王國(guó)東，馮 偉，郝占炯，高 磊，張 潔

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

0 引 言

2008年4月至2016年11月，我國(guó)陸續(xù)成功發(fā)射了天鏈一號(hào)01星、02星、03星以及04星，其中01星、02星和03星三星組網(wǎng)，使我國(guó)成了成為世界上第二個(gè)擁有準(zhǔn)全球覆蓋能力地球靜止軌道（Geosynchronous Orbit，GEO）中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國(guó)家[1]。04星的成功發(fā)射，大大提升了中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。為了適應(yīng)新形勢(shì)下對(duì)中繼衛(wèi)星更長(zhǎng)的使用壽命、更高的傳輸速率、更多的服務(wù)目標(biāo)以及更廣的覆蓋范圍的需求，2019年3月31日，我國(guó)成功發(fā)射了天鏈二號(hào)01星，它是我國(guó)第二代地球同步軌道數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的首顆星。

二代中繼衛(wèi)星采用了相控陣天線的設(shè)計(jì)，具備了執(zhí)行多址任務(wù)的功能。本文提出了一種通用化S波段多址（S-Band Multiple Address，SMA）測(cè)控終端的設(shè)計(jì)，可用于中低軌道的用戶星與二代中繼衛(wèi)星的測(cè)控。

1 概 述

通用化SMA測(cè)控終端基于二代中繼系統(tǒng)（China Tracking and Date Relay Satellite System，CTDRSS）的測(cè)控體制，由中頻處理模塊、射頻收發(fā)模塊、功放模塊、雙工器、以及二次電源模塊組成共同組成，如圖1所示。通用化SMA測(cè)控終端主要功能有：（1）前向鏈路中，中繼星向用戶星發(fā)送經(jīng)偽碼調(diào)制的遙控信號(hào)，天線接收前向信號(hào)，經(jīng)雙工器，傳輸至射頻收發(fā)模塊下變頻后，由中頻處理模塊解調(diào)、解擴(kuò)、解卷積，輸出遙控PCM數(shù)據(jù)送至衛(wèi)星的管理控制單元；（2）返向鏈路中，中頻處理模塊接收來(lái)自管理控制單元的遙測(cè)PCM信號(hào)，進(jìn)行卷積編碼、擴(kuò)頻調(diào)制，再經(jīng)射頻收發(fā)模塊BPSK調(diào)制、上變頻后，由功放模塊進(jìn)行放大、雙工器濾波后通過(guò)天線向中繼星發(fā)送。

圖1 通用化SMA測(cè)控終端的組成框圖

本文著重介紹了基于二代中繼系統(tǒng)的測(cè)控體制及指標(biāo)要求，分析了無(wú)線鏈路的計(jì)算方法，闡述了通用化SMA測(cè)控終端的設(shè)計(jì)方案以及關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)際使用終端時(shí)，用戶星的軌道高度不同，會(huì)導(dǎo)致終端對(duì)中繼接收G/T值及對(duì)中繼發(fā)射有效全向輻射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP）值發(fā)生變化，需配置終端中各模塊的指標(biāo)以滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景。

2 終端的主要設(shè)計(jì)要求

通用化SMA測(cè)控終端，集接收、發(fā)射功能于一體，運(yùn)用無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)用戶星與二代中繼星間的遙控、遙測(cè)通信鏈路的建立、保持的測(cè)控功能。表1為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表1 終端的主要技術(shù)指標(biāo)

3 無(wú)線鏈路分析

用戶星所應(yīng)用的軌道不一致，因此在方案設(shè)計(jì)階段就應(yīng)計(jì)算出接收及發(fā)射通道的鏈路余量，從而保證終端的設(shè)計(jì)滿足實(shí)際使用的需求。

3.1 中繼接收通道的G/T值計(jì)算

衛(wèi)星接收系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)G/T（dB/K）按式（1）計(jì)算[3]：

其中，Gr為終端的天線接收增益（dB），Lr為接收饋線損耗（dB），是接收天線輸出到射頻收發(fā)模塊接收入口之間的兩根射頻電纜的插損和，Te為射頻收發(fā)模塊接收入口的等效噪聲溫度（dBK），按式（2）計(jì)算：

其中，TaR、TLR、TNR分別為天線接收噪聲、饋線損耗、接收機(jī)噪聲系數(shù)在射頻收發(fā)模塊接收入口的等效噪聲溫度值（K），Ta為天線接收入口噪聲溫度值（K），Tc為饋線環(huán)境溫度值（K），Nf為射頻收發(fā)模塊的接收機(jī)噪聲系數(shù)（dB）。

由式（1）、式（2）可知，當(dāng)接收通道的G/T值余量不足時(shí)，可以通過(guò)改善如下技術(shù)指標(biāo)：增大天線接收增益，降低射頻電纜插損以及降低射頻收發(fā)模塊的接收噪聲系數(shù)。

3.2 中繼發(fā)射通道

衛(wèi)星發(fā)射等效全向輻射功率EIRP（dBW）按公式（3）計(jì)算[2]：

其中，Pt為功放的輸出功率（dBW），Ltn為發(fā)射天線的網(wǎng)絡(luò)損耗（dB），具體為功放模塊輸出到天線的射頻電纜的插損，以及雙工器發(fā)射的插損的累加值，Gt為天線發(fā)射增益（dB）。

由式（3）可知，當(dāng)發(fā)射通道的EIRP值余量不足時(shí)，可以通過(guò)改善如下技術(shù)指標(biāo)：增大功放模塊發(fā)射功率，降低射頻電纜和雙工器的插損以及增加天線的發(fā)射增益。

4 終端的方案設(shè)計(jì)

4.1 中頻處理模塊的設(shè)計(jì)

中頻處理模塊的主要功能包括AD轉(zhuǎn)換、DA轉(zhuǎn)換、監(jiān)控刷新、快速捕獲以及通道信號(hào)處理等功能，具體設(shè)計(jì)如圖2所示。SRAM型現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣 列（Field－ Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）實(shí)現(xiàn)前向信號(hào)的解調(diào)解擴(kuò)、解卷積，返向信號(hào)的卷積編碼、擴(kuò)頻調(diào)制的功能。反熔絲FPGA從外置PROM讀取配置信息，寫入到SRAM型FPGA內(nèi)部配置存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)SRAM型FPGA的實(shí)時(shí)刷新，從而糾正SRAM型FPGA內(nèi)部發(fā)生的單粒子翻轉(zhuǎn)，是SRAM型FPGA抗單粒子翻轉(zhuǎn)的有效措施[4]。

圖2 中頻處理模塊原理框圖

SRAM型FPGA的主要算法功能包括：（1）接收經(jīng)過(guò)A/D采樣的中頻數(shù)字信號(hào)，完成對(duì)前向遙控通道的信號(hào)捕獲；在實(shí)現(xiàn)捕獲的基礎(chǔ)上，計(jì)算信號(hào)的信噪比，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)前向信號(hào)的跟蹤鎖定狀態(tài)；（2）對(duì)前向遙控信號(hào)進(jìn)行載波跟蹤與鎖定、偽碼跟蹤與鎖定、載波剝離、碼剝離、數(shù)據(jù)位跟蹤和鎖定。載波環(huán)、碼環(huán)、位同步環(huán)同時(shí)工作，提取數(shù)據(jù)位同步脈沖，完成數(shù)據(jù)解調(diào)，輸出解調(diào)數(shù)據(jù)、遙控偽隨機(jī)（Pseudo-Noise，PN）碼鎖定指示；（3）接收遙測(cè)信號(hào)，卷積編碼后進(jìn)行偽碼調(diào)制并輸出。算法模塊包含了快捕模塊、通道信號(hào)處理模塊、主控模塊、卷積編譯碼模塊及時(shí)鐘時(shí)序產(chǎn)生模塊等，模塊劃分如圖3所示。

圖3 SRAM型FPGA算法模塊劃分

本模塊采用快捕方式實(shí)現(xiàn)偽碼和載波的捕獲。與其它捕獲方法相比，該方法有更短的平均捕獲時(shí)間，適合在對(duì)捕獲時(shí)間要求比較嚴(yán)格的環(huán)境下使用[5]。對(duì)遙控通道，需要在所有頻點(diǎn)上進(jìn)行信號(hào)搜索及檢測(cè)，判斷是否有信號(hào)存在。若沒(méi)有信號(hào)存在，則頻率步進(jìn)，重新進(jìn)行檢測(cè)；若檢測(cè)出有信號(hào)存在，就把捕獲的碼相位預(yù)測(cè)值、多普勒頻率預(yù)測(cè)值和捕獲狀態(tài)置入對(duì)應(yīng)的通道處理電路。遙控信號(hào)的快捕過(guò)程需要考慮到遙控信號(hào)數(shù)據(jù)率較高并且與偽碼速率不相關(guān)?？觳峨娐吩趯?shí)現(xiàn)捕獲的基礎(chǔ)上，還將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通道處理電路的頻率跟蹤鎖定狀態(tài)。若發(fā)現(xiàn)某一跟蹤通道未實(shí)現(xiàn)頻率鎖定，則讀取相應(yīng)跟蹤通道的頻率預(yù)測(cè)值重新進(jìn)行頻率搜索。

通道信號(hào)處理模塊完成一路遙控信號(hào)通道處理，其主要功能包括：對(duì)遙控信號(hào)進(jìn)行載波剝離、碼剝離、載波跟蹤與鎖定、偽碼跟蹤與鎖定、數(shù)據(jù)位跟蹤和鎖定，載波環(huán)、碼環(huán)、位同步環(huán)同時(shí)工作；提取數(shù)據(jù)位同步脈沖，完成數(shù)據(jù)解調(diào)，并將解調(diào)數(shù)據(jù)連同位同步脈沖、遙控PN碼鎖定指示一起傳給管理控制單元。

主控模塊接收星上輸入的遙測(cè)信息，擴(kuò)頻后輸出給發(fā)射機(jī)。同時(shí)，主控電路以基準(zhǔn)時(shí)鐘為參考，產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘提供給快捕模塊和通道信號(hào)處理模塊。

卷積編譯碼模塊對(duì)擴(kuò)頻前后的信息流分別進(jìn)行編碼譯碼。卷積碼是20實(shí)際50年代提出的一種非分組碼[6]，本文設(shè)計(jì)中采用的（2，1，7）卷積編碼方式廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信，具有較好的編碼增益，能夠使終端前向通道誤碼率滿足低于10-6指標(biāo)。（2，1，7）的標(biāo)準(zhǔn)卷積編碼具體參數(shù)為：

連接向量：G1=1111001；

G2=1011011；

符號(hào)翻轉(zhuǎn)：G2輸出路徑。

圖4 基本卷積編碼的編碼過(guò)程

4.2 射頻收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)

射頻收發(fā)模塊采用了射頻系統(tǒng)級(jí)封裝（System In a Package，SIP）集成化設(shè)計(jì)技術(shù)，提高了模塊化、集成化設(shè)計(jì)的效果，達(dá)到減重設(shè)計(jì)的目的。射頻收發(fā)模塊采用一次變頻方案，射頻接收支路采用超外差變頻設(shè)計(jì)，由低噪聲放大器、濾波器、S波段下變頻器、中頻濾波器和中頻自動(dòng)增益控制（Automatic Gain Control，AGC）放大器等標(biāo)準(zhǔn)的集成電路模塊組成。射頻發(fā)射支路由發(fā)射調(diào)整模塊、濾波器和功放模塊等標(biāo)準(zhǔn)的集成電路模塊組成。本振參考信號(hào)f0由中頻處理模塊產(chǎn)生，鎖相頻率合成器對(duì)本振參考信號(hào)進(jìn)行倍頻，產(chǎn)生接收支路和發(fā)射支路的本振頻率。射頻收發(fā)模塊的頻率流程圖如圖5所示。

圖5 射頻收發(fā)模塊頻率流程

4.3 功放模塊的設(shè)計(jì)

功放模塊負(fù)責(zé)對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行放大，并抑制帶外雜波。其主要是由功放鏈路、控制與檢測(cè)電路、電源轉(zhuǎn)換電路組成，詳見(jiàn)圖6。功放模塊的輸入為，功率-5～+2 dBm的微波信號(hào)，通過(guò)微波放大鏈路放大，最后經(jīng)隔離器輸出。除驅(qū)動(dòng)級(jí)和末級(jí)功放管外，其余放大電路均工作在線性區(qū)，保證信號(hào)有良好的線性度，驅(qū)動(dòng)級(jí)和末級(jí)功放管工作在AB類，保證信號(hào)在有較好線性度情況下，功放管具有較高的轉(zhuǎn)換效率。為適應(yīng)輸入功率的變化，加入有電調(diào)衰減器和驅(qū)動(dòng)放大組成的自動(dòng)增益控制電路，使輸入功率在7 dB的變換范圍內(nèi)輸出功率穩(wěn)定的微波信號(hào)。輸出端接隔離器提高功放抗失配能力，有效保護(hù)功放器件。耦合檢波電路將耦合所得信號(hào)線性檢波為直流電平，經(jīng)運(yùn)放驅(qū)動(dòng)放大后為整機(jī)提供實(shí)時(shí)輸出功率檢測(cè)。

圖6 功放模塊原理框圖

4.4 雙工器的設(shè)計(jì)

雙工器作用是幫助完成天線的收發(fā)共用功能，并對(duì)功放模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波，其原理框圖如圖7所示。天線端收發(fā)信號(hào)混合在一路信號(hào)中，需由雙工器中的接收通道，從中濾除發(fā)射信號(hào)，取出接收信號(hào)。雙工器中的發(fā)射通道抑制發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的無(wú)用帶外信號(hào)，滿足整星電磁兼容設(shè)計(jì)要求。

圖7 雙工器原理框圖

4.5 二次電源模塊的設(shè)計(jì)

二次電源模塊，為中頻處理模塊、射頻收發(fā)模塊、功放模塊供電，由保險(xiǎn)絲、EMI濾波器、繼電器開(kāi)關(guān)和DC/DC轉(zhuǎn)換模塊組成，如8所示，電源模塊主要完成電源濾波、電壓轉(zhuǎn)換和終端開(kāi)關(guān)指令執(zhí)行等功能。

為防止二次電源短路導(dǎo)致?lián)p毀整星電源，供電端添加電源保護(hù)電路，如圖9所示。電源輸入端采用雙熔斷器，兩個(gè)具有相同額定電流的熔斷器F1和F2并聯(lián)使用，其中在F1支路上串接限流電阻R，從而使F2支路具有較大抗電沖擊能力，當(dāng)負(fù)載發(fā)生瞬間過(guò)流時(shí)，F(xiàn)2首先熔斷，而F1可繼續(xù)維持通路。根據(jù)建造規(guī)范要求，容性負(fù)載每只熔斷器選取為額定工作電流的5～7倍；感性及阻性負(fù)載每只熔斷器選取為額定工作電流的3～5倍。

圖8 二次電源模塊的組成圖

圖9 電源保護(hù)電路原理圖

5 測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)果

通用化SMA測(cè)控終端的測(cè)試設(shè)備連接框圖如圖10所示，包括了PC機(jī)、終端專用測(cè)試臺(tái)、綜合擴(kuò)頻測(cè)試儀、環(huán)形器和衰減器等。PC機(jī)通過(guò)USB接口連接專用測(cè)試臺(tái)，顯示終端的遙測(cè)信息，并控制專用測(cè)試臺(tái)指令的發(fā)送。專用測(cè)試測(cè)試臺(tái)采集終端的接收遙控信息，向終端發(fā)送遙控指令并給終端供電。綜合擴(kuò)頻測(cè)試儀產(chǎn)生上行信號(hào)并接收終端的下行信號(hào)，具有多普勒模擬、抗干擾測(cè)試和誤碼率測(cè)試等功能。

圖10 通用化SMA測(cè)控終端測(cè)試框圖

圖11為抗多址干擾的測(cè)試圖，“遙控”通道為終端的前向通道的有效信號(hào)，“上行”通道為前向通道的干擾信號(hào)，當(dāng)干擾信號(hào)功率比有效信號(hào)大16 dB時(shí)，通用化SMA測(cè)控終端的前向通道鎖定正常，并且512×8×351=1 437 696 bit無(wú)誤碼，滿足指標(biāo)誤碼率小于10-6的要求。圖12為返向信道誤碼率測(cè)試圖，并且208 896 bit無(wú)誤碼，滿足指標(biāo)誤碼率小于10-5的要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的通用化SMA測(cè)控終端符合對(duì)二代中繼系統(tǒng)的測(cè)控體制，針對(duì)用戶星的應(yīng)用場(chǎng)景，可配置功放模塊、雙工器的指標(biāo)滿足具體需求，具有集成化、通用化、開(kāi)發(fā)效率高的優(yōu)點(diǎn)。擴(kuò)頻調(diào)制結(jié)合卷積碼的信道編碼，可靠性好、抗擾性強(qiáng)，測(cè)控鏈路余量也得到了滿足。通用化SMA測(cè)控終端的實(shí)測(cè)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，可服務(wù)于當(dāng)前對(duì)二代中繼衛(wèi)星的測(cè)控任務(wù)。

圖11 前向抗干擾測(cè)試結(jié)果

圖12 返向誤碼率測(cè)試結(jié)果