袁鐵山，張朝杰，楊偉君，金仲和

(浙江大學(xué)微小衛(wèi)星研究中心，杭州310027)

微小衛(wèi)星是伴隨著微型計(jì)算技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、衛(wèi)星光學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展而出現(xiàn)的。美國航空航天公司(Aerospace)于1993年最早提出了納衛(wèi)星(NanoSat)和皮衛(wèi)星(PicoSat)的概念，其中納衛(wèi)星的重量在10 kg以下，而皮衛(wèi)星則在1 kg以下。皮納衛(wèi)星具有重量輕、體積小、成本低、研制周期短及發(fā)射靈活性大的優(yōu)勢，它們可以按一定的飛行軌跡以分散的星座式結(jié)構(gòu)而構(gòu)成大的“虛擬衛(wèi)星”，可廣泛用于遠(yuǎn)程通信、導(dǎo)航、氣象學(xué)、環(huán)境監(jiān)測及科學(xué)實(shí)驗(yàn)等任務(wù)。雖然微小衛(wèi)星技術(shù)還處于技術(shù)開發(fā)和實(shí)驗(yàn)階段，但它的這些優(yōu)勢決定了其在未來的科學(xué)研究和商業(yè)應(yīng)用上都將發(fā)揮重要作用[1－3]。

測控應(yīng)答機(jī)是衛(wèi)星空中收發(fā)信號(hào)的主信道，地面上行遙控信號(hào)的接受和解調(diào)、星上遙測數(shù)據(jù)的下發(fā)及衛(wèi)星運(yùn)行軌道的測定等功能都由它實(shí)現(xiàn)。由于皮衛(wèi)星體積小、重量輕等自身?xiàng)l件的限制，星載測控應(yīng)答機(jī)須實(shí)現(xiàn)小型化、低功耗，而傳統(tǒng)的模擬型測控應(yīng)答機(jī)體積和重量大、功耗高，無法滿足皮衛(wèi)星的應(yīng)用需求。

隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字信號(hào)處理能力的不斷進(jìn)步，星載測控應(yīng)答機(jī)朝著數(shù)字化的方向發(fā)展[4－7]。根據(jù)皮衛(wèi)星的應(yīng)用需求，本文設(shè)計(jì)一種適用于皮衛(wèi)星的新型S波段微型測控應(yīng)答機(jī)。整機(jī)采用軟件無線電的設(shè)計(jì)思想，并由分頻式數(shù)字鎖相環(huán)合成各級(jí)本振，具有模塊化、靈活性強(qiáng)及簡單可靠等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)的測控應(yīng)答機(jī)達(dá)到了小型化、低功耗、高接收靈敏度及動(dòng)態(tài)范圍的目標(biāo)。

1 皮衛(wèi)星測控應(yīng)答機(jī)的設(shè)計(jì)需求

衛(wèi)星星載測控應(yīng)答機(jī)為星地之間的通信提供了通道，是衛(wèi)星正常工作的基礎(chǔ)。測控應(yīng)答機(jī)主要是實(shí)現(xiàn)地面測控站上行信號(hào)的接收與轉(zhuǎn)發(fā)功能，同時(shí)具備接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的作用[7]。主要功能包括:

(1)接收并解調(diào)地面測控站發(fā)射的上行遙控信號(hào)，同時(shí)通過下行轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)回傳星上遙測數(shù)據(jù);

(2)接收、解調(diào)并轉(zhuǎn)發(fā)地面測控站發(fā)射的測距信號(hào)，配合地面測控站實(shí)現(xiàn)測距、測速功能。

在皮衛(wèi)星當(dāng)前的應(yīng)用中，國際上通用的S波段上下行載波相干關(guān)系為221/240。星載應(yīng)答機(jī)發(fā)回地面測控站的遙測數(shù)據(jù)采用的是副載波調(diào)制的BPSK信號(hào)，并調(diào)相到下行載波上。而地面測控站發(fā)射的遙控信號(hào)采用副載波調(diào)制的差分BPSK信號(hào)，然后再調(diào)相到上行載波上。測距方式目前采用側(cè)音測距，且上下行都直接調(diào)相到相干載波上。同時(shí)，皮衛(wèi)星本身體積小、重量輕的特點(diǎn)對(duì)星載測控應(yīng)答機(jī)提出了小型化、低功耗等一系列要求。

近年來，隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展和空間應(yīng)用的不斷深入，對(duì)應(yīng)答機(jī)遙控遙測速率、測距精度及工作靈敏度會(huì)提出新的要求，因此需要不同的調(diào)制方式及測距模式。為滿足當(dāng)前的應(yīng)用需求及以后的系統(tǒng)升級(jí)，本文采用軟件無線電的設(shè)計(jì)思路，使測控應(yīng)答機(jī)的體系結(jié)構(gòu)具有更好的靈活性和可擴(kuò)展性。

2 接收機(jī)設(shè)計(jì)

測控應(yīng)答機(jī)是處于空間環(huán)境下的特殊通信系統(tǒng)，它與地面之間的遙遠(yuǎn)的距離使得地面測控站上發(fā)的測控信號(hào)在到達(dá)衛(wèi)星接收天線時(shí)產(chǎn)生了很大的衰減。此外，皮衛(wèi)星受體積和功耗限制，其天線增益相對(duì)較小，這就要求皮衛(wèi)星的測控應(yīng)答機(jī)具有較高的接收靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。同時(shí)，由于衛(wèi)星和地面測控站之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻偏及由星上晶振不穩(wěn)引起的頻率偏差，使得衛(wèi)星接收到的載波信號(hào)頻率不斷發(fā)生變化。在強(qiáng)噪聲背景下接收微弱信號(hào)，接收機(jī)必須窄帶，而且這個(gè)窄帶接收機(jī)必須得跟蹤上載波頻率的變化。要具備這樣的功能，本文采用了鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)的接收機(jī)[8－10]。

常用的接收機(jī)主要有外差式、零中頻和鏡像抑制等幾種結(jié)構(gòu)[11]。接收機(jī)結(jié)構(gòu)的選擇對(duì)測控應(yīng)答機(jī)的小型化、模塊化及性能和靈活性起到了至關(guān)重要的作用。外差式接收機(jī)是當(dāng)前接收機(jī)應(yīng)用中用得最多的結(jié)構(gòu)。在外差式接收機(jī)結(jié)構(gòu)中，接收到的射頻信號(hào)通過幾級(jí)下變頻被變換到基帶。零中頻接收機(jī)也叫直接變頻接收機(jī)。與外差式接收機(jī)把信號(hào)變換到中頻不同的是，零中頻接收機(jī)把接收到的信號(hào)直接變換到基帶，因此就不存在鏡像頻率問題。而鏡像抑制接收機(jī)則通過正交混頻的電路結(jié)構(gòu)來抑制鏡像頻率。

零中頻結(jié)構(gòu)的接收機(jī)由于受直流偏差、閃爍噪聲、I/Q不平衡和偶次諧波失真干擾等問題的影響，導(dǎo)致信號(hào)信噪比的惡化，從而使接收機(jī)靈敏度的下降，并影響遙控信號(hào)解調(diào)及測距精度。而鏡像抑制結(jié)構(gòu)的接收機(jī)由于存在I/Q兩路之間的不平衡及正交本振的不理想，會(huì)使鏡像信號(hào)抑制度不夠，從而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)范圍低，對(duì)ADC位數(shù)要求高及接收靈敏度下降等問題;而且與外差式接收機(jī)相比，鏡像抑制結(jié)構(gòu)的接收機(jī)由于需要兩個(gè)獨(dú)立的支路，其需要的元件數(shù)和空間并未減少。因此，在皮衛(wèi)星應(yīng)用中，外差式接收機(jī)由于其優(yōu)越的性能及簡潔的結(jié)構(gòu)而成為首要的選擇。

傳統(tǒng)的測控應(yīng)答機(jī)一般采用兩次或三次下變頻結(jié)構(gòu)的外差式接收機(jī)，每一次變頻后都有濾波和放大，在提供足夠增益的同時(shí)抑制帶外干擾。這種結(jié)構(gòu)的接收機(jī)體積和功耗都很大，無法滿足皮衛(wèi)星的應(yīng)用需求。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，軟件無線電的設(shè)計(jì)思想使得采樣越來越向天線靠近[12]。本文采用了一次下變頻后直接中頻正交欠采樣的外差式軟件無線電接收機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 外差式中頻欠采樣接收機(jī)結(jié)構(gòu)

信號(hào)經(jīng)天線接收及前置濾波、低噪聲放大和帶通濾波后，直接下變頻到中頻。然后經(jīng)中頻聲表面濾波、中頻放大和自動(dòng)增益控制處理后，直接中頻正交欠采樣，后續(xù)的信號(hào)處理在數(shù)字器件中實(shí)現(xiàn)。中頻處理中的自動(dòng)增益控制使信號(hào)加噪聲的總功率在ADC的輸入端保持恒定，從而將模數(shù)轉(zhuǎn)換的量化噪聲和飽和噪聲降到最小。本文中選擇的中頻和采樣頻率分別為fIF=70 MHz+fd和fs=40 MHz，其中fd為多普勒頻移。經(jīng)正交欠采樣后，70 MHz的中頻頻率直接下降到了－10 MHz，簡化了后續(xù)的數(shù)字處理[13]。

本文采用的外差式中頻欠采樣的接收機(jī)硬件上所用的元件較少，因此體積可以做得很小，非常適合當(dāng)前皮衛(wèi)星的應(yīng)用。此外，接收機(jī)的模擬電路和數(shù)字處理之間只通過一路ADC相連，模塊化清晰，利于后續(xù)的開發(fā)進(jìn)展。采用大量的數(shù)字信號(hào)處理不僅能滿足當(dāng)前殘留載波的遙控調(diào)制方式及側(cè)音測距模式，也能適應(yīng)未來更高速率的BPSK或QPSK等調(diào)制方式及更高精度的偽碼測距模式，便于系統(tǒng)升級(jí)。

3 發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

測控應(yīng)答機(jī)發(fā)射機(jī)的任務(wù)是將基帶信號(hào)調(diào)制到載波上，并搬移到所需要的發(fā)射頻段上，使其具有足夠的發(fā)射功率以滿足皮衛(wèi)星應(yīng)用的需求。此外，由于在軌測量的需要，測控應(yīng)答機(jī)還需要上、下行載波的頻率相干。載波上、下行頻率的相干對(duì)發(fā)射機(jī)的信號(hào)處理及頻率分配有很大影響，這就使得測控應(yīng)答機(jī)的發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)有別于普通無線通信中的發(fā)射機(jī)[14]。

普通的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)大致可以分為兩種[11]，一是直接變換法，即對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的同時(shí)完成上變頻。二是多步變換法，將調(diào)制和上變頻分開，先在較低的中頻頻率上進(jìn)行調(diào)制，再將已調(diào)信號(hào)上變頻到發(fā)射的載頻上。直接變換法雖然結(jié)構(gòu)上簡單，但有個(gè)很大的缺陷:由于發(fā)射信號(hào)是以本振頻率為中心的通帶信號(hào)，功率放大或發(fā)射后的強(qiáng)信號(hào)經(jīng)泄漏或反射影響本振，從而影響調(diào)制度。此外，由于調(diào)制是在射頻上進(jìn)行，正交兩支路間的平衡性很難得到保證。多步變換法則可以明顯地彌補(bǔ)直接變換法的缺點(diǎn)，而且由于調(diào)制是在較低的中頻上進(jìn)行，正交兩支路間的平衡性容易保證，如果調(diào)制直接在數(shù)字域中進(jìn)行，兩支路之間的不平衡性就完全不存在了。但這種結(jié)構(gòu)在最后一次變頻后必須采用帶通濾波器濾除混頻產(chǎn)生的另一個(gè)無用邊帶，為了達(dá)到發(fā)射機(jī)的性能指標(biāo)，須選用帶寬相對(duì)窄、插入損耗小的聲表面濾波器。

基于直接變換和多步變換的測控應(yīng)答機(jī)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)分別如圖2和圖3所示。圖2結(jié)構(gòu)的發(fā)射機(jī)又稱基于數(shù)字基帶成形和模擬I/Q調(diào)制的發(fā)射機(jī)。在這種結(jié)構(gòu)中，數(shù)字處理模塊完成基帶信號(hào)成形，模擬模塊產(chǎn)生下行載波并將基帶信號(hào)直接調(diào)制到載波上。圖3結(jié)構(gòu)的發(fā)射機(jī)采用了軟件無線電的思想，又稱基于全數(shù)字調(diào)制和兩次上變頻的測控應(yīng)答機(jī)發(fā)射機(jī)。在這種結(jié)構(gòu)中，數(shù)字處理模塊完成基帶信號(hào)成形、載波調(diào)制及載波相關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)，模擬模塊則通過兩次上變頻及帶通濾波把頻譜搬移到發(fā)射頻率上。圖2中直接調(diào)制發(fā)射機(jī)的下行載波為滿足與上行載波的相干關(guān)系，需要用采樣鎖相環(huán)來合成相對(duì)應(yīng)的本振信號(hào)，實(shí)現(xiàn)難度較大，而全數(shù)字調(diào)制發(fā)射機(jī)由于載波上下行相干關(guān)系已經(jīng)直接在數(shù)字處理中完成，只需采用普通的分頻式鎖相環(huán)來合成本振信號(hào)即可。

圖2 基于數(shù)字基帶成形和模擬I/Q調(diào)制的測控應(yīng)答機(jī)發(fā)射機(jī)

圖3 基于全數(shù)字調(diào)制和兩次上變頻的測控應(yīng)答機(jī)發(fā)射機(jī)

因?yàn)楸菊駥?shí)現(xiàn)的簡單及靈活性，全數(shù)字調(diào)制方式的模擬模塊與數(shù)字模塊之間的連接更少，有利于測控應(yīng)答機(jī)的小型化和模塊化，方便以后系統(tǒng)的升級(jí)。同時(shí)，兩次上變頻方式也為數(shù)字低中頻和第一級(jí)混頻后的中頻頻率選擇提供了更大的靈活性，使得中頻帶通濾波器的選型更加靈活。另外，數(shù)字低中頻的頻率可根據(jù)實(shí)際下行帶寬需要來選擇，從而盡可能地降低全數(shù)字調(diào)制的處理速率來降低處理功耗。

在數(shù)字處理算法上，全數(shù)字調(diào)制可根據(jù)不同的調(diào)制方式靈活地設(shè)計(jì)調(diào)制器的算法，尤其在遙測和測距信號(hào)同時(shí)調(diào)制時(shí)，從而最大限度地降低所用資源。而模擬I/Q調(diào)制方式雖然能通過合成I/Q兩路信號(hào)完成任何形式的調(diào)制，但在不同的調(diào)制方式下，其基帶信號(hào)處理可能會(huì)變得很復(fù)雜。綜上所述，我們采用了全數(shù)字調(diào)制和兩次上變頻的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)。

4 微型測控應(yīng)答機(jī)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)前面接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于軟件無線電的微型測控應(yīng)答機(jī)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，原理樣機(jī)如圖5所示。

圖4 軟件無線電微型測控應(yīng)答機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

圖5 軟件無線電微型測控應(yīng)答機(jī)樣機(jī)

其中射頻接收部分采用一次下變頻，把接收到的射頻信號(hào)直接變換到中頻，并直接對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行帶通欠采樣，由數(shù)字平臺(tái)進(jìn)行信號(hào)處理。而射頻發(fā)射部分采用二次上變頻，由數(shù)字平臺(tái)產(chǎn)生低中頻全數(shù)字調(diào)制信號(hào)，然后經(jīng)二次上變頻形成下行發(fā)射信號(hào)。發(fā)射模塊和接收模塊分別處于PCB板的兩側(cè)，在空間上予以隔離，尤其是鎖相環(huán)模塊等敏感電路遠(yuǎn)離PA等大功率器件;同時(shí)，在模塊的周圍鋪地框，以增強(qiáng)模塊間的隔離，使接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)互不干擾。數(shù)字平臺(tái)主要由并行處理功能出色的FPGA承擔(dān)，完成上行載波恢復(fù)、遙控信號(hào)解調(diào)、測距信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)及下行全數(shù)字調(diào)制等功能。圖4中所有的本振由分頻式數(shù)字鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)，不僅頻率配置方便靈活，而且產(chǎn)生的諧波及雜散分量都非常小，非常符合皮衛(wèi)星在功耗、體積及性能上的要求。同時(shí)，為保證測控應(yīng)答機(jī)上下行載波相干的關(guān)系，本振和數(shù)字平臺(tái)的頻率參考源由同一個(gè)TCXO提供。

由商業(yè)器件實(shí)現(xiàn)的S波段測控應(yīng)答機(jī)的接收機(jī)增益分配如圖6所示。圖中同時(shí)列出了各級(jí)芯片的增益和噪聲系數(shù)。接收機(jī)天線接收端的輸入功率范圍為－140 dBm～－50 dBm，在圖中分別用Pmin和Pmax表示最小和最大輸入功率。而熱噪聲是以中頻聲表面濾波器5 MHz帶寬內(nèi)的功率表示的，圖中以Pnoise表示，常溫下輸入端的熱噪聲為:

式中N0是常溫下基底噪聲功率譜密度，BIF是中頻聲表面濾波器的帶寬。而整機(jī)的噪聲系數(shù)計(jì)算公式為:

式中的NFn和Gn分別為第n級(jí)的噪聲系數(shù)和增益，從上式中也可以看出系統(tǒng)的噪聲系數(shù)主要由第一級(jí)放大器的噪聲系數(shù)決定。由圖6中所示的各級(jí)噪聲系數(shù)及增益可求得整機(jī)的等效噪聲系數(shù)約為NFe=3 dB。經(jīng)接收機(jī)處理后，為使ADC的量化噪聲和飽和噪聲降到最低，由ADC的偏置電壓及信號(hào)特性[13]，輸入到ADC的信號(hào)加噪聲的總功率保持在－2 dBm左右。發(fā)射機(jī)DAC輸出到天線的增益分配如圖7所示，輸出功率達(dá)到26 dBm。兩級(jí)本振信號(hào)的頻率可根據(jù)中頻濾波器的頻點(diǎn)和帶寬靈活配置。

圖6 接收機(jī)增益分配圖

圖7 發(fā)射機(jī)增益分配圖

實(shí)際整個(gè)測控應(yīng)答機(jī)已在一塊面積為16.5 cm×10 cm的印制電路板上實(shí)現(xiàn)。對(duì)接收機(jī)中頻AGC輸出頻譜進(jìn)行觀察，并測試整機(jī)接收靈敏度。圖8顯示了輸入信號(hào)為－125 dBm時(shí)，中心頻率附近10 MHz帶寬內(nèi)的AGC輸出頻譜。由圖中可見，整個(gè)頻帶內(nèi)的頻譜很干凈，無任何雜散，在－125 dBm輸入信號(hào)及1 kHz分辨率帶寬下，信號(hào)功率比噪聲大了約13 dB。且在接收機(jī)載波環(huán)路的帶寬為1 kHz時(shí)，實(shí)際測得接收靈敏度為－136 dBm，動(dòng)態(tài)范圍大于80 dB。

圖8 輸入信號(hào)－125 dBm時(shí)的中頻AGC輸出頻譜

同時(shí)，測得發(fā)射功率約為26 dBm(24.5 dBm+1.5 dB同軸線衰減)，頻譜如圖9所示，10 MHz帶寬內(nèi)雜散信號(hào)抑制度超過50 dBc，已足夠滿足軌道高度小于1 000 km的低軌皮衛(wèi)星的需求。且在此發(fā)射功率下，測得整機(jī)的功耗約為4.5 W。

圖9 發(fā)射信號(hào)頻譜圖

因此，整個(gè)基于軟件無線電結(jié)構(gòu)的測控應(yīng)答機(jī)實(shí)現(xiàn)了小型化、低功耗、高靈敏度及高動(dòng)態(tài)范圍的目標(biāo)，且具有模塊化、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能滿足皮衛(wèi)星的各項(xiàng)應(yīng)用需求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于軟件無線電的測控應(yīng)答機(jī)結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中采用了中頻欠采樣技術(shù)及全數(shù)字調(diào)制技術(shù)，并由分頻式數(shù)字鎖相環(huán)合成各級(jí)本振。最后用商業(yè)器件實(shí)現(xiàn)了適用于皮衛(wèi)星的小型化、低功耗、高靈敏度及高動(dòng)態(tài)范圍的新型S波段微型測控應(yīng)答機(jī)。整機(jī)具有模塊化、靈活性強(qiáng)及簡單可靠等優(yōu)點(diǎn)，在滿足當(dāng)前應(yīng)用的同時(shí)，利于以后系統(tǒng)升級(jí)。

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