基于北斗三號和天通衛星通信的信道收發模塊設計與實現

吳華堯

（北方信息控制研究院集團有限公司，江蘇 南京 211153）

0 引言

現代戰爭中通信模式多種多樣，各種通信模式都有其優缺點，比如短波、超短波等電臺發展成熟，但是通信距離不大，而且需要車載或背負等重而大的基站［1］。衛星通信距離大，而且多數情況下可以使用手持便攜等終端設備。終端設備中信道收發模塊是必不可少的一部分，完成無線電波的發射與接收。信道收發模塊的一側與天線連接，另一側與中頻處理單元連接［2］，主要功能是對射頻信號進行放大、濾波、合路、分路、開關切換、衰減和上下變頻等。本文設計了一種基于北斗三號和天通衛星通信的信道收發模塊(以下簡稱“信道收發模塊”），解決了只能實現單一模式衛星通信的問題，可以實現北斗三號、北斗二號和天通多模式通信，同時也解決了車上放置和車下便攜等多場景應用模式。

1 模塊的設計與實現

1.1 系統分析

如圖1所示，信道收發模塊集成于衛星通信設備，設備選用低功耗處理器為主控/基帶處理單元，還集成了天通信號處理模塊、北斗信號處理模塊，實現北斗三號、北斗二號導航定位功能、北斗短報文通信功能和天通語音、短信息等功能［3］，同時利用主控/基帶處理單元拓展多種外設接口，如擴展RS232、網口、耳麥等，具備顯示/觸摸屏、按鍵、揚聲器、麥克風等多種人機交互手段。衛星通信設備支持車上放置和車下便攜兩種工作模式，在車下使用環境中使用天通無源天線＋北斗有源天線工作；在車上可通過射頻口連接車載一線通多模有源天線工作。

圖1 衛星通信設備硬件體系架構

1.1.1 北斗信號處理模塊

北斗信號處理模塊是一款高性能、支持北斗三號和北斗二號的信號處理板卡。輸入接口采用MMCXKHD型和MCX-KHD型射頻座。其中，MMCX-KHD接口與接收信號線連接；MCX-KHD接口與發射信號線連接。接收端射頻接口輸入功率范圍：－80~－60 dBm(默認－70 dBm）；發射端射頻接口輸出功率默認0 dBm，支持軟件微調。

1.1.2 天通信號處理模塊

天通信號處理模塊是一款高性能天通信號處理板卡，基于完全自主知識產權的高性能基帶芯片設計，能夠支持天通衛星通信，包括話音、短消息和數據，基于以上功能可以實現MMS，WAP，IM，EMAIL等擴展業務。模塊外形尺寸緊湊，物理尺寸僅為55×33×5(mm），方便用戶集成，模塊射頻口發射功率為2 W，是特種小型化應用的理想解決方案。

綜合各模塊指標和系統要求，筆者分析出信道收發模塊指標要求。工作頻率：1.0~3.0 GHz；天通輸出功率：9 dbm±1 dbm；北斗輸出功率：4 dbm±1 dbm；北斗接收增益≥0 dB；天通接收增益≥－20 dB；通道間隔離度：≥18 dB。

1.2 模塊方案設計

基于北斗三號和天通衛星通信的信道收發模塊，可以用于天通和北斗三號的衛星通信模式，本模塊電路覆蓋了北斗三號和二號L，S收發全頻段，天通S收發頻段。本模塊電路可以四路合為一路輸出，可以一路分為四路輸入，并可以適配車下便攜和車上放置應用場景。

信道收發模塊包括直流電源通路、公共通路、北斗發射通路、北斗接收通路、天通收發通路、車下天通收發通路等幾個部分。直流電源通路主要對有源天線、模塊中放大器和開關進行供電，公共通路用于合路或分路天通北斗收發信號，北斗發射通路對北三或北二發射信號放大濾波使之達到端口輸出要求。北斗接收通路用于濾波放大天線接收的導航和短報文等信號，使之達到系統要求的接收增益。天通收發通路用于濾波放大天通的收發信號，車下天通通路用于在車下應用場。

1.3 方案器件選型與設計

如圖2所示，基于北斗三號和天通衛星通信的信道收發模塊包括：一塊電路板，兩塊屏蔽罩。所述電路板上包括4個IPEX接口，1個MCX接口，1個2×6排插。

圖2 信道收發模塊方案

直流電源通路中2×6排插與整機底板電源相接，直流信號給信道收發模塊中放大器和開關供電，還有通過MCX接口進入同軸線給有源天線供電。一開機5V常供，當北斗發射時，5 V切換為12 V。

北斗發射通路中信號經過IPEX接口1輸入放大器1中放大，放大器1增益15 dB。然后進入聲表濾波器1 SF9027，中心頻率為1 615 MHz。濾波后進入功分器1 GP2S1＋，端口隔離度≥20 dB，插損3.8 dB。功分器1輸出連接低通濾波器LFCG－1575＋，L頻段帶內插損為1.2 dB，S頻段帶外抑制＞20 dB，用于濾除S波段的干擾信號。低通濾波器輸出連接雙工器1 DPX162500DT，兩個端口其中低頻段是1 500 MHz，高頻段是2 450 MHz。

北斗接收通路是接收信號進入模塊MCX接口，經過雙工器1分別進入低通和高通濾波器。L頻段的北斗信號進入低通濾波器，濾波后通過功分器1，再經過雙工器2進入放大器2 PSA4－5043＋，放大器2增益15 dB。放大后進入IPEX端口2輸出模塊進入北斗信號處理模塊。S頻段的北斗信號進入高通濾波器HFCN－1910＋，帶內插損為1.2 dB，帶外抑制＞20 dB，用于濾除L波段的干擾信號。濾波后通過功分器2，再經過聲表濾波器2 SF9057，中心頻率為2 492 MHz，帶內插損為2 dB，帶外抑制＞35 dB，濾除S段北斗接收信號外的干擾。進入雙工器2，經過放大后，通過IPEX接口2輸出模塊進入北斗信號處理模塊。

天通收發通路是天通信號進入模塊MCX接口，信號經過雙工器1進入高通濾波器，濾波后進入功分器2，然后進入10 dB固定衰減片FAC0610，車上模式時有源天線有較大增益，所以通路中需加衰減片。衰減片輸出連接開關sky13489－001，插損僅為0.3 dB，可以輸入最大＋39 dbm功率。設置開關為高電平后，信號通過IPEX接口3輸出模塊進入天通信號處理模塊。天通發射和接收為同一通路，信號傳輸方向相反。

車下模式時天通收發通路是天通信號經過車下無源天線然后通過同軸線進入模塊IPEX接口4進入開關，設置開關為低電平后，信號通過IPEX接口4輸出模塊進入天通信號處理模塊。天通發射和接收為同一通路，信號傳輸方向相反。

1.4 電路設計與實現

信道收發模塊的設計關鍵是控制微波信號的傳輸損耗。因此使用具有低損耗角的Rogers 4350B微波板材，從而實現微波信號的低損耗傳輸。另一方面是控制好不同信號間的隔離度，要盡量多打地孔，PCB布局方面天通和北斗信號通路分布于板子左右兩邊，盡量控制較大間距，通過引入金屬隔墻實現高隔離度。另外，收發信號要盡量隔開，接收路放置在反面，發射路走正面，以此增加收發隔離度。

2 模塊的實現與測試結果

將PCB板加工生產，裝配入整機，分別使用矢量網絡分析儀、頻譜儀、信號發生器進行測試，測試結果表明，基于北斗三號和天通衛星通信的信道收發模塊覆蓋范圍為1~3 GHz，北斗接收增益≥0 dB，天通接收增益≥－20 dB，天通輸出功率9 dbm±1 dbm，北斗輸出功率：4 dbm±1 dbm，通道間隔離度：≥18 dB。以上測試結果均達到指標要求。模塊尺寸40 mm×65 mm×6 mm，符合小型化和易于集成的要求。

3 結語

本設計主要研究基于北斗三號和天通衛星通信的信道收發模塊，通過前期調研和系統分析進行方案設計，驗證方案的可行性，在保證模塊性能的同時，實現小型化。根據指標要求，1~3 GHz頻段內，系統滿足接收增益、發射輸出功率等要求，保證組件的高性能，具有一定的創新性和實際應用意義。