一種衛星移動通信終端一線通射頻接口設計

摘要：文章設計了一種衛星移動通信終端的一線通射頻接口方案，支持低功耗聯動控制設計。本方案是在一線通射頻接口中增加控制單元，結合基于衛星移動通信終端基帶處理單元的工作狀態共同完成。通過動態調整射頻前端和外圍組件，來帶動整機聯動控制，實現降低功耗。該設計幫助終端在待機和工作狀態下，可以將射頻和主機的功耗關聯，提高續航能力。在衛星信道使用情況下，為低功耗小型化衛星終端開發提供幫助。

關鍵詞：一線通射頻接口；射頻前端；聯動控制；低功耗

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.06.012

中圖分類號：TN 927.2" " " " " "文獻標志碼：A" " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）06-00-03

Abstract： The article designs a one line RF interface scheme for satellite mobile communication terminals， which supports low-power linkage control design. This plan is to add a control unit to the first line communication RF interface， combined with the working status of the baseband processing unit based on satellite mobile communication terminals. By dynamically adjusting the RF front-end and peripheral components， the entire machine is driven to achieve linkage control and reduce power consumption. This design helps terminals associate the power consumption of RF and the host in standby and working states， improving their battery life. Provide assistance for the development of low-power miniaturized satellite terminals in the use of satellite channels.

Key words： 1-wire radio frequency interface; RF front-end; linkage control; low power consumption

衛星移動通信終端通常能夠提供話音、傳真、數據、短消息、視頻等業務，需要具備大功率通信收發能力。一般能力的便攜、背負類設備，EIRP值不低于20 dBW，G/T值不低于-16 dB/K。這樣的設計，射頻部分需要10 W以上功率輸出，考慮到設計相關問題，一般將功放、低噪放與天線部分放在同一個單元，組成一個天線前端[1]。該天線前端與主機板之間需要進行通信射頻信號傳輸、北斗/GPS信號傳輸、控制信號傳輸及電源供電等，單一的射頻接口很難勝任此功能，而分別通過多個接口完成又過于繁復。為方便攜帶和天線拉遠考慮，信號可采用一線通方式，將射頻信號、控制信號、供電集成，功放是移動通信終端最主要的能耗部件。因此降低功放的工作功耗和待機功耗對整機低功耗的控制具有非常重要的意義。

目前，在衛星移動通信地面便攜終端、背負終端的日常使用中，為了保證通信速率和帶寬的要求，將收發通道保持常開，發射功率盡可能增大。在達到能力上限范圍后，全靠基帶的開環和閉環功率控制，通過回退的方式，降低功放的發送功率[2]。這種射頻接口的設計，無法很好地設置檢波策略，達不到調整發送開關的目的，功耗較高。在不具備充電條件下的野外使用，衛星移動通信終端功耗控制很重要，因此對射頻的控制非常必要。

1" 一線通射頻接口組成原理

一線通射頻接口一般包括通信射頻信號傳輸、北斗/GPS信號傳輸、控制信號傳輸及電源供電等。

天線單元包括功放單元、低噪放單元與天線三部分，組成一個天線前端，天線前端與主控板之間采用一線通射頻接口進行射頻信號的傳輸、控制信號的傳輸以及電源供電；基帶處理單元增加收發控制使能信號，功放增加開關使能控制信號，同時在主控板側設置第一單片機、在天線側設置第二單片機，兩個單片機用于衛星移動通信工作狀態監測，根據基帶處理單元的工作狀態，按照占空比進行天線開關控制工作。

2" 一線通射頻接口方案" "設計

2.1 接口設計

實現電源為直流電，控制信號在2 MHz頻段，射頻信號3路（射頻數據TX、射頻數據RX、北斗/GPS的RX），通過合理的硬件電路設計，實現在終端主機板和天線前端進行合路和分路，同時在軟件上保證主控板對天線前端的控制。首先通過三工器將通信/北斗（GPS）射頻信號合為一路，再與天線前端電源供電和天線前端控制信號合為一路，通過傳輸電纜傳輸到天線端；在天線前端采用相同的合分路架構方案，滿足使用要求。射頻電纜中傳輸的一共有5個信號：通信射頻TX信號、通信射頻RX信號、北斗/GPS射頻RX信號、OOK（2 MHz）控制信號、直流電36 V（給天線端PA以及其他電路供電）。在主控板上的電路，將5路信號合為一路信號，通過射頻線纜進行傳輸，在天線端通過板子上的電路將射頻線纜上一路信號，再分開成5路信號，每一路信號各自再對信號處理。具體說明如下。

控制信號由OOK芯片產生[3]，TX、RX采用共端口設計，采用不同的數據格式進行收發信號的區分；在TX/RX公共端串聯一個高容值的電容，該電容起隔離高頻信號和直流電的作用，防止高頻信號從該點泄漏到OOK芯片，傳輸的數據主要是AP對天線端的控制，如打開天線的功放，設置增益等控制指令和參數。

電源部分串聯一個高功率大感值的扼流電感，對頻率信號進行抑制，防止頻率信號泄漏到直流通路。目的是給天線端的PA、LNA、北斗、單片機等供電。衛星通信/BD（GPS）射頻信號的三工器公共端串聯一個低容值電容，該電容可對直流電進行隔直，并抑制2 MHz低頻信號泄漏到三工器公共端，保證射頻TX、RX、BD信號的傳輸。

2.2 物理層

2.3 通信格式

3" 處理流程設計

3.1 收發使能信號

基帶處理單元增加收發控制使能信號，功放增加開關使能控制信號，同時在主控板側設置第一單片機、在天線側設置第二單片機，兩個單片機用于衛星移動通信工作狀態監測，根據基帶處理單元的工作狀態，按照占空比進行天線開關控制。

所述控制信號用于實現主控板對天線的控制，包括利用外部PA使能控制信號CP2RF_TT1_PA_EN打開天線的功放單元、利用外部LNA使能控制信號CP2RF_TT1_LNA_EN打開天線的低噪放單元，設置控制指令和參數。

3.2 工作狀態監測

第一單片機檢測基帶處理單元的工作狀態，然后把監測到的電平狀態發送至天線側的第二單片機，由第二單片機實現功放收發通道的控制，使第一單片機、第二單片機處于正常工作狀態，其余功能器件在非工作狀態下處于休眠狀態。主控板根據定義的狀態監測命令以及睡眠喚醒策略，獲取基帶處理單元的工作狀況，包括當前基帶處理單元的工作頻率、信號質量、衛星點波束信息、空閑/工作狀態、DRX狀態等。

3.3 開關信號判定

主控板狀態監測命令歸納為RSSI：v1、v2；B：v3、v4；T：v5、v6、v7、v8、v9。其中，RSSI代表接收信號的強度指示；B代表波束特征；T代表狀態特征。各參數含義如下：v1為接收信號強度指示；v2為接收信號信噪比；v3為便攜站終端當前所在信道號，空閑時顯示廣播信道號，做業務時顯示業務信道號；v4為便攜站終端當前駐留衛星波束號，按地理位置劃分；v5為基帶處理單元當前RRC層狀態；v6為基帶處理單元當前MM層狀態；v7為基帶處理單元當前GMM層狀態；v8為基帶處理單元當前L1狀態（根據物理層功耗等級，劃分為DRX狀態，IDLE狀態、業務收發狀態和搜星狀態）；v9為當前接收廣播情況。

信號強度計算值：-167+v1×3，單位為dBm。v1的取值范圍為0～32，v2的取值范圍為0～255，v1和v2各用1個字節表示。終端根據v1計算信號強度選擇波束，根據v2計算信號質量來判斷波束是否可用。v1有效位的低3 bit全為1，是信號強度滿足駐留的基本條件；v2有效位的低3 bit全為1，是當前信噪比7 dB的工作條件。主控板根據val=v1amp;v2表示的掩碼計算判斷信號質量，低3 bit是否全為1，判斷當前衛星波束是否滿足使用。不滿足則喚醒基帶處理單元，進行搜星并開啟射頻通道。

當前駐留或者工作的頻率是否有效，是否能夠獲取衛星波束號，能夠判斷當前衛星波束是否滿足使用，根據val=v3amp;v4表示的掩碼計算，判斷是否喚醒基帶處理單元，切換點波束和重新入網。

v5、v6、v7、v8低3 bit用來表示每一層的連接態、空閑態、DRX態，根據val=v5amp;v6amp;v7amp;v8表示的掩碼計算，判斷基帶處理單元當前的工作情況，必須全部進入DRX狀態，使能射頻通道的開關才有效。

根據v9，主控板使能整機的不連續接收狀態，是整機深睡和淺睡的分界線。

主控板分析完上述信息后，通過OOK控制信號承載。通知天線單元的狀態監測主要為開和關，射頻前端能夠分清這兩個狀態，對終端的功耗控制至關重要。

3.4 星歷下發

衛星終端開機后，終端主控板跟天線單元之間會同步查詢內部的星歷信息，如果天線單元星歷信息較舊，會通過OOK控制信號承載，啟動更新裝訂星歷信息模式，進行前端星歷的更新。這個過程的長短，直接決定了終端開機進入波束搜索模式，驅動天線轉動到指定位置的時間，一線通射頻接口控制信號能夠及時完成此過程。

4" 結束語

衛星移動通信終端正在應用于各行各業，小型化、便利化設計是應用推廣的關鍵。降低終端的工作功耗和待機功耗，提高集成方便度，直接關系衛星終端在野外的使用能力，對衛星移動通信整機低功耗的控制具有非常重要的意義。本文提出了一種衛星移動通信終端一線通射頻接口方案，進行了標準化的射頻接口設計，集成通信射頻信號傳輸、北斗/GPS信號傳輸、控制信號傳輸及電源供電等。引入的開關信號判定和星歷信息傳輸，提升了一線通射頻接口的集成度，直接影響開發效率和衛星終端產品的競爭力。

參考文獻

[1] 王洪濤．一種天通北斗衛星天線[P]．中國專利：CN111614370A，2020-09-01.

[2] 夏連城，劉湘寧，魏亮，李芬．一種基于北斗三號系統的小型化北斗導航通信模塊[P]．中國專利：CN216531311U，2022-05-13.

[3] 榮元政，劉波，田非凡．一種基于OOK的一線通射頻前端控制方法及其系統[P]．中國專利：CN110266326A，2021-07-13.