衛(wèi)星通信寬帶接收機(jī)變頻組件研究與設(shè)計

摘 要在通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用。而變頻組件是衛(wèi)星廣播通信系統(tǒng)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(diào)成基帶信號。文章首先介紹了衛(wèi)星通信寬帶接收機(jī)變頻結(jié)構(gòu)，然后對相應(yīng)的指標(biāo)進(jìn)行了分析，最后對衛(wèi)星通信寬帶接收機(jī)變頻組件的設(shè)計措施進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】衛(wèi)星通信 寬帶接收機(jī) 變頻組件

目前，電視廣播已經(jīng)成為了一項具有較高價值的業(yè)務(wù)，衛(wèi)星業(yè)務(wù)也逐步從電話業(yè)務(wù)朝著數(shù)據(jù)傳輸和視頻業(yè)務(wù)過渡，尤其是一些家庭衛(wèi)星電視傳播對衛(wèi)星系統(tǒng)的潛力進(jìn)行了充分的發(fā)揮。當(dāng)衛(wèi)星處在靜止軌道時，如果地面站使用固定天線，那么單顆衛(wèi)星覆蓋面積會占據(jù)到底線球表面積的1/3。也就是說，只需利用一顆衛(wèi)星就可以實現(xiàn)整個大陸廣播。在衛(wèi)星通信寬帶接收變頻組件成為了新的發(fā)展趨勢。由于不需要進(jìn)行中頻處理和鏡像抑制處理，可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到精簡，從而降低系統(tǒng)能耗，對于多標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)和多頻帶系統(tǒng)具有非常強(qiáng)的靈活性，而且可以節(jié)省帶寬，減少了ADC負(fù)擔(dān)。文章重點對衛(wèi)星通信寬帶接收機(jī)變頻組件研究和設(shè)計進(jìn)行探討。

1 數(shù)字處理技術(shù)的概述

信息化時代的到來和數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展，促使無線通信領(lǐng)域接收技術(shù)產(chǎn)生顛覆性的變革，傳統(tǒng)模擬技術(shù)已經(jīng)逐漸退出移動通信和衛(wèi)星通信以及個人無線通信等各個領(lǐng)域，現(xiàn)如今僅部分電視廣播還沿用模擬傳輸技術(shù)，而其他通信領(lǐng)域和無線領(lǐng)域已經(jīng)被數(shù)字傳輸技術(shù)覆蓋。其中，數(shù)字處理技術(shù)的快速發(fā)展主要依靠于模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字處理技術(shù)的迅速發(fā)展，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化，數(shù)字處理技術(shù)再對數(shù)字信號進(jìn)行快速處理。因此，數(shù)字化器件對于無線傳輸領(lǐng)域的發(fā)展發(fā)揮著重要的作用，有助于全面提升無線電技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號之后，數(shù)字處理技術(shù)需在接收端對數(shù)字信號進(jìn)行濾波和變頻以及解碼等處理操作。然后在發(fā)射端對傳入信息進(jìn)行編碼和調(diào)制處理操作。相對于模擬調(diào)制解調(diào)來說，數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)在信息傳輸處理方面具備較大優(yōu)勢。相對于模擬調(diào)制來說，數(shù)字調(diào)制技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、糾錯能力強(qiáng)和安全性高等特點，被無線技術(shù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

2 系統(tǒng)設(shè)計和研制的總體方案

為了深入研究衛(wèi)生通信地面接收機(jī)變頻組件的設(shè)計和研制，現(xiàn)對AGC電路和解調(diào)電路的設(shè)計和系統(tǒng)電路研制進(jìn)行分析。根據(jù)功能劃分系統(tǒng)，主要包含有濾波器和寬帶下變模塊。其中，衛(wèi)星通信接收機(jī)變頻之間輸入頻段為L波段，使用的是二級變頻結(jié)構(gòu)，利用第一級變頻將輸入信號轉(zhuǎn)化為固定中頻810MHz，再在中頻上設(shè)計AGC電路結(jié)構(gòu)，其中，AGC的動態(tài)范圍是50dB，通過AGC電路結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)輸出穩(wěn)定信息。第二級變頻結(jié)構(gòu)則使用零中頻結(jié)構(gòu)，并且二級本振頻率是固定的810MHz，再將系統(tǒng)中頻解調(diào)轉(zhuǎn)化成基帶的I/Q兩路信號。

3 對衛(wèi)星通信寬帶接收機(jī)變頻組件進(jìn)行研究和設(shè)計

3.1 對濾波器電路進(jìn)行設(shè)計

通常情況下接收機(jī)系統(tǒng)中的前端濾波器在不同架構(gòu)之中有兩種功能。其中，在超外差結(jié)構(gòu)接收機(jī)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(dá)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(cè)對稱的頻率點，因此超外差結(jié)構(gòu)體系中鏡頻抑制發(fā)揮著重要的作用。結(jié)合接收機(jī)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(zhì)的影響，混頻器輸出端則會產(chǎn)生mw1±nw2的諧波頻率，混頻器產(chǎn)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(tǒng)中頻選擇不夠合理，則可能會導(dǎo)致載波鏡像頻率功率過大，從而嚴(yán)重影響系統(tǒng)信號穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致接收系統(tǒng)無法正常工作，而在直接變頻結(jié)構(gòu)之中，系統(tǒng)則不會出現(xiàn)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(tǒng)使用的是二級變頻結(jié)構(gòu)，其中第一級是超外差結(jié)構(gòu)，所以前端濾波器需要對載波鏡頻頻率進(jìn)行抑制。對濾波器進(jìn)行設(shè)計之前應(yīng)當(dāng)先明確系統(tǒng)鏡像抑制度指標(biāo)，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(tǒng)要求信干比是SIR，鏡像抑制度是B-A-SIR。系統(tǒng)處理信號是QPSK調(diào)制信號，通過計算得知，濾波器的鏡像抑制只需達(dá)到50dB即可有效滿足系統(tǒng)性能穩(wěn)定的基本需求。

3.2 對中頻濾波器和輸出低通濾波器進(jìn)行設(shè)計

系統(tǒng)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(chǎn)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(hù)信號通帶，主要用于排除信號干擾，系統(tǒng)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(yīng)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(shù)相對較好，帶外抑制高達(dá)40dB及其以上；雖然插入損耗相對較大，高達(dá)25～30dB，可以采用放大器補(bǔ)償電平損失。該洗砼表面波濾波器參數(shù)如表1所示。

在系統(tǒng)中將輸入的射頻信號解調(diào)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(tǒng)EVM指標(biāo)產(chǎn)生直接的影響。低通濾波器的帶內(nèi)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(chǎn)生直接影響。所以，在對低通濾波器進(jìn)行設(shè)計時不但需對濾波性能進(jìn)行充分考慮，還需有效降低濾波器的帶內(nèi)波動和群延遲。根據(jù)現(xiàn)代濾波器網(wǎng)絡(luò)理論得知，使用LC元件設(shè)計低通濾波器能夠有效達(dá)到濾波性能，受到元件精度和電路板設(shè)計以及板件參數(shù)的影響，濾波器的帶內(nèi)波動和群延遲仍然難以滿足系統(tǒng)幅相平衡的基本要求，所以，MINI使用公司生產(chǎn)的RLP-30型號低通濾波器作為系統(tǒng)遺后輸出的低通濾波器。根據(jù)測定得知RLP-30型號的低通濾波器性能比較穩(wěn)定，3dB帶寬頻率為37MHz，插入損耗相對較小，在衛(wèi)星通信與移動通信領(lǐng)域更為適用。

3.3 寬帶下變頻電路的設(shè)計和研制

變頻組件的性能和尺寸有著較高的要求，現(xiàn)使用RFMD公式產(chǎn)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(huán)與混頻器的寬帶頻率轉(zhuǎn)換芯片，具備著低功耗和高性能的基本特點，芯片內(nèi)部頻率綜合器主要包括小數(shù)分頻頻率的鎖相環(huán)（PLL）以及3個高性能的壓控振蕩器（VCD），采用合適的外部環(huán)路濾波器與穩(wěn)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(wěn)定到達(dá)所需頻帶。其中，內(nèi)部混頻器偏置電流屬于可編程，結(jié)合電路性能和輸出電流合理配置偏置電流。因為使用小數(shù)分頻，所以內(nèi)部本振模塊可以在30MHz與2400MHz間進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)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(jìn)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(shè)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(yán)重影響，甚至可能會導(dǎo)致本振無輸出頻率，從而使得芯片無法穩(wěn)定工作。為了確保電路的穩(wěn)定性能，電路板使用單面設(shè)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(dá)到設(shè)計性能。在實際調(diào)試過程中，應(yīng)當(dāng)先調(diào)試內(nèi)置的頻率源，經(jīng)過電路設(shè)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(diào)試確保環(huán)路濾波器能夠達(dá)到所需信號頻率。

4 結(jié)論

綜上所述，文章設(shè)計了可以在衛(wèi)星通信寬帶接收機(jī)中進(jìn)行應(yīng)用的變頻組件，可以將輸入的L波段載波信號變頻調(diào)節(jié)為兩路基帶的I/Q信號，使用該變頻組件可以使EVM和穩(wěn)定幅度輸出低于4%，達(dá)到了使用要求。

參考文獻(xiàn)

[1]姜作凱.寬帶微波接收前端研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

[2]馬寧.衛(wèi)星通信寬帶接收機(jī)變頻組件研究與設(shè)計[D].成都：電子科技大學(xué)，2012.

作者簡介

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

作者單位

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