星載相控陣收發(fā)信機應(yīng)用及工程實現(xiàn)研究

紀(jì)春國

中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院 上海 200000

引言

星載相控陣收發(fā)信機主要用于將調(diào)制后的KA頻段射頻信號傳輸至地面數(shù)據(jù)接收站，實現(xiàn)信號波束指向在一定區(qū)域內(nèi)的電掃，同時具備接收、解調(diào)地面終端上行信號的功能[1]。本論文對星載相控陣收發(fā)信機進行了方案設(shè)計，包括單機組成功能、關(guān)鍵部件設(shè)計原理、設(shè)備接口設(shè)計等內(nèi)容。

1 星載相控陣收發(fā)信機系統(tǒng)設(shè)計

1.1 星載相控陣收發(fā)信機組成

星載相控陣收發(fā)信機是衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)的重要組成部分，由KA波段陣列天線、射頻單元、基帶處理板組成，其中，射頻單元由576個相控陣發(fā)射通道、單接收通道、電源模塊、本振時鐘等組成[2]。

1.2 星載相控陣收發(fā)信機發(fā)送流程

星載相控陣收發(fā)信機的發(fā)送流程為：基帶處理板接收衛(wèi)星平臺軌道、姿態(tài)、地面站位置等信息，進行波束指向解算，生成相位控制信號，對射頻單元的發(fā)射通道進行移相控制，射頻單元的發(fā)射通道接收來自多路復(fù)接的KA頻段已調(diào)制信號，經(jīng)功分、576個發(fā)射通道移相放大后送給576個發(fā)射天線。

1.3 星載相控陣收發(fā)信機接收流程

星載相控陣收發(fā)信機的接收流程為：KA頻段接收天線接收上行信號后送入射頻單元，由其對該射頻信號進行下變頻、濾波、放大并進行AGC處理后送給基帶處理板260MHz的中頻信號，由基帶處理板完成上行信號的解調(diào)后，根據(jù)消息的類型，將上行消息通過總線轉(zhuǎn)發(fā)給星務(wù)計算機，或通過串口發(fā)送給智能處理載荷[3]。

1.4 星載相控陣收發(fā)信機射頻單元

射頻單元同時為基帶處理板提供80MHz的時鐘信號，基帶處理板實現(xiàn)對射頻單元遙測的采集及OC控制，并通過1553B總線與星務(wù)通信，完成整機的遙控遙測功能。

圖1 星載相控陣收發(fā)信機系統(tǒng)組成及信號流圖

2 星載相控陣收發(fā)信機射頻單元設(shè)計

2.1 相控陣收發(fā)信機射頻發(fā)射通道設(shè)計

相控陣天線陣列按照離軸角45度時增益為30.7dB進行按照估算，陣面初步設(shè)計采用24×24矩陣結(jié)構(gòu)，陣元數(shù)量為576。考慮系統(tǒng)EIRP設(shè)計一定裕量，單元放大器輸出功率≥19dBm。發(fā)射陣面設(shè)計為方陣排列，為避免出現(xiàn)柵瓣，最大單元間距的限制應(yīng)為，λ為波長，為最大掃描角，陣元間距6.5mm。

相控陣天線主要由576發(fā)射相控陣與單通道接收組成。發(fā)射與接收共用一次電源母線輸入[4]。整個相控陣單機由功分放大單元、有源T模塊、單接收通道、分配單元、電源單元以及散熱板共六部分組成。

2.2 相控陣收發(fā)信機射頻接收通道設(shè)計

射頻接收單元將天線接收到的上行射頻信號進行低噪聲放大、帶通濾波、下變頻處理、AGC放大后，輸出功率恒定的中頻信號供基帶模塊的AD進行數(shù)字化采集，同時還提供接收本振鎖定指示遙測、AGC遙測[5]。①下變頻組件主要包含接收通道、時鐘電路、本振源電路和電源電路四個部分。②接收通道：實現(xiàn)上行信號的下變頻、帶通濾波、中頻放大、AGC處理后輸出中頻信號。③時鐘電路：利用恒溫晶振生成時鐘信號，經(jīng)功分放大后分別提供給本振源電路和基帶。④本振源電路：生成下變頻所需本振源信號基頻。⑤電源電路：將外部提供的工作電壓穩(wěn)壓濾波后輸出給各功能單元，同時具備開關(guān)機控制功能。

2.2.1 接收通道電路設(shè)計。接收通道電路主要由下變頻模塊、中頻放大電路等部分組成。

2.2.2 時鐘電路設(shè)計。時鐘電路的功能是通過恒溫晶振生成80MHz的時鐘信號，再經(jīng)過功分放大電路輸出兩路，一路提供給基帶，一路提供給本振源電路作為參考信號。

晶振選擇恒溫晶振，主要技術(shù)指標(biāo)如下：①輸出頻率：80MHz；②電源電壓：+12V±%5直流電源；③基準(zhǔn)溫度下初始準(zhǔn)確度：≤|±5×10-7|；④頻率溫度穩(wěn)定度；≤|±1×10-7|；⑤輸出波形：正弦波；⑥輸出功率：12 dBm±2dBm。

2.2.3 本振源電路設(shè)計。本振源電路功能是利用PLS輸出下變頻所需的本振基頻信號，同時輸出PLS鎖定指示電平。

3 相控陣收發(fā)信機基帶硬件設(shè)計

基帶模塊主要通過雙冗余1553B總線接收衛(wèi)星平臺發(fā)送過來的軌道、姿態(tài)、時間等信息，結(jié)合用戶位置報告，進行波束指向解算，生成相位控制信號，對移相模塊進行移相控制；接收上行點播信號，與智能圖像處理單元進行通訊；具備遙控遙測功能；并具備上注功能。其外部接口主要包括中頻輸入接口和中頻時鐘輸出接口；其內(nèi)部接口主要有KA移相通道接口、1553B總線接口、與智能圖像處理單元通信接口、接收上行點播功能接口，遙測遙控功能接口，上注功能接口和調(diào)試功能接口[6]。

基帶處理板主要通過雙冗余1553B總線接收衛(wèi)星平臺發(fā)送過來的軌道、姿態(tài)、時間等信息，結(jié)合用戶位置報告，進行波束指向解算，生成相位控制信號，對移相模塊進行移相控制；接收上行點播信號，與智能圖像處理單元進行通訊；具備遙控遙測功能；并具備上注功能。

3.1 接收通道（中頻ADC）設(shè)計

接收通道的中頻260MHz，帶寬40M，采樣率為80MHz。接收通道設(shè)計采用ADC芯片SAD2208，以采樣率80MHz采樣40M帶寬信號。

3.2 KA相移通道設(shè)計

KA相移通道采用SPI的接口方式，電平為TTL，通信速率為10Mbps。由FPGA芯片直接控制經(jīng)過B54ACS164245芯片進行電平轉(zhuǎn)換（3.3V轉(zhuǎn)5V）輸出。

3.3 1553B總線設(shè)計

1553B總線功能采用雙冗余1553B總線方式，通信速率為1Mbps，由FPGA芯片（JFM7K325T-C）通過電平轉(zhuǎn)換芯片（B54ACS164245）控制1553B芯片（B61580RH）。

3.4 FPGA電路設(shè)計

3.4.1 FPGA硬件接口設(shè)計。基帶處理板功能包括：①與接收通道中頻數(shù)據(jù)和時鐘的輸入接口；②與KA頻段移相通道數(shù)據(jù)傳輸；③與星務(wù)計算機的1553B總線數(shù)據(jù)通信和OC指令；④模擬量采集；⑤⑥接收刷新芯片的刷新；⑦看門狗芯片控制；⑧與DSP之間EMIF接口通信。

3.4.2 FPGA芯片資源介紹。FPGA器件采用復(fù)旦微電子公司JFM7K325T，器件資源如下：①可配置邏輯塊：326080個邏輯單元，108300個Slice 數(shù)，3600個DSP；②塊RAM：2940個18KB，最大Block RAM為52920Kbits。

3.5 DSP電路設(shè)計

基帶處理板DSP系統(tǒng)主要完成波束解算、組幀、生成相位控制信號。

3.5.1 DSP硬件接口設(shè)計。①與星務(wù)計算機接口；②與FPGA直接的信號傳輸；③數(shù)據(jù)存儲SRAM；④程序存儲NOR FLASH。

3.5.2 DSP芯片資源介紹。①供電電壓： IO電壓3.3V；核電壓1.9V；②片上SRAM： 1Mbit；③EMIF數(shù)據(jù)線:32bit。

3.5.3 DSP外部程序存儲器設(shè)計。

3.5.4 DSP外部數(shù)據(jù)存儲器設(shè)計。

3.6 FPGA刷新電路設(shè)計

刷新FPGA用于實現(xiàn)對SRAM型FPGA芯片的動態(tài)加載、周期刷新，降低單粒子對設(shè)備功能性能的影響?；鶐幚戆寰邆渌⑿鹿δ?，通過外部刷新芯片對FPGA的配置接口進行刷新來實現(xiàn)。刷新芯片使用復(fù)旦微電子的JFMRS01RH，其配備4片F(xiàn)lash用于存儲程序。

3.7 模擬量采集電路設(shè)計

模塊量采集的ADC前端采用多路選擇器CC4067芯片，模擬量采集ADC芯片B9243，通過多路選擇器的地址線（FPGA控制）控制哪路到達(dá)輸出端。

4 相控陣收發(fā)信機軟件設(shè)計

軟件開發(fā)基于基帶硬件平臺進行開發(fā)，主要處理器含1片JFM7K325T FPGA以及一片F(xiàn)T-C6701 DSP，其中FPGA完成數(shù)字通道功能、捕獲、跟蹤、通道分配以及解調(diào)、幀同步、譯碼及數(shù)據(jù)緩存、模擬量采集、看門狗、串口等接口管理工作。DSP則完成協(xié)議解析、組幀、波控解算、刷新管理、遙控遙測等工作，軟件流如圖2所示。

圖2 相控陣收發(fā)信機軟件信號流

4.1 相控陣收發(fā)信機FPGA軟件設(shè)計

FPGA功能要求如下：①完成對AD2208芯片的配置；②接收模擬中頻進行采樣，完成捕獲、跟蹤、幀同步后緩存，待DSP來讀??；③接收DSP對61580芯片的配置字，通過1553B接口模塊完成與61580的交互；④接收DSP送來的波控碼，通過SPI接口輸出給射頻；⑤接收DSP送來的上行解幀后的數(shù)據(jù)，通過UART協(xié)議送給RS422接口芯片；⑥接收DSP送來的射頻開關(guān)機OC指令，并按照時序輸出給OC門電路；⑦通過AD9243實現(xiàn)對模擬量的采集，并緩存數(shù)據(jù)待DSP來讀取；⑧接收禁狗OC指令，實現(xiàn)看門狗功能；⑨EMIF接口功能；DSP與FPGA通信通過EMIF實現(xiàn)；⑩軟件參數(shù)化設(shè)計，對于門限參數(shù)可通過指令修改；?重要數(shù)據(jù)做三模處理。

4.2 相控陣收發(fā)信機DSP軟件設(shè)計

DSP控制軟件是運行在點播數(shù)傳硬件平臺上，主要完成上行解幀、1553B指令控制、遙測采集、看門狗、波控、重構(gòu)、刷新、通道校正等，具體功能要求如下：①上行解幀功能：接收FPGA送來的上行譯碼后的幀，進行解幀處理，將接入請求及點播請求幀寫入FPGA，通過UART協(xié)議輸出，將其余幀與整機遙測通過1553B總線送給星務(wù)；②遙控遙測功能：通過1553B接收星務(wù)的遙控指令并執(zhí)行；③完成看門狗及復(fù)位功能；④上注功能：智能圖像處理通過RS422異步串口接收并緩存上注數(shù)據(jù)，由DSP通過EMIF總線讀??；⑤波控功能，包含指向角計算和波控碼解算；⑥刷新管理功能：DSP通過串口對JFMRS01RH進行刷新、重載等管理；⑦通道校正功能：單機通過地面測試，將通道不一致性參數(shù)寫入DSP程序內(nèi)。

5 星載相控陣收發(fā)信機工程實施結(jié)果

通過本方案軟硬件設(shè)計及工程實施，實現(xiàn)了衛(wèi)星數(shù)傳與通信的一體化，產(chǎn)品實物圖如圖3所示：

圖3 相控陣收發(fā)信機產(chǎn)品實物圖

6 結(jié)束語

綜上所述，本文對星載相控陣收發(fā)信機進行了詳細(xì)設(shè)計與工程實施，實現(xiàn)了波控模塊與上行數(shù)字解調(diào)的一體化設(shè)計，各項功能和技術(shù)指標(biāo)符合要求，滿足星載通信數(shù)傳一體化需求。