王日炎，楊昆明，周伶俐，林啟華，王 昕，馮 偉

（廣州潤(rùn)芯信息技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510663）

1 國(guó)外衛(wèi)星移動(dòng)通信技術(shù)及設(shè)備發(fā)展情況

國(guó)外衛(wèi)星移動(dòng)通信發(fā)展較早，起步于20世紀(jì)70年代，目前已經(jīng)建成多個(gè)靜止軌道和中低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。在靜止軌道方面，全球覆蓋的有海事衛(wèi)星系統(tǒng)（Inmarsat）；區(qū)域覆蓋的有北美移動(dòng)衛(wèi)星系統(tǒng)（MSAT）、瑟拉亞衛(wèi)星系統(tǒng)（Tlnuraya）、日本衛(wèi)星系統(tǒng)（N-STAR）以及澳大利亞衛(wèi)星系統(tǒng)（Optus）等。在中低軌方面，典型系統(tǒng)是銥星（Iridium）、全球星（GlobalSlar）以及星鏈等[2]。

2 天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)

為改變衛(wèi)星移動(dòng)通信應(yīng)用長(zhǎng)期受制于人的情況，20世紀(jì)90年代我國(guó)開始發(fā)展自主可控的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。歷經(jīng)多年研發(fā)，我國(guó)自主衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)“天通一號(hào)”系統(tǒng)首顆衛(wèi)星于2016年8月6日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心搭載長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭發(fā)射升空，2018年完成系統(tǒng)驗(yàn)證，天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)入正式運(yùn)營(yíng)階段。天通一號(hào)02星、03星分別于2020年11月12日、2021年1月20日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心搭載長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭發(fā)射成功，至此完成天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)星座組網(wǎng)。天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)由空間段、地面段以及用戶終端組成，用戶鏈路為S頻段，可為我國(guó)及周邊、中東、非洲等相關(guān)地區(qū)以及太平洋、印度洋大部分海域用戶提供全天候、穩(wěn)定可靠的移動(dòng)通信服務(wù)。天通一號(hào)系列衛(wèi)星使我國(guó)擁有了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，為我國(guó)國(guó)土及周邊海域的各類手持和小型移動(dòng)終端提供話音和數(shù)據(jù)通信覆蓋，滿足更多用戶的多樣化通信需求。

3 核心射頻收發(fā)芯片

天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)建設(shè)同期，國(guó)內(nèi)各高校、企事業(yè)單位等開始研發(fā)終端芯片，確保系統(tǒng)應(yīng)用階段核心器件可控。廣州潤(rùn)芯信息技術(shù)有限公司是國(guó)內(nèi)最早開始研究天通一號(hào)射頻芯片的廠家之一，順利于2016年推出天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)專用射頻收發(fā)芯片RX6003。芯片集成衛(wèi)星通信收發(fā)通道和1個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航接收通道，支持天通一號(hào)衛(wèi)星通信系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航、通信及通導(dǎo)融合應(yīng)用。RX6003芯片的衛(wèi)星接收通道和導(dǎo)航接收通道采用低中頻架構(gòu)，射頻前端采用具有出色線性度的高性能低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA），結(jié)合中頻多級(jí)可調(diào)諧濾波器使芯片接收信道具備優(yōu)異的雜散和帶外干擾抑制能力。發(fā)射通道采用直接變頻結(jié)構(gòu),發(fā)射增益調(diào)節(jié)范圍高達(dá)30 dB。RX6003集成低功耗小數(shù)分頻鎖相環(huán)，內(nèi)置環(huán)路濾波器，可同時(shí)為接收和發(fā)射電路提供高性能本振信號(hào)。接收與發(fā)射通道采用了獨(dú)立鎖相環(huán)，可支持頻分雙工（Frequency Division Duplexing，F(xiàn)DD/時(shí)分雙工（Time Division Duplexing，TDD）兩種制式。此外，芯片支持常規(guī)模式、抗干擾模式以及應(yīng)急救生模式[1]。

4 FDD模式天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信終端收發(fā)通道隔離設(shè)計(jì)分析

天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)用戶鏈路的收發(fā)通道頻率最小間隔僅為160 MHz左右，衛(wèi)星在36 000 km地球同步軌道上的路徑損耗遠(yuǎn)大于地面移動(dòng)通信系統(tǒng)，這也就意味著天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)終端需要更高的接收靈敏度和更大的發(fā)射功率，這對(duì)體積較小的便攜式FDD衛(wèi)星移動(dòng)通信終端設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，尤其是收發(fā)隔離方面[2]。FDD工作模式的衛(wèi)星移動(dòng)通信終端不同于其他收發(fā)模式收發(fā)信機(jī)，其工作原理如圖1所示。

由于其收發(fā)同時(shí)工作，因此接收鏈路更易受到干擾，尤其是終端自身發(fā)射通道對(duì)接收通道的干擾。收發(fā)機(jī)發(fā)射通道對(duì)接收通道的影響分為2個(gè)方面：一是發(fā)射通道底噪抬升泄露至接收通道，導(dǎo)致終端接收靈敏度惡化；二是發(fā)射通道發(fā)射功率導(dǎo)致接收通道增益壓縮，阻塞終端的接收通道[3]。

天通一號(hào)移動(dòng)通信地面終端的體積小，射頻收發(fā)電路間隔近，發(fā)射通道影響接收通道的途徑較多，其中主要途徑分為3種。一是射頻收發(fā)芯片自身接收和發(fā)射端口耦合；二是基于發(fā)射接收鏈路的耦合；三是收發(fā)射頻前端鏈路的空間耦合。實(shí)際設(shè)計(jì)需要從核心器件設(shè)計(jì)、鏈路抑制指標(biāo)分配和電路空間隔離等多個(gè)方面綜合考慮才能達(dá)到系統(tǒng)要求[4]。收發(fā)機(jī)發(fā)射通道影響接收通道示意圖如圖2所示。

5 基于RX6003芯片的FDD衛(wèi)星移動(dòng)通信終端收發(fā)隔離設(shè)計(jì)實(shí)例

天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的終端需要和軌道高度為36 000 km地球同步衛(wèi)星通信，終端發(fā)射功率較地面移動(dòng)通信終端大很多。以終端發(fā)射功率40 dBm、發(fā)射通道前端增益45 dB以及接收通道前端增益30 dB為典型配置，按照上述發(fā)射通道影響接收通道的途徑分別分析[5]。

5.1 發(fā)射通道底噪抬升對(duì)接收通道的指標(biāo)設(shè)計(jì)

發(fā)射通道抬升接收頻段的底噪會(huì)直接導(dǎo)致接收通道的接收性能變差，故要求任何耦合途徑耦合接收通道的底噪抬升均要小于耦合點(diǎn)自身底噪[6]。

（1）RX6003芯片端口耦合途徑分析。RX6003芯片發(fā)射增益最大時(shí)TX端口底噪≤-150 dBm/Hz，信號(hào)到達(dá)RX6003芯片RX接口的最小功率為-95 dBm，TX和RX之間隔離度實(shí)測(cè)大于60 dB，故發(fā)射通道底噪不會(huì)通過該途徑影響接收通道[7]。

（2）信號(hào)鏈路耦合途徑分析。發(fā)射鏈路在RX6003芯片后包含一級(jí)聲表（或者體表）濾波器、功率放大器和雙工器，發(fā)射底噪進(jìn)入接收通道的鏈路增益為

式中：SRX6003為RX6003芯片發(fā)射端的底噪；ITX-SAW為發(fā)射濾波器對(duì)接收頻段抑制；GPA為功放增益；ITX-RX為雙工器TX通道對(duì)RX頻段的抑制。經(jīng)過計(jì)算，發(fā)射鏈路濾波器和雙工器TX通道對(duì)RX頻段的總抑制需大于70 dB。綜合實(shí)際器件指標(biāo)，選擇發(fā)射濾波對(duì)RX頻段抑制為25 dB，雙工器TX通道對(duì)RX頻段的隔離度大于50 dB[8]。

5.2 發(fā)射通道功率對(duì)接收通道的指標(biāo)設(shè)計(jì)

發(fā)射功率對(duì)接收通道的影響表現(xiàn)為發(fā)射通道對(duì)接收通道形成阻塞，引起接收鏈路中的放大器增益壓縮，進(jìn)而導(dǎo)致接收性能下降?；诖耍笾鸺?jí)分析，鏈路設(shè)計(jì)要保證各級(jí)放大器均工作在線性區(qū)域[9]。

5.2.1 接收鏈路壓縮點(diǎn)瓶頸分析

本設(shè)計(jì)實(shí)例的天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信終端接收鏈路由雙工器、片外低噪放、聲表/體表濾波及RX6003芯片組成。低噪聲放大電路由2級(jí)增益為16 dB的低噪放放大器芯片構(gòu)成，單個(gè)低噪聲放大器的噪聲系數(shù)為0.5，增益壓縮1 dB時(shí)的最大輸出功率P-1為5 dBm，故低噪聲放大器的輸入信號(hào)要小于其輸入P-1，否則會(huì)導(dǎo)致低噪放工作在增益壓縮狀態(tài)。RX6003芯片采用多級(jí)放大及兩級(jí)中頻濾波的電路架構(gòu)，對(duì)于TX頻段信號(hào)可以提供高達(dá)160 dB的抑制能力。

5.2.2 RX6003芯片端口耦合途徑分析

RX6003芯片最大發(fā)射功率為2 dBm，TX和RX之間隔離度大于60 dB，TX信號(hào)通過該路徑耦合至RX6003芯片RX鏈路功率為-58 dBm，遠(yuǎn)小于RX6003接收鏈路在該頻段的輸入P-1指標(biāo)-38 dBm。

5.2.3 信號(hào)鏈路耦合途徑分析

信號(hào)經(jīng)雙工器接收端、低噪聲放大器、一級(jí)聲表濾波器或體表濾波器進(jìn)入RX6003芯片接收通道，發(fā)射信號(hào)經(jīng)雙工器ANT端泄露至接收通道。接收通道需保證每級(jí)放大管均工作在線性區(qū)域。

對(duì)于低噪放，存在

對(duì)于RX6003芯片輸入端，存在

式中：SIN為低噪放輸入端需承受的功率，SIN≤-25 dBm；SRX為RX6003芯片接收端口需承受的功率，SRX≤-25 dBm；IRX-SAW為接收濾波器對(duì)發(fā)射頻段抑制；PAout為收發(fā)機(jī)的發(fā)射功率；GLAN為前級(jí)低噪放的增益；IRX-TX為雙工器RX通道對(duì)TX頻段的抑制[10]。雙工器RX通道對(duì)TX頻段和RX通道濾波器的抑制不低于108 dBc，實(shí)際選型為雙工器和2級(jí)聲表濾波器，其中雙工器RX通道對(duì)TX頻段抑制55 dB，單個(gè)濾波器對(duì)TX頻段的抑制大于35 dB。

6 結(jié) 論

本文介紹了衛(wèi)星移動(dòng)通信的特點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r，分析了衛(wèi)星移動(dòng)通信終端收發(fā)隔離與發(fā)射通道發(fā)射功率、收發(fā)通道濾波器配置、收發(fā)鏈路增益設(shè)定等參數(shù)高度關(guān)聯(lián)，總結(jié)了自主衛(wèi)星移動(dòng)通信天通一號(hào)通信地面終端收發(fā)隔離設(shè)計(jì)的原理模式。從底噪抬升和功率阻塞等方面詳細(xì)分析衛(wèi)星移動(dòng)通信終端收發(fā)隔離指標(biāo)要求，通過實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)例驗(yàn)證原理分析，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)和器件選型。