能是選取需要射頻信號通帶并確保鏡像頻率達到合適的抑制度，而鏡像頻率主要指的是在本振頻率和信號載波頻率距離中頻頻率并在本振兩側對稱的頻率點，因此超外差結構體系中鏡頻抑制發揮著重要的作用。結合接收機混頻原理得知，本振頻率和射頻信號混頻過程中，受到混頻器非線性特質的影響，混頻器輸出端則會產生mw1±nw2的諧波頻率，混頻器產生的中頻則為|w1-w2|，所以載波信號鏡像頻率混頻之后則會落在中頻信號帶寬之中。若接收系統中頻選擇不夠合理，則可能會導致載波鏡像頻率功率過大，從而嚴重影響系統信號穩定，進而導致接收系統無法正常工作，而在直接變頻結構之中，系統則不會出現鏡像干擾，而前端濾波器的主要功能是取出信號，過濾外干擾。

系統使用的是二級變頻結構，其中第一級是超外差結構，所以前端濾波器需要對載波鏡頻頻率進行抑制。對濾波器進行設計之前應當先明確系統鏡像抑制度指標，一般情況下通過計算鏡像增益A與實際頻段RF信號增益B即可明確抑制度。其中，通信系統要求信干比是SIR，鏡像抑制度是B-A-SIR。系統處理信號是QPSK調制信號，通過計算得知，濾波器的鏡像抑制只需達到50dB即可有效滿足系統性能穩定的基本需求。

3.2 對中頻濾波器和輸出低通濾波器進行設計

系統中的中頻濾波器主要功能是濾除混頻之后中頻通帶外的干擾和雜散，特別是RF信號和本振混頻產生的mw1±nw2的2階以上的組合斜坡頻率，所以通常情況下中頻濾波包含有保護信號通帶，主要用于排除信號干擾，系統使用聲表面波濾波器為中頻濾波器。其中，聲表面波濾波器主要具備以下幾個特點：濾波器頻率響應較為平坦，不平坦幅度為±0.3至±0.5dB，而群時為±30至±50ns；SAWF矩形系數相對較好，帶外抑制高達40dB及其以上；雖然插入損耗相對較大，高達25～30dB，可以采用放大器補償電平損失。該洗砼表面波濾波器參數如表1所示。

在系統中將輸入的射頻信號解調為基帶I/Q兩路信號，其中這兩路信號的幅度平衡和相位平衡對系統EVM指標產生直接的影響。低通濾波器的帶內波動特性和群延時對兩路信號的幅度平衡度和相位平衡度產生直接影響。所以，在對低通濾波器進行設計時不但需對濾波性能進行充分考慮，還需有效降低濾波器的帶內波動和群延遲。根據現代濾波器網絡理論得知，使用LC元件設計低通濾波器能夠有效達到濾波性能，受到元件精度和電路板設計以及板件參數的影響，濾波器的帶內波動和群延遲仍然難以滿足系統幅相平衡的基本要求，所以，MINI使用公司生產的RLP-30型號低通濾波器作為系統遺后輸出的低通濾波器。根據測定得知RLP-30型號的低通濾波器性能比較穩定，3dB帶寬頻率為37MHz，插入損耗相對較小，在衛星通信與移動通信領域更為適用。

3.3 寬帶下變頻電路的設計和研制

變頻組件的性能和尺寸有著較高的要求，現使用RFMD公式產生的RF2052射頻芯片作為寬帶下變頻電路的主體芯片。其中RF2052是自帶鎖相環與混頻器的寬帶頻率轉換芯片，具備著低功耗和高性能的基本特點，芯片內部頻率綜合器主要包括小數分頻頻率的鎖相環（PLL）以及3個高性能的壓控振蕩器（VCD），采用合適的外部環路濾波器與穩定的頻率參考源即可用作低相位噪聲頻率源。通過緩沖之后頻率源即可為混頻器提供本振頻率，確保芯片輸出射頻信號能夠穩定到達所需頻帶。其中，內部混頻器偏置電流屬于可編程，結合電路性能和輸出電流合理配置偏置電流。因為使用小數分頻，所以內部本振模塊可以在30MHz與2400MHz間進行連續轉換。而寬帶混頻器可操作頻帶則可以從30MHz至2500MHz，并且輸入信號還可以進行上變頻與下變頻操作，芯片使用的外部頻率為10MHz至52MHz。

在設計RF2502電路板過程中，接地直接影響著芯片的性能，特別是芯片中心PAD，若接地不夠良好則會致使輸出頻率噪聲性能受到嚴重影響，甚至可能會導致本振無輸出頻率，從而使得芯片無法穩定工作。為了確保電路的穩定性能，電路板使用單面設計，而背面裸露并由螺釘固定至腔體之上，保證接地良好，并且電路板上層需要通過孔和背面相互連接，從而保證測試芯片達到設計性能。在實際調試過程中，應當先調試內置的頻率源，經過電路設置之后即可在芯片輸出端輸出頻率源信號，并將頻率源信號作為測試信號，不斷調試確保環路濾波器能夠達到所需信號頻率。

4 結論

綜上所述，文章設計了可以在衛星通信寬帶接收機中進行應用的變頻組件，可以將輸入的L波段載波信號變頻調節為兩路基帶的I/Q信號，使用該變頻組件可以使EVM和穩定幅度輸出低于4%，達到了使用要求。

參考文獻

[1]姜作凱.寬帶微波接收前端研究[D].成都：電子科技大學，2013.

[2]馬寧.衛星通信寬帶接收機變頻組件研究與設計[D].成都：電子科技大學，2012.

作者簡介

黃磊（1987-），男，浙江省金華市人。碩士學位。工程師，從事工作為射頻微波電路設計。

作者單位

中國電子科技集團公司第二十九研究所 四川省成都市 610036endprint