星載擴頻應答機的微納化設計研究

秦奮　吳濤　羅列峰

摘 要 隨著集成電路技術的發展，單一芯片能夠集成復雜的系統功能，使得宇航通信產品具備了微納化研制基礎。本文著重介紹了星載擴頻應答機的微納化設計，以射頻芯片和基帶芯片為核心，通過芯片化的硬件平臺和參數化的軟件算法實現設計方案，最后探討了實現中需要解決的技術問題。

【關鍵詞】微納化 擴頻應答機

1 概述

近年來，超大規模集成電路技術取得了長足進步，使得軟件無線電朝著更深層次方向發展。傳統的通信產品設計，采用分離式模塊設計電路，具有調試復雜和設計靈活度差等缺點。集成電路技術的發展，使得單一芯片可以集成越來越復雜的系統功能，能夠真正實現軟件無線電技術的構想，即在開放式、通用的無線通信硬件平臺上，通過設計靈活的軟件來完成不同的通信功能，滿足不同的業務需求。

在宇航測控通信系統中，星載擴頻應答機是一種集合射頻接收、射頻發射、基帶處理的重要星上通信設備，完成測控信號上行接收和下行發射的通信業務功能。近年來，星上設備微納化設計，是一個重要的研究方向，如國外NASA等科研機構，采用芯片技術，完成了多款應答機的微納化設計并投入工程應用中。隨著集成電路和軟件無線電的不斷深化，本文詳細闡述了星載擴頻應答機的微納化設計方案，研究了通用化的關鍵設計指標，在今后宇航應答機微納化研制方面具有一定的工程指導意義。

2 應答機微納化設計方案

在我國航天測控系統中，傳統星載擴頻應答機，依據通信功能，劃分為四個部套，包括有接收機部套、發射機部套、中頻部套和電源部套。接收機，對上行射頻信號完成頻綜、下變頻，頻率濾波等射頻處理，向中頻部套發送中頻模擬信號；發射機，接收中頻部套提供的下行基帶信號，完成頻綜、上變頻、頻率濾波等射頻處理；中頻部套，對輸入的中頻模擬信號進行AD采樣、基帶軟件處理，完成捕獲、跟蹤過程，同時進行DA變換產生下行基帶信號；電源部套，為各個部套提供所需工作電壓。

微納化的應答機設計，圍繞射頻芯片和基帶芯片來實現傳統模塊實現的系統功能，即通過一款射頻芯片來完成以往接收機、發射機模塊實現的功能，通過一款基帶芯片來完成以往中頻模塊實現的功能。

微納化的應答機設計，是針對國內S頻段測控通信的應用，設計開發自主的國產測控射頻芯片和測控基帶芯片，利用射頻、基帶兩款芯片實現國產化、輕量化、通用化、芯片化并可工程化研制的宇航擴頻應答機產品。設計方案，是利用軟件無線電技術，設計統一硬件平臺，完成射頻芯片、基帶芯片在整機上的應用，包括：

（1）射頻芯片化技術：通過國產、抗輻的射頻芯片實現，芯片內集成了高速AD、DA模塊，配以參數配置，完成收發同時工作、頻率合成，收/發通道變頻，諧雜波抑制等功能。

（2）基帶芯片化技術：通過國產、抗輻的基帶芯片集成實現，配以參數配置，完成基帶擴頻信號處理算法功能。

以高度集成的基帶芯片和射頻芯片，實現芯片級的軟件無線電設計平臺，產品由外圍濾波器、巴倫、接口芯片、晶振等少量元器件組成，取代了以往采用射頻分離模塊、AD單芯片、DA單芯片，基帶處理FPGA的產品設計方案，芯片化擴頻應答機架構圖如圖1所示。

設計中，為了實現最大程度的小型化、集成化，采用“單層結構+整機開發”模式，具體是指：整機只有一層結構殼體空間，將射頻接收、射頻發射、基帶處理、二次電源設計在一塊印制板上，實現收發雙工、接收變頻、高速AD轉換、發射調制、高速DA轉換、頻綜鎖相、測控基帶處理、對外接口、二次電源功能。

3 工作過程與關鍵參數

應答機工作過程，分為接收處理，基帶處理和發射處理三部分，以芯片為核心實現主體功能，外圍配套不多的射頻模塊，配置存儲器、接口電路等元器件。

接收處理時，上行信號經過片外低噪放、濾波器的處理后，通過巴倫轉為差分信號輸入至射頻接收芯片。接收頻綜單元，提供一路頻點可變的本振信號。射頻接收芯片內部，上行信號經過超外差式一次變頻，產生中頻模擬信號，該信號經芯片內多相濾波、片外中頻濾波、片內可調增益放大、片外中頻濾波、片內放大，輸出至片內集成的高速AD采樣器，向基帶芯片提供中頻數字信號。

中頻處理時，基帶芯片通過片外配置PROM存儲器，按照實際工作場景加載工作參數，滿足擴頻碼率、基帶速率可變的要求。對接收的中頻數字信號，進行上行測控多通道、高動態、弱信號的捕獲、跟蹤處理處理，完成遙控基帶解調和上行測距處理；完成下行遙測通道和測距通道的擴頻調制，將擴頻調制信號提供發射機。

發射處理時，射頻發射芯片接收下行擴頻調制信號，經過高速DA轉換器，形成中頻載波頻率可調的中頻調制信號。中頻調制信號，經過中頻放大、片外濾波、片內多相濾波和超外差式一次變頻調制到S頻段的工作頻點，輸出下行射頻信號。

此外，基于芯片的微納化擴頻應答機方案，由于采用一次變頻，集成高性能AD轉換器和DA轉換器，因此在硬件上支持軟件無線電的可參數化配置的特性，能夠在芯片中，針對目前和未來的應用要求，將關鍵參數按照通用化、可配置的方式進行設計，具體參數如表1所示。

進一步的，基帶芯片的通用化設計，需考慮我國測控通信領域多頻段的兼容，中頻處理滿足C、X、Ka頻段的測控要求；射頻芯片的通用化設計，需考慮我國測控通信S頻段的其他應用，如載人航天S頻段測控、天基S頻段測控等。

4 頻率流程設計

考慮工程產品化的應答機方案設計，還需要考慮在天基、地基、天地一體的應用中工作頻點常有變化的實際情況，因此產品頻率設計需統一考慮信號帶寬、中頻處理頻率、接收本振頻率、發射本振頻率進行合理設計，考慮工作頻點變化時的方案兼容。

頻率設計中，射頻接收芯片設計有兩個鎖相環模塊，分別產生接收本振和AD采樣時鐘，并向基帶芯片提供一路采樣時鐘信號作為工作時鐘；射頻發射芯片，設計兩個鎖相環模塊，分別產生發射本振和DA轉換時鐘，頻率設計流程圖如圖2所示。片外高穩恒溫晶振，分別向接收、發射通道提供同源基準，保證收發頻率相參。針對工作頻點變化的應用，射頻收發芯片的本振頻率，通過配置接口加以改變和實現。射頻芯片和基帶芯片，在片外時鐘、本振頻率、AD采樣時鐘、DA轉換時鐘具有參數化、可配置特點。

5 結束語

星載擴頻應答機的微納化設計研究，代表著我國宇航產品在微納化方向的技術探索，未來將迎來廣闊的應用空間，同時也面臨需要解決的關鍵問題。首先，國內芯片設計公司和相關科研院所，研制宇航級射頻芯片和基帶芯片的經歷基本處于空白，在宇航芯片設計和工藝要求上需進一步提高研制能力；其次，我國測控通信技術經過近30年的發展，出現了統一測控、擴頻相干、擴頻非相干體制，需要重點研究在芯片化產品方案里多測控模式兼容的技術實現問題。

應答機微納化設計研究工作，是以滿足目前型號任務需求為基礎，闡述了產品方案、與關鍵通用化指標，是我國測控應答機微納化發展的探索，未來必將推動測控技術朝著通用化、平臺化、微納化的方向發展。

參考文獻

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作者單位

1.上海航天電子技術研究所 上海市 201109

2.上海大學 上海市 200444