摘 要： 以納衛(wèi)星研究項目為背景，設(shè)計和實現(xiàn)了適用于納衛(wèi)星的新型發(fā)射機。該發(fā)射機具有功耗低、重量輕、體積小、靈活性高等特點。根據(jù)指標(biāo)要求，理論計算發(fā)射功率要求，研究發(fā)射機的結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)討論芯片選型。星載發(fā)射機的基帶處理部分由現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）實現(xiàn)，完成信道編碼、擴頻、BPSK調(diào)制；輸出采樣經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換、濾波網(wǎng)絡(luò)、正交調(diào)制、功率放大、功率分配等模塊后，通過天線輻射出去。設(shè)計了FPGA軟件，完成外部使能檢測、芯片在線配置和BPSK調(diào)制。在一塊印制電路板上實現(xiàn)發(fā)射機設(shè)計，最后通過實際地面測試，功耗約為2.5 W，重量約為16 g，尺寸為80 mm×38 mm×15 mm，發(fā)射功率為24 dBm，表明設(shè)計結(jié)果滿足尺寸、重量、發(fā)射功率等指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞： 納衛(wèi)星； 發(fā)射機； 擴頻； FPGA； BPSK

中圖分類號： TN836?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）07?0064?05

0 引 言

納衛(wèi)星（Nano?satellite）是以微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)為基礎(chǔ)的一種全新概念的微小衛(wèi)星，質(zhì)量在10 kg以下，1 kg以上[1?2]。與大衛(wèi)星相比，納衛(wèi)星具有集成度高、體積小、質(zhì)量輕、功耗低、研制周期短、成本低、機動性強等特點。通過分散式的星座結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，納衛(wèi)星可以實現(xiàn)甚至超越一顆大衛(wèi)星的功能，并且能以較低的成本實現(xiàn)衛(wèi)星搭載和空間新技術(shù)演示等科學(xué)實驗項目[3]。因此納衛(wèi)星在科學(xué)研究和商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域都將發(fā)揮重要作用。

本文研究目標(biāo)納衛(wèi)星總體重量約為2 kg，其本體結(jié)構(gòu)為20 cm×20 cm×20 cm的立方體。整個納衛(wèi)星由通信系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、姿測與姿控系統(tǒng)、空間相機和有效載荷等部分組成。衛(wèi)星表面安裝有太陽能電池、天線和相機鏡頭等設(shè)備。

在納衛(wèi)星中，通信系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)納衛(wèi)星與地面的信息交互工作。星載發(fā)射機作為通信系統(tǒng)中不可或缺的一部分，其設(shè)計原則不同于傳統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)射機，受到了功耗、體積和重量等技術(shù)指標(biāo)的嚴(yán)格限制。同時，限于納衛(wèi)星的自身條件，星載發(fā)射機必須在滿足數(shù)據(jù)傳輸速率和發(fā)射功率要求的前提下，盡可能地減小體積和降低功耗。本文根據(jù)納衛(wèi)星的特點，設(shè)計了一種新型星載通信發(fā)射機，并在地面試驗中驗證了其功能和性能指標(biāo)。

1 星載發(fā)射機技術(shù)指標(biāo)及發(fā)射功率設(shè)計

星載發(fā)射機主要完成納衛(wèi)星下行數(shù)據(jù)的發(fā)送。根據(jù)國際相關(guān)微小衛(wèi)星設(shè)計慣例，發(fā)射機載波頻段為2 200～2 400 MHz，擬采用的載波頻率為2 323 MHz。發(fā)射機待傳送的數(shù)據(jù)包括圖像數(shù)據(jù)和衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)速率設(shè)計指標(biāo)為1 024 b/s。待發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)過擴頻、BPSK調(diào)制上變頻后通過天線輻射出去；要求接收端的誤碼率低于[10-6]。

根據(jù)以上星載發(fā)射機的各項技術(shù)指標(biāo)，下面對發(fā)射功率進行論證。

1.1 星載發(fā)射機發(fā)射功率的確定

為保證接收機能正確接收和解調(diào)納衛(wèi)星發(fā)送的BPSK信號，星載發(fā)射機的最小發(fā)射功率可以表示為：

[PT=LP-GR+LF+Pmin] （1）

式中：[LP]為信號在自由空間中的路徑損耗；[GR]為接收天線增益；[LF]為饋線及其他損耗；[Pmin]為接收機的靈敏度。對于信號的路徑損耗[LP]可以計算為：

[LP=32.4+20log（f）+20log（d）] （2）

式中：[f]為發(fā)射機發(fā)送的載波頻率，單位為MHz；[d]為發(fā)射機到地面接收機的空間距離，單位為km。本設(shè)計中納衛(wèi)星到地面站的測控距離為1 877 km，載波頻率為2 323 MHz，代入式（2）中可得[LP=165.2]dB。

設(shè)接收天線增益[GR=30]dB，饋線及其他損耗[LF=]5 dB。分析接收機的靈敏度[Pmin。]由于星載發(fā)射機采用了擴頻調(diào)制，地面擴頻接收機靈敏度可以計算為：

[Pmin=NF+kT0BRF+（EbNo）min-PG] （3）

式中：[NF]為接收機的噪聲系數(shù)；[k=1.38×10-23 ]J/K為波爾茲曼常數(shù)；[T0]為接收機端的絕對溫度，設(shè)為室溫293 K；[BRF]為射頻信號帶寬；[（EbNo）min]為接收機允許的最小信噪比；[PG]為擴頻系統(tǒng)的處理增益。

本文所設(shè)計的星載發(fā)射機采用直接序列擴頻（DSSS），根升余弦滾降濾波，再通過雙相移位鍵控（BPSK）對載波進行調(diào)制。原始數(shù)據(jù)速率為1 024 b/s，擴頻碼速率為1.023 Mb/s，擴頻增益[PG=29.995 8]dB。

由通信原理相關(guān)知識可知，假設(shè)傳播信道為AWGN，BPSK調(diào)制下誤碼率（BER）和信噪比（[EbNo]）之間的關(guān)系如圖 1所示。由圖 1可知，當(dāng)接收機誤碼率要求低于[10-6]時，[（EbNo）min=10.5]dB。

進一步，設(shè)噪聲系數(shù)[NF=1.6]dB，因此，可以計算出接收機的靈敏度[Pmin=-128.7]dBm。

綜上所述，發(fā)射機的最小發(fā)射功率應(yīng)為：[PT=LP-GR+LF+Pmin=11.5 dBm] （4）

而對于實際的通信系統(tǒng)，采用合適的信道編碼方案約有7 dB的編碼增益[4]，系統(tǒng)要求保持15 dB的鏈路余量和2 dB左右的解調(diào)損耗，故星載發(fā)射機最終的發(fā)射功率設(shè)計值為21.5 dBm。

圖1 BPSK調(diào)制下BER和SNR之間的關(guān)系

1.2 星載發(fā)射機硬件設(shè)計及芯片選型

基于納衛(wèi)星星載發(fā)射機的特點，采用模塊化設(shè)計，主要包括數(shù)/模轉(zhuǎn)換、頻率綜合、正交調(diào)制、濾波放大和電源5個模塊，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 星載發(fā)射機結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊接收FPGA送來的10位總線數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為兩路模擬差分信號輸出；濾波網(wǎng)絡(luò)完成帶外噪聲抑制；正交調(diào)制模塊利用頻率綜合模塊輸出的載波信號對模擬信號正交調(diào)制上變頻；射頻信號經(jīng)過帶通濾波和兩級功放后再由功率分配器分配到兩個天線輻射出去。

結(jié)合1.1節(jié)發(fā)射機最小發(fā)射功率設(shè)計結(jié)果，星載發(fā)射機各個模塊的芯片選型說明如下：

1.2.1 數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊

數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊選用Analog Devices公司的AD9761芯片，單路輸入，差分輸出，可以滿足對PFGA輸出的單路BPSK數(shù)字信號的數(shù)/模轉(zhuǎn)換。

AD9761可以完成10位中等精度雙通道數(shù)據(jù)的處理，差分非線性誤差小，采樣速率高達40 MSPS，緊縮小封裝SSOP?28，占用面積小，3～5.5 V單電源供電、最大功耗僅97 mW，同時，外圍硬件設(shè)計相對簡單，便于在星載發(fā)射機上實現(xiàn)。

1.2.2 頻率綜合模塊

頻率綜合模塊采用Silicon Laboratories公司的完整頻率合成器芯片Si4136。該芯片產(chǎn)生的時鐘穩(wěn)定性高，精度高，可以滿足正交調(diào)制模塊對載波頻率的要求。

Si4136外部選用10 MHz恒溫晶振作為參考時鐘，其內(nèi)部由1個中頻鎖相環(huán)、1個22位數(shù)據(jù)寄存器、2個射頻鎖相環(huán)、3個壓控振蕩器（VCO）及三線控制器組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能框圖如圖3所示。Si4136為雙頻段射頻綜合器，可以輸出射頻頻段RF1：2 300～2 500 MHz和RF2：2 025～2 300 MHz。通過FPGA對使能信號SENB、時鐘信號SCLK和數(shù)據(jù)信號SDATA的配置，可以對輸出頻率進行控制和修改[5]。芯片的電源電流典型值為25.7 mA，電源電壓為3.3 V，具有功耗低，相位噪聲小等優(yōu)點。

1.2.3 正交調(diào)制模塊

正交調(diào)制模塊采用Analog Devices公司的ADL5375芯片實現(xiàn)寬帶正交調(diào)制，具有優(yōu)異的載波抑制和邊帶抑制性能，帶寬利用率高，抗干擾能力強，滿足系統(tǒng)需求。

ADL5375將DAC輸出的兩路差分信號調(diào)制到本振信號上。要采用24腳LFCSP_VQ小型封裝，4.75～5.25 V單電源供電，工作頻率范圍為400 MHz～6 GHz，調(diào)制器的輸出功率在0 dBm左右。

1.2.4 濾波放大模塊

濾波放大模塊由帶通濾波器、兩級功率放大器和功率分配器三部分組成。

帶通濾波器采用射頻帶通濾波芯片TA0803A，消除帶外頻率分量對載頻的影響。TA0803A的中心頻率為2 313.5 MHz，帶寬為27 MHz。本文設(shè)計的發(fā)射信號在TA0803A通帶頻段2 286.5～2 340.5 MHz內(nèi)，頻段內(nèi)阻帶可衰減32 dB，能夠?qū)忸l率進行有效抑制。帶通濾波器的插入損耗為3 dB，故濾波器的輸出功率約為-3 dBm。

由于濾波輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達不到發(fā)射機要求的最小發(fā)射功率23.5 dBm，因此在發(fā)射機的末級采用了射頻功率放大器以達到預(yù)算目標(biāo)功率。

本文采用兩級級聯(lián)的功放。第一級的作用是保證信號被線性地放大，在此基礎(chǔ)上力求高效率；第二級的作用是在提高效率的前提下盡可能滿足一定的線性要求[6]。第一級功放選用HMC308，其線性放大效果明顯，增益達18 dB，可以實現(xiàn)15 dBm的功率輸出；第二級選用HMC454ST89，效率高，增益12.5 dB，輸出功率為27.5 dBm，滿足發(fā)射功率要求，且余量較大。

由于納衛(wèi)星在空間可能發(fā)生翻滾，為增加地面接收機接收到信號的概率，在納衛(wèi)星的相對兩面分別配置一個天線。因此，需要選擇一個功率分配器，將信號分配到兩個天線上輻射出去。功率分配器選用MAPDCC0010芯片，其插入損耗為3 dB，兩路輸出功率均為24.5 dBm，其比發(fā)射功率設(shè)計值大3 dBm，可以滿足接收機對解調(diào)和誤碼率的要求。

1.2.5 電源模塊

電源模塊是發(fā)射機最重要的部分，穩(wěn)定且高效的電源才能夠保證整個系統(tǒng)穩(wěn)定工作，不會因為電源波動影響整個系統(tǒng)的運行。本文中選用的電源芯片為MIC5245?3.3 V。在納衛(wèi)星星載發(fā)射機中輸入電壓為5 V，其他模塊使用的電壓僅有5 V和3.3 V，壓差較小。而傳統(tǒng)的DC?DC芯片需要輸入電壓比輸出電壓高出2 V以上才能正常工作，因此不能采用。MIC5245?3.3 V是低壓差穩(wěn)壓器，內(nèi)部采用CMOS晶體管工藝，輸入電壓與輸出電壓的差值只需要保持在一個很低的水平（僅200 mV左右）；而且該芯片電源轉(zhuǎn)換效率較高，輸出噪聲小，靜態(tài)電流小，適合于納衛(wèi)星上使用。同時為了減少電源的干擾，選用大電流三端電容器NFM2012P13C104R對電源進行線性濾波。

綜上設(shè)計，星載發(fā)射機的鏈路預(yù)算及芯片選型結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，星上發(fā)射機發(fā)射功率為24.5 dBm，滿足發(fā)射機所需發(fā)射功率21.5 dBm的設(shè)計指標(biāo)。

發(fā)射機模塊化設(shè)計完成后，應(yīng)用工具Cadence 16.5完成原理圖和印刷電路板（PCB）的繪制。星載發(fā)射機整體的原理圖如圖5所示。

根據(jù)納衛(wèi)星對體積的要求，確定該發(fā)射機PCB版圖尺寸是80 mm×38 mm，板上四角有機械安裝孔，方便發(fā)射機的固定。電路板采用四層板架構(gòu)，分別為：頂層信號層，中間兩層接地層，底層信號層。板材選擇高頻板材Rogers 4350B，厚度為0.8 mm，介電常數(shù)為2.55，表面處理采用方式為沉金，符合電路阻抗匹配和信號傳輸速率的要求[7]。

由于PCB涉及模擬信號和數(shù)字信號，基帶信號和射頻信號，所以將模擬信號和數(shù)字信號分區(qū)域布置，在空間上隔離以降低串?dāng)_風(fēng)險。由于地線在射頻時存在一定阻抗，易形成數(shù)/模共阻抗干擾，所以PCB使用長寬比小于3的GND平面，降低GND阻抗，進一步降低共模電壓；使用數(shù)/模分割，避免數(shù)字GND產(chǎn)生的共模電流流經(jīng)模擬區(qū)域。繪制完成的發(fā)射機PCB頂層布局布線如圖6所示。

圖4 發(fā)射機鏈路預(yù)算及芯片選型

圖6 星載發(fā)射機PCB頂層布局布線

最后需要說明的是，本設(shè)計中FPGA模塊布局在核心板上，以便降低整體功耗，減小重量和尺寸，這里不進行詳細(xì)說明。

2 星載發(fā)射機軟件設(shè)計

納衛(wèi)星發(fā)射機的基帶處理部分在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)。FPGA芯片選用Altera公司的Cyclone IV EP4CGX110，具有較為豐富的邏輯和存儲資源，可以完成數(shù)據(jù)和流程處理。信號處理的流程圖如圖7所示。

由圖7可知，納衛(wèi)星發(fā)射機軟件部分可分為三個模塊：外部使能檢測模塊，芯片在線配置模塊和調(diào)制模塊。

圖7 納衛(wèi)星發(fā)射機軟件部分信號處理流程圖

各個模塊工作原理簡單介紹如下：

（1） 外部使能檢測模塊

納衛(wèi)星在未收到計算機主控模塊的數(shù)據(jù)讀取命令之前一直處于低功耗休眠等待狀態(tài)，在此狀態(tài)下，后續(xù)模塊均不工作，可以大大降低納衛(wèi)星在發(fā)射空閑時間的能耗。若檢測到有效的使能信號，則控制后續(xù)的芯片配置模塊和調(diào)制模塊開始工作。

（2） 芯片在線配置模塊

納衛(wèi)星發(fā)射板上的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片和頻率合成器芯片均由FPGA進行配置。配置數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片為單通道工作模式。通過SPI接口對頻率合成器芯片進行配置，輸出2 323 MHz載波。

（3） 調(diào)制模塊

調(diào)制模塊主要是對納衛(wèi)星待傳輸?shù)男盘栠M行規(guī)定的調(diào)制，以使其適合在信道中傳輸，其內(nèi)部各模塊的工作原理描述如下：

① RAM讀取。若檢測到使能信號有效，則開始對指定塊RAM進行讀取操作。塊RAM中存儲的數(shù)據(jù)包括狀態(tài)數(shù)據(jù)和壓縮圖像數(shù)據(jù)。

② 信道編碼RAM。納衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)，信道條件復(fù)雜，可靠性低，采用信道編碼可以有效地提高傳輸可靠性。綜合考慮信道及資源情況，可以采用簡單的糾錯編碼方式來實現(xiàn)信道編碼。本設(shè)計中采用級聯(lián)碼，外碼為RS（255，223），內(nèi)碼為卷積碼（2，1，7）。在BER為[10-6]時，采用軟判決譯碼可以獲得約7 dB的增益[4]。

③ 擴頻調(diào)制。擴頻調(diào)制技術(shù)因其具有抗干擾性強、易于同頻使用和抗多徑干擾等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信領(lǐng)域。擴頻調(diào)制采用DSSS，選用的擴頻碼速率為1.023 Mb/s，周期為1 ms，擴頻增益達29.995 8 dB。

④ 成形濾波及BPSK調(diào)制。為防止在接收機端形成碼間干擾，基帶信號在BPSK調(diào)制之前先進行成形濾波，成形濾波器選用根升余弦濾波器，滾降系數(shù)[α=0.5。]經(jīng)過成形濾波后，可計算出調(diào)制后信號帶寬為[1.023×（1+α）=1.534 5]MHz。BPSK信號是一種恒包絡(luò)抑制載波雙邊帶信號。該模塊在成形濾波后再完成中頻調(diào)制，然后由后續(xù)的正交調(diào)制器芯片完成射頻調(diào)制。其中中頻信號采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS）生成。設(shè)計中，F(xiàn)PGA芯片的采樣時鐘為19.437 MHz，發(fā)射機所選用的中頻為2.43 MHz，采用位寬為29位的累加器進行相位累加，可得頻率分辨率[Δf=20×][106÷229=0.037]Hz。使用FPGA設(shè)計DDS，可以在滿足系統(tǒng)要求和保持DDS原有優(yōu)點的基礎(chǔ)上，減少硬件復(fù)雜性，降低芯片面積和功耗。

3 測試結(jié)果及分析

本文設(shè)計并完成了具體的電路原理圖和電路板，調(diào)試了各部分電路，基本達到了預(yù)期的目標(biāo)。納衛(wèi)星發(fā)射機的基本功能已實現(xiàn)。

圖8是本文設(shè)計并調(diào)試通過的電路板元件面，該電路板重量為15.5 g，本體尺寸為80 mm×38 mm×15 mm，實際測試功耗2.5 W，滿足納衛(wèi)星的要求。傳統(tǒng)的測控應(yīng)答機體積大、功耗高：國內(nèi)現(xiàn)有的測控應(yīng)答機一般功耗在10 W左右，體積大于1 000 cm3。相比之下，星載發(fā)射機優(yōu)勢明顯。

圖8 發(fā)射機樣機元件面

使用在線邏輯分析儀SignalTap Ⅱ在線對FPGA輸出的中頻BPSK信號進行采集，頻域分析后的仿真結(jié)果如圖9所示。其中，采樣頻率為19.437 MHz。由圖9中可以看出，信號頻譜主包絡(luò)的中心頻率為2.43 MHz，信號帶寬約為1.5 MHz，這與理論中心頻率與成形后的擴頻帶寬基本相符，驗證了FPGA輸出結(jié)果的正確性。

圖9 調(diào)制后信號頻譜仿真結(jié)果

星載發(fā)射機實際發(fā)射功率地面試驗實測結(jié)果如圖10所示。為了保證測試儀器的安全性，在天線接口處添加了一個20 dB的衰減器。

圖10 發(fā)射機發(fā)射功率實測結(jié)果

由圖10可知，頻譜的中心頻率為2 323 MHz，發(fā)射機經(jīng)過20 dB的衰減器實測功率為3.54 dBm，即輸出功率為23.54 dBm，考慮到實際測試中射頻泄漏和測量誤差，該發(fā)射機實測發(fā)射功率在誤差允許范圍內(nèi)，完全滿足納衛(wèi)星設(shè)計要求。

4 結(jié) 語

在體積、重量、功耗等設(shè)計約束條件下，本文完成了納衛(wèi)星星載發(fā)射機發(fā)射功率論證、芯片選型、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。地面試驗測試結(jié)果說明，發(fā)射機實現(xiàn)了納衛(wèi)星的射頻信號發(fā)射功能，工作性能穩(wěn)定，工作帶寬較寬，帶外抑制較好。而且，該發(fā)射機具有功耗低、體積小、結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便的特點，完全滿足納衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

參考文獻

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