FPGA波導(dǎo)開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)程倒換裝置的設(shè)計(jì)和思考

金立希

【摘要】波導(dǎo)開(kāi)關(guān)對(duì)于衛(wèi)星地球站安全播出而言，起的非常大的作用，因此如何在發(fā)生故障時(shí)快速倒換波導(dǎo)開(kāi)關(guān)一直是一個(gè)重要話題。本文主要介紹了波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的遠(yuǎn)程狀態(tài)顯示及倒換原理，以及如何設(shè)計(jì)基于FPGA的波導(dǎo)開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)程倒換裝置進(jìn)行闡述。同時(shí)對(duì)于該遠(yuǎn)程倒換裝備進(jìn)行了一些研究與思考。

【關(guān)鍵詞】波導(dǎo)開(kāi)關(guān);遠(yuǎn)程倒換;FPGA;設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.09..005

對(duì)于衛(wèi)星地球站而言，波導(dǎo)開(kāi)關(guān)在地球站上行主備系統(tǒng)倒換，上行主備天線倒換以及雙星并發(fā)時(shí)起著重大的作用，特別是在地球站設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，及時(shí)倒換波導(dǎo)開(kāi)關(guān)能夠使值班員在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)系統(tǒng)的正常播出，對(duì)于安全播出起著非常重大的作用。但是，在實(shí)際對(duì)波導(dǎo)開(kāi)關(guān)進(jìn)行倒換時(shí)，可能存在著波導(dǎo)開(kāi)關(guān)并不在值班員身邊，需要值班員立即跑到波導(dǎo)開(kāi)關(guān)所在機(jī)房進(jìn)行手動(dòng)倒換的情況，因此，設(shè)計(jì)一款波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的遠(yuǎn)程倒換裝置，能夠有效縮短倒換波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的時(shí)間，減少節(jié)目中斷時(shí)長(zhǎng)，更好的保障衛(wèi)星電視節(jié)目的安全播出。本文主要介紹了波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的倒換原理，以及如何使用FPGA模塊進(jìn)行波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的遠(yuǎn)程倒換，同時(shí)對(duì)該裝置存在的一些問(wèn)題及發(fā)展方向進(jìn)行思考。

1. 波導(dǎo)開(kāi)關(guān)狀態(tài)顯示及倒換原理介紹

在衛(wèi)星地球站，使用最多的是4端口波導(dǎo)倒換開(kāi)關(guān)，其基本信號(hào)原理如圖1所示，在正常上行情況下，主用系統(tǒng)信號(hào)經(jīng)波導(dǎo)開(kāi)關(guān)后進(jìn)入發(fā)射天線上星，備用系統(tǒng)信號(hào)則經(jīng)波導(dǎo)開(kāi)關(guān)后進(jìn)入系統(tǒng)假負(fù)載。在主用系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)倒換波導(dǎo)開(kāi)關(guān)，使其進(jìn)入圖2所示狀態(tài)，此時(shí)，主用系統(tǒng)信號(hào)經(jīng)波導(dǎo)開(kāi)關(guān)進(jìn)入假負(fù)載，而未發(fā)生故障的備用系統(tǒng)信號(hào)則進(jìn)入發(fā)射天線上星，保證了播出信號(hào)的正常上星。

而波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)采集以及手動(dòng)倒換則由一個(gè)6端口的控制端口進(jìn)行控制，其原理圖如圖3所示。A、B、C三個(gè)端口控制波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的倒換，其中B為公用端口，當(dāng)A口與B口之間有12V驅(qū)動(dòng)電壓輸入而C口與B口之間無(wú)電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)由備用狀態(tài)倒換至主用狀態(tài)，反之，當(dāng)C口與B口之間有12V電壓輸入而A口與B口之間無(wú)電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)由主用狀態(tài)倒換至備用狀態(tài)。而D、E、F三個(gè)端口則實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)顯示，其中E口為公用端口，當(dāng)D口與E口導(dǎo)通（低電壓）、F口與E口斷開(kāi)（高電壓）時(shí)，表示波導(dǎo)開(kāi)關(guān)在主用狀態(tài)，而當(dāng)D口與E口斷開(kāi)（高電壓）、F口與E口導(dǎo)通（低電壓）時(shí)，表示波導(dǎo)開(kāi)關(guān)在備用狀態(tài)。

2. 基于FPGA的波導(dǎo)開(kāi)關(guān)倒換裝置設(shè)計(jì)

通過(guò)上述波導(dǎo)開(kāi)關(guān)倒換原理介紹，我們發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)使用FPGA可編程邏輯芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的遠(yuǎn)程狀態(tài)采集顯示及倒換功能。這里我們采用了基于Intel EP4CE10F17C8主控芯片的AC 620 FPGA開(kāi)發(fā)板進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1. 倒換開(kāi)關(guān)狀態(tài)顯示

如圖4所示為波導(dǎo)開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)程狀態(tài)顯示原理圖，系統(tǒng)使用FPGA開(kāi)發(fā)版的GPIO口進(jìn)行波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)采集。FPGA開(kāi)發(fā)板GPIO1口接波導(dǎo)開(kāi)關(guān)D口，GPIO2口接波導(dǎo)開(kāi)關(guān)F口，GND口接波導(dǎo)開(kāi)關(guān)E口，F(xiàn)PGA板則實(shí)時(shí)檢測(cè)GPIO1、GPIO2與GND之間電平情況。在主用狀態(tài)下，波導(dǎo)開(kāi)關(guān)D口與E口導(dǎo)通，F(xiàn)口與E口端口斷開(kāi)，GPIO1口與GND之間應(yīng)為低電壓，GPIO2口與GND之間為高電壓，此時(shí)FPGA板控制LED1亮紅燈，LED 2燈不亮，表示系統(tǒng)在主用狀態(tài)。反之，在備用狀態(tài)下時(shí)，GPIO1口與GND之間應(yīng)為高電壓，GPIO2口與GND之間為低電壓，此時(shí)LED1燈不亮，LED2亮紅燈，表示系統(tǒng)在備用狀態(tài)。因此，通過(guò)DEF口的狀態(tài)采集及LED燈的亮滅控制，實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)顯示功能。

2.2. 波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的遠(yuǎn)程倒換控制

如圖5所示為波導(dǎo)開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)程倒換原理圖，由于倒換波導(dǎo)開(kāi)關(guān)需要12V驅(qū)動(dòng)電壓，而FPGA開(kāi)發(fā)板GPIO能輸出的最大電壓為3.3V，因此，如果要驅(qū)動(dòng)倒換開(kāi)關(guān)，必須增加電壓轉(zhuǎn)換電路。這里采用了MOS驅(qū)動(dòng)電路（開(kāi)啟電壓3V至20V）來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電壓的轉(zhuǎn)換，由FPGA板來(lái)控制MOS驅(qū)動(dòng)電路輸入端的通斷。在正常情況下（也即不用進(jìn)行波導(dǎo)開(kāi)關(guān)倒換時(shí)），F(xiàn)PGA開(kāi)發(fā)板的GPIO3口與GPIO4口不輸出信號(hào)，因此與GND之間無(wú)電壓，因此MOS驅(qū)動(dòng)電路的OUT1口與OUT2口截止，無(wú)輸出電壓。當(dāng)我們按下按鍵開(kāi)關(guān)S1時(shí)，使FPGA板的GPIO3口輸出3.3V電壓，此時(shí)MOS驅(qū)動(dòng)電路的PWM1口與GND之間為3.3V電壓，OUT1口導(dǎo)通，OUT1+與OUT1-之間輸出12V驅(qū)動(dòng)電壓，控制波導(dǎo)開(kāi)關(guān)由備用狀態(tài)倒換至主用狀態(tài)。當(dāng)按下按鍵開(kāi)關(guān)S2時(shí)，使FPGA板的GPIO4口輸出3.3V電壓，此時(shí)MOS驅(qū)動(dòng)電路的PWM2口與GND之間為3.3V電壓，OUT2口導(dǎo)通，OUT2+與OUT2-之間輸出12V驅(qū)動(dòng)電壓，控制波導(dǎo)開(kāi)關(guān)由主用狀態(tài)倒換至備用狀態(tài)。由于波導(dǎo)開(kāi)關(guān)在倒換完成后，無(wú)需再在A口與B口（或C口與B口）之間施加倒換電壓，此時(shí)，在實(shí)際控制倒換時(shí)，按下按鍵開(kāi)關(guān)后，需要由系統(tǒng)時(shí)鐘控制系統(tǒng)倒換時(shí)間（通常1秒左右），完成系統(tǒng)倒換后，需要將GPIO3口、GPIO4口與GND之間恢復(fù)至無(wú)電壓狀態(tài)。

2.3. 整體系統(tǒng)框圖及測(cè)試

如圖6所示為波導(dǎo)開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)程倒換裝置的整體系統(tǒng)框圖，經(jīng)過(guò)實(shí)際連線測(cè)試，系統(tǒng)能夠有效完成倒換開(kāi)關(guān)狀態(tài)的采集以及一鍵倒換功能。

3. 關(guān)于波導(dǎo)開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)程倒換裝置的一些思考

經(jīng)過(guò)研究與實(shí)踐，如上圖6設(shè)計(jì)的基于FPGA的波導(dǎo)開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)程裝置已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)了波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)采集與手動(dòng)倒換，但是在實(shí)際使用時(shí)，由于波導(dǎo)開(kāi)關(guān)大部分連接的是高功放等設(shè)備，在進(jìn)行波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的倒換時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生比較大的反射功率，該反射功率進(jìn)入功放后可能會(huì)對(duì)高功放造成損害。因此，在進(jìn)一步設(shè)計(jì)時(shí)，需要在進(jìn)行手動(dòng)倒換時(shí)加入對(duì)功放輸出功率的控制電路，使我們?cè)谶M(jìn)行波導(dǎo)開(kāi)關(guān)倒換時(shí)能夠?qū)Ω吖Ψ诺妮敵龉β蔬M(jìn)行抑制，避免對(duì)功放造成損害。同時(shí)，鑒于FPGA開(kāi)發(fā)板具有串口采集和以太網(wǎng)功能，因此，可以通過(guò)FPGA開(kāi)發(fā)板采集地球站上下行信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的自動(dòng)倒換功能。