面向天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)FDD終端的收發(fā)隔離設(shè)計

王日炎，楊昆明，周伶俐，林啟華，王 昕，馮 偉

（廣州潤芯信息技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510663）

1 國外衛(wèi)星移動通信技術(shù)及設(shè)備發(fā)展情況

國外衛(wèi)星移動通信發(fā)展較早，起步于20世紀(jì)70年代，目前已經(jīng)建成多個靜止軌道和中低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。在靜止軌道方面，全球覆蓋的有海事衛(wèi)星系統(tǒng)（Inmarsat）；區(qū)域覆蓋的有北美移動衛(wèi)星系統(tǒng)（MSAT）、瑟拉亞衛(wèi)星系統(tǒng)（Tlnuraya）、日本衛(wèi)星系統(tǒng)（N-STAR）以及澳大利亞衛(wèi)星系統(tǒng)（Optus）等。在中低軌方面，典型系統(tǒng)是銥星（Iridium）、全球星（GlobalSlar）以及星鏈等[2]。

2 天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)

為改變衛(wèi)星移動通信應(yīng)用長期受制于人的情況，20世紀(jì)90年代我國開始發(fā)展自主可控的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。歷經(jīng)多年研發(fā)，我國自主衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)“天通一號”系統(tǒng)首顆衛(wèi)星于2016年8月6日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心搭載長征三號乙運載火箭發(fā)射升空，2018年完成系統(tǒng)驗證，天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)進(jìn)入正式運營階段。天通一號02星、03星分別于2020年11月12日、2021年1月20日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心搭載長征三號乙運載火箭發(fā)射成功，至此完成天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)星座組網(wǎng)。天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)由空間段、地面段以及用戶終端組成，用戶鏈路為S頻段，可為我國及周邊、中東、非洲等相關(guān)地區(qū)以及太平洋、印度洋大部分海域用戶提供全天候、穩(wěn)定可靠的移動通信服務(wù)。天通一號系列衛(wèi)星使我國擁有了自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，為我國國土及周邊海域的各類手持和小型移動終端提供話音和數(shù)據(jù)通信覆蓋，滿足更多用戶的多樣化通信需求。

3 核心射頻收發(fā)芯片

天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)建設(shè)同期，國內(nèi)各高校、企事業(yè)單位等開始研發(fā)終端芯片，確保系統(tǒng)應(yīng)用階段核心器件可控。廣州潤芯信息技術(shù)有限公司是國內(nèi)最早開始研究天通一號射頻芯片的廠家之一，順利于2016年推出天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)專用射頻收發(fā)芯片RX6003。芯片集成衛(wèi)星通信收發(fā)通道和1個衛(wèi)星導(dǎo)航接收通道，支持天通一號衛(wèi)星通信系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航、通信及通導(dǎo)融合應(yīng)用。RX6003芯片的衛(wèi)星接收通道和導(dǎo)航接收通道采用低中頻架構(gòu)，射頻前端采用具有出色線性度的高性能低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA），結(jié)合中頻多級可調(diào)諧濾波器使芯片接收信道具備優(yōu)異的雜散和帶外干擾抑制能力。發(fā)射通道采用直接變頻結(jié)構(gòu),發(fā)射增益調(diào)節(jié)范圍高達(dá)30 dB。RX6003集成低功耗小數(shù)分頻鎖相環(huán)，內(nèi)置環(huán)路濾波器，可同時為接收和發(fā)射電路提供高性能本振信號。接收與發(fā)射通道采用了獨立鎖相環(huán)，可支持頻分雙工（Frequency Division Duplexing，F(xiàn)DD/時分雙工（Time Division Duplexing，TDD）兩種制式。此外，芯片支持常規(guī)模式、抗干擾模式以及應(yīng)急救生模式[1]。

4 FDD模式天通一號衛(wèi)星移動通信終端收發(fā)通道隔離設(shè)計分析

天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)用戶鏈路的收發(fā)通道頻率最小間隔僅為160 MHz左右，衛(wèi)星在36 000 km地球同步軌道上的路徑損耗遠(yuǎn)大于地面移動通信系統(tǒng)，這也就意味著天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)終端需要更高的接收靈敏度和更大的發(fā)射功率，這對體積較小的便攜式FDD衛(wèi)星移動通信終端設(shè)計提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，尤其是收發(fā)隔離方面[2]。FDD工作模式的衛(wèi)星移動通信終端不同于其他收發(fā)模式收發(fā)信機，其工作原理如圖1所示。

由于其收發(fā)同時工作，因此接收鏈路更易受到干擾，尤其是終端自身發(fā)射通道對接收通道的干擾。收發(fā)機發(fā)射通道對接收通道的影響分為2個方面：一是發(fā)射通道底噪抬升泄露至接收通道，導(dǎo)致終端接收靈敏度惡化；二是發(fā)射通道發(fā)射功率導(dǎo)致接收通道增益壓縮，阻塞終端的接收通道[3]。

天通一號移動通信地面終端的體積小，射頻收發(fā)電路間隔近，發(fā)射通道影響接收通道的途徑較多，其中主要途徑分為3種。一是射頻收發(fā)芯片自身接收和發(fā)射端口耦合；二是基于發(fā)射接收鏈路的耦合；三是收發(fā)射頻前端鏈路的空間耦合。實際設(shè)計需要從核心器件設(shè)計、鏈路抑制指標(biāo)分配和電路空間隔離等多個方面綜合考慮才能達(dá)到系統(tǒng)要求[4]。收發(fā)機發(fā)射通道影響接收通道示意圖如圖2所示。

5 基于RX6003芯片的FDD衛(wèi)星移動通信終端收發(fā)隔離設(shè)計實例

天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的終端需要和軌道高度為36 000 km地球同步衛(wèi)星通信，終端發(fā)射功率較地面移動通信終端大很多。以終端發(fā)射功率40 dBm、發(fā)射通道前端增益45 dB以及接收通道前端增益30 dB為典型配置，按照上述發(fā)射通道影響接收通道的途徑分別分析[5]。

5.1 發(fā)射通道底噪抬升對接收通道的指標(biāo)設(shè)計

發(fā)射通道抬升接收頻段的底噪會直接導(dǎo)致接收通道的接收性能變差，故要求任何耦合途徑耦合接收通道的底噪抬升均要小于耦合點自身底噪[6]。

（1）RX6003芯片端口耦合途徑分析。RX6003芯片發(fā)射增益最大時TX端口底噪≤-150 dBm/Hz，信號到達(dá)RX6003芯片RX接口的最小功率為-95 dBm，TX和RX之間隔離度實測大于60 dB，故發(fā)射通道底噪不會通過該途徑影響接收通道[7]。

（2）信號鏈路耦合途徑分析。發(fā)射鏈路在RX6003芯片后包含一級聲表（或者體表）濾波器、功率放大器和雙工器，發(fā)射底噪進(jìn)入接收通道的鏈路增益為

式中：SRX6003為RX6003芯片發(fā)射端的底噪；ITX-SAW為發(fā)射濾波器對接收頻段抑制；GPA為功放增益；ITX-RX為雙工器TX通道對RX頻段的抑制。經(jīng)過計算，發(fā)射鏈路濾波器和雙工器TX通道對RX頻段的總抑制需大于70 dB。綜合實際器件指標(biāo)，選擇發(fā)射濾波對RX頻段抑制為25 dB，雙工器TX通道對RX頻段的隔離度大于50 dB[8]。

5.2 發(fā)射通道功率對接收通道的指標(biāo)設(shè)計

發(fā)射功率對接收通道的影響表現(xiàn)為發(fā)射通道對接收通道形成阻塞，引起接收鏈路中的放大器增益壓縮，進(jìn)而導(dǎo)致接收性能下降。基于此，要求逐級分析，鏈路設(shè)計要保證各級放大器均工作在線性區(qū)域[9]。

5.2.1 接收鏈路壓縮點瓶頸分析

本設(shè)計實例的天通一號衛(wèi)星移動通信終端接收鏈路由雙工器、片外低噪放、聲表/體表濾波及RX6003芯片組成。低噪聲放大電路由2級增益為16 dB的低噪放放大器芯片構(gòu)成，單個低噪聲放大器的噪聲系數(shù)為0.5，增益壓縮1 dB時的最大輸出功率P-1為5 dBm，故低噪聲放大器的輸入信號要小于其輸入P-1，否則會導(dǎo)致低噪放工作在增益壓縮狀態(tài)。RX6003芯片采用多級放大及兩級中頻濾波的電路架構(gòu)，對于TX頻段信號可以提供高達(dá)160 dB的抑制能力。

5.2.2 RX6003芯片端口耦合途徑分析

RX6003芯片最大發(fā)射功率為2 dBm，TX和RX之間隔離度大于60 dB，TX信號通過該路徑耦合至RX6003芯片RX鏈路功率為-58 dBm，遠(yuǎn)小于RX6003接收鏈路在該頻段的輸入P-1指標(biāo)-38 dBm。

5.2.3 信號鏈路耦合途徑分析

信號經(jīng)雙工器接收端、低噪聲放大器、一級聲表濾波器或體表濾波器進(jìn)入RX6003芯片接收通道，發(fā)射信號經(jīng)雙工器ANT端泄露至接收通道。接收通道需保證每級放大管均工作在線性區(qū)域。

對于低噪放，存在

對于RX6003芯片輸入端，存在

式中：SIN為低噪放輸入端需承受的功率，SIN≤-25 dBm；SRX為RX6003芯片接收端口需承受的功率，SRX≤-25 dBm；IRX-SAW為接收濾波器對發(fā)射頻段抑制；PAout為收發(fā)機的發(fā)射功率；GLAN為前級低噪放的增益；IRX-TX為雙工器RX通道對TX頻段的抑制[10]。雙工器RX通道對TX頻段和RX通道濾波器的抑制不低于108 dBc，實際選型為雙工器和2級聲表濾波器，其中雙工器RX通道對TX頻段抑制55 dB，單個濾波器對TX頻段的抑制大于35 dB。

6 結(jié) 論

本文介紹了衛(wèi)星移動通信的特點及發(fā)展?fàn)顩r，分析了衛(wèi)星移動通信終端收發(fā)隔離與發(fā)射通道發(fā)射功率、收發(fā)通道濾波器配置、收發(fā)鏈路增益設(shè)定等參數(shù)高度關(guān)聯(lián)，總結(jié)了自主衛(wèi)星移動通信天通一號通信地面終端收發(fā)隔離設(shè)計的原理模式。從底噪抬升和功率阻塞等方面詳細(xì)分析衛(wèi)星移動通信終端收發(fā)隔離指標(biāo)要求，通過實際設(shè)計實例驗證原理分析，完成系統(tǒng)設(shè)計和器件選型。