小衛星通信系統中的終端主機設計與實現

嚴 俊

(南京熊貓漢達科技有限公司,江蘇 南京 210000)

0 引言

如今,隨著現代科學技術的迅速發展,衛星通信成了國際電信業務的重要構成部分,為人們提供了更加穩定的視頻或電話語音等服務。隨著衛星通信系統的建設與完善,衛星通信技術的發展也越來越迅速,和其他通信模式相比,衛星通信的優勢十分突出,對此本文圍繞小衛星通信系統展開論述,分析了系統終端主機的設計與實現。

1 結構設計

1.1 終端主機結構

終端主機作為一種廣泛應用的數據接收和發送設備,具有較完善的應用功能,可根據星地協議快速接收用戶所發的信息,從而供上位機查閱信息,之后將用戶經過USB接口發送的信息向衛星發送,再經由衛星將信息傳遞到其他用戶終端。終端主機一般由射頻信道單元與終端處理單元構成,內部整體構成如圖1所示。

圖1 終端主機系統結構

在終端主機結構中,射頻信道單元設計有捷變器,能夠將基帶發送過來的信息通過射頻進行發送,衛星信號也能夠經由捷變器實現變頻轉化,再將數據傳遞到基帶信號處理單元。中斷處理模塊可以對設備運行狀態進行控制,收集用戶信息并將其傳輸到信號處理單元。在向用戶發送數據時,終端模塊能夠利用USB連線的方法在用戶終端處獲取信息,而后實現終端模塊與信號處理單元的相互傳輸。在衛星數據接收完畢時,終端模塊能夠在信號處理模塊中獲取經解碼處理后的數據并發送到用戶終端。終端模塊能夠進行電源管理,控制設備的開關機或復位。基帶處理模塊可以實現物理層基帶功能,如MAC幀的編碼、解碼、調制調解等[1]。

1.2 結構框架設計

終端主機結構框架如圖2所示,終端主機結構高度為10 mm,板卡選擇了多層混合式,厚度為1.6 mm,上表面設計有射頻變壓器,高度為3.8 mm,屏蔽蓋高度4.6 mm。下表面最高器件為1 210電容,高度2.8 mm,散熱片高度3.8 mm。

圖2 終端主機結構

功放選擇下沉式設計,底部設計有散熱片,能夠提高系統的散熱能力,射頻信道設計屏蔽罩,一些對結構有特殊要求的位置在材料上選擇了吸波材料,從而實現收發隔離的優化。在結構框架設計中,屏蔽罩的設計可以有效改善接收及發射信道之間的隔離度,功放芯片與敏感區間設計具有一定間隔,區間選擇貼片安裝以改善空間高度與布設面積,多層布線設計是為了改善印制電路板疊層,選擇電磁兼容設計方案。

2 工作程序設計

在小衛星通信系統中,終端主機的應用通常為內嵌的方式,應用于其他設備中,通過USB接口與上位機取得聯系,又利用對應的軟件實現信息的收發。終端主機屬于存儲轉發的通信模式,只需要通過衛星設備將地面站信息進行接收和儲存,并且衛星端發送的信息由地面站接收即可,其工作程序如圖3所示。

圖3 終端主機工作程序

如圖3所示,終端主機所包括的工作程序具體如下:(1)身份認證。于PC端管理程序及手機App等實現用戶名與密碼的身份識別；(2)軌道預報及傳輸鏈路。用戶終端能夠結合衛星軌道的數量及自身所處位置,找到衛星進入符合最小仰角限制的工作時間及位置,告知用戶。用戶確定通信時間并在接收機運行后,終端進行搜索,獲取導頻信號,通知衛星進入工作視野；(3)中射頻及基帶處理。衛星端由衛星天線接收的導頻信號進行In-phaseQuadrature(IQ),向正下變頻并解調,獲得導頻參數。衛星端機能夠結合導頻參數了解目前的信道運作情況；(4)發送信件。上位PC機可以將郵件利用USB接口傳輸到衛星端機,利用衛星端機進行安全處理,最后存儲于本地設備。上位PC機利用USB接口,經過藍牙選取合理的通信模式,控制衛星端機進行數據發送；(5)接收信件。衛星端機對導頻參數進行解析,結合預報的下傳報文中的業務信道號進行解調與解擴處理,形成郵件信息并保存[2]。

3 終端主機功能模塊設計

3.1 終端主機功能模塊劃分

結合上述的終端主機工作程序設計,其模塊劃分基本情況如圖4所示。

圖4 終端主機功能

為滿足身份認證和郵件收發等設計要求,還需要設計一個終端處理模塊保證系統運行的穩定性和功能。而為了保證上下行鏈路的順利運作,基帶處理模塊和射頻信道模塊至關重要,這些模塊設計是終端主機的主要構成,需要利用電源管理和外部接口、PC端管理軟件及收發天線等進行銜接,構成用戶終端[3]。

3.2 射頻信道模塊

射頻信道模塊主要負責信號的收發功能,在信號接收之前,利用變頻的方式將信號轉換為低頻信號,以便于進行數字采樣處理的模擬。在信號發射前,發射前端可以將經處理后的信號變頻至對應的拼點,從而滿足系統對信號頻率的要求[2]。

3.2.1 射頻信道設計方式

通常情況下射頻信道的結構設計采用零中頻采樣模式,如圖5所示,這種設計并不需要選擇較多的濾波器件,一般利用集成芯片就可以大大降低系統的體積,而且零中頻不會進行交調與互調,信號綜合性能可以更加優秀,而且這種設計也能滿足器件與后端FPGA的性能需求,減少系統功耗水平,較為符合本次設計要求。

圖5 零中頻采樣

3.2.2 發射機設計原理

在發射機模塊中,使用的大功率輸出功放芯片直接用螺釘安裝在殼體上,引線可用普通電烙鐵焊接在微帶板上。在頻段內提供26 dB的小信號增益并提供35 dBm的1dB壓縮點輸出功率。芯片大小為12 mm×15 mm×3.5 mm。

偏置電路除了能給出適合的電壓值與電流值外,為了使放大器正常工作,偏置電路的RF旁路也是非常重要的,這將防止自激的產生,保證放大器正常工作。在此應用中,在漏極饋電處加上0.0 1uF的旁路電容,在柵極串聯20 Ω電阻,同時并聯0.01 uF的旁路電容,使芯片的漏極靜態工作電壓為10 V,靜態工作電流為1.75 A,采用三級放大器級聯實現功率的輸出,通過三級放大器得到34 dBm的輸出功率。

3.2.3 接收機設計原理

低噪聲放大器是接收系統的關鍵電路。根據微波級聯網絡噪聲系數與增益的計算,筆者對該方案進行了初步估算。總噪聲系數小于1.1 dB,能夠滿足實際系統的要求。

低噪聲放大器的晶體管類型有:砷化鉀肖特基勢壘柵場效應管(GaAs MESFET),高遷移率晶體管(HEMT),還有單片微波集成電路(MMIC)等。MESFET的工作頻率較低；而工作在高頻段的Si或GaAs襯底的MMIC很少有噪聲系數低于0.8 dB的。HEMT有很高的工作頻率和很小的噪聲系數,因此是該頻段低噪聲放大器的首選晶體管類型。該場效應管是針對低噪聲放大器優化的,噪聲系數小于0.45 dB,最大增益大于12 dB?？梢钥闯?N3210S01能滿足設計的工作頻率、噪聲和增益要求,并且具有性價比高的特點,應用廣泛。

4 終端主機的實現

硬件設計采用了ARM和FPGA及功放芯片、開關等結構,設計于印制板的正面,藍牙電路則設計在印制板反面。功放芯片設計于印制板中,借此來改善系統的散熱能力。接收信道的個別電路通過金屬屏蔽罩處理。在完成首版硬件設計后便需要進行調試,在功率發射期間,功放芯片在部分場景下存在著溫度快速升高的現象,由于印制板的導熱性能不足,所以散熱效果也不太理想,熱量難以及時散出。對此,針對印制板結構進行了鏤空設計,讓功放芯片下沉,和印制板外殼的凹陷凸起能夠咬合固定。在功率發射期間,功放芯片產生的干擾會影響到時鐘晶振,導致寬帶噪聲的形成。于是在功放芯片結構中設計了薄鋼片材質的屏蔽罩,屏蔽罩通過螺絲及金屬外殼進行連接,從而改善干擾問題[4]。

硬件設計中,在印制板周邊留下4個規格為2.5mm寬的露銅區,在上下殼安裝期間能夠與露銅區充分接觸。在下殼體中設計了凸臺,從而引導熱量的散出,利用熱硅膠帶和芯片進行充分接觸,提高熱量引導效率。設計時出于控制諧波雜波考慮,功放輸出端及輸入端口設計了窄帶聲表濾波器,進而改善系統的散熱效果。

5 結語

如今,功耗更低、性能更優秀的集成芯片成了研究開發的重點方向,這也為小衛星通信系統的終端主機設計帶來了更有利的條件,助推終端主機的小型化和低功耗化發展,信號處理性能也越來越優秀,隨著運算芯片功能的不斷完善,芯片運算性能的提高可以讓小型平臺也能對更復雜的算法進行靈活應用,這也是小衛星通信系統發展的重要推動力,不斷促進小衛星通信系統的快速發展。