衛(wèi)星通信實踐課程中鎖相環(huán)測量實驗設(shè)計

廖希 廖莎莎 李強 余翔 明艷

摘要：本文依托衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實訓(xùn)平臺，以鎖相環(huán)實驗為例，從理論和實體實驗測量兩方面對相關(guān)教學(xué)環(huán)節(jié)、測量步驟和結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)介紹。理論部分重點介紹鎖相環(huán)的組成與基本工作原理，測量環(huán)節(jié)中結(jié)合實驗系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計測量方案，并且給出測量結(jié)果。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信；鎖相環(huán)；實驗設(shè)計

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

一、概述

為了培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的實踐能力，我校依托衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實訓(xùn)平臺開設(shè)衛(wèi)星通信隨課實驗。課程設(shè)置16學(xué)時，8次實驗。采用的實訓(xùn)平臺主要包括中頻調(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)實訓(xùn)平臺，強調(diào)信號傳輸流程，然后結(jié)合實驗中的電路結(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)實驗方案設(shè)計，并且給出相應(yīng)的實驗結(jié)果。

二、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實訓(xùn)平臺

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實訓(xùn)平臺采用標(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，由攝像頭變換來的視頻和音頻信號經(jīng)過如下變換：①輸入調(diào)制器中變換成70MHz中頻信號；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中頻信號和L波段本振頻率960MHz相加，變換成高中頻1.03GHz信號；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1.03GHz與C波段本振頻率4.865—5.365GHz信號相混頻，取上邊帶，并且濾波放大后成為發(fā)射信號（頻率為5.925—6.425GHz）；⑥通過6GHz天線將射頻信號發(fā)送給衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。

從衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器傳送來的射頻信號3.7—4.2GHz，由4GHz天線接收并送給低噪聲放大器，經(jīng)過放大、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信號相混，取下邊帶得1.07GHz高中頻信號；再經(jīng)濾波和放大后輸入到第二下變頻器；與對應(yīng)的L波段頻合器1.140GHz信號相混，取下邊帶得70MHz中頻信號；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)后的信號接入顯示設(shè)備或電腦即可完成整個通信過程。

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控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號的頻率和相位，實現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤。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)測量實驗設(shè)計

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

根據(jù)實驗的可操作性，采用DSA800系列頻譜儀分別測試發(fā)射系統(tǒng)中的兩個鎖相環(huán)。實驗內(nèi)容如下：

①工作區(qū)間測量。將開關(guān)撥動至壓控振蕩器，調(diào)節(jié)電位器改變輸出頻率，觀察幅頻特性，將測量結(jié)果記錄在表1中。測量結(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)下的測量。校準(zhǔn)頻譜儀，開關(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，能獲得5.12GHz的本振頻率。

五、結(jié)語

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)合實驗可操作性，給出第二級鎖相環(huán)工作頻率和峰值功率的測量結(jié)果以及處于鎖相狀態(tài)時的中心頻率和峰值功率。本文為衛(wèi)星通信類實驗課程設(shè)計提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]張乃通，趙康僆，劉功亮.對建設(shè)我國“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”的思考[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，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)計與實現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2018.

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

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