韩帅等
摘 要： 设计和开发了卫星通信用单路增益可调中频单元。阐述了系统设计需求和整体结构，详细介绍了程序控制衰减模块、6 dB增益放大器、工作状态监测电路和逻辑控制电路等主要硬件组成部分的工作原理和实现方法。该设计解决了现有中频单元工作模式影响通信业务质量的问题，降低了内部干扰的风险，提高了任务保障能力。测试结果表明符合设计要求。
关键词： 卫星通信； 频分多址； 中频单元； 单路衰减可调
中图分类号： TN927+.2?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）21?0083?03
Design and realization for intermediate frequency unit of single?channel adjustable attenuation applied to satellite communication
HAN Shuai， MENG Xiaoxin， CAO Yong， ZHANG Weijie
（Luoyang Electronic Equipment Test Center of China， Luoyang 471000， China）
Abstract： An intermediate frequency （IF） unit of single?channel adjustable attenuation applied to satellite communication was designed and developed. The design requirements and integral structure of the system are described， and the working principle and realization method of the main hardware components （program controlled attenuation module， 6 dB gain amplifier， working condition monitoring circuit and logic control circuit） are introduced in detail. This design solved the problem that the working mode of current IF unit influences on the communication service quality， reduced the risk of internal interference， and improved the guarantee capability of the task. The test results indicate that the system is comply with the design requirements.
Keywords： satellite communication； FDMA； IF unit； single?channel adjustable attenuation
0 引 言
在卫星通信系统中，所有终端设备发送的中频载波信号都要通过中频单元调整好电平后合成为一路，以送到射频设备进一步处理；而下行中频信号也必须通过中频单元分成多路，再分别送到各个终端设备。显然，中频单元是系统的中频信号处理枢纽，其性能对整个系统的工作质量及可靠性都有着重要影响[1]。
对于采用FDMA寻址方式的卫星通信系统[2]，目前大量使用的中频单元方案主要存在两方面的缺陷：一是使用分合路器代替中频单元，这种解决方案常会造成设备间连接的电缆较多，增加了系统的不可靠性；二是群路衰减可调式中频单元的电平调整方式不能满足要求。采用FDMA寻址方式的卫星通信网，为减少交调失真及大信号对小信号的抑制，要求载波等幅度，而有些调制器的电平调节范围有限，无法在进入中频单元之前调整到要求的电平，群路衰减中频单元又不能对单路中频载波电平进行调整，致使该载波对其他载波产生干扰，影响了卫星通信业务的质量。
为解决以上问题，提高中频单元性能，完善功能，满足任务要求，有必要设计并开发一种卫星通信用单路衰减可调的中频单元。
1 设计需求
（1） 载波电平调整方式为单路衰减可调，可调范围为0～15 dB，步进制为0.5 dB。
（2） 根据需要选择中频输入/输出端口数量。为方便用户，采用模块化设计，可以根据实际需求增加或减少输入/输出端口的模块，增强系统扩展性和灵活性。
（3） 具备自动监测功能。要能够监视各部分电路的工作状态和各路输入/输出衰气减量的变化，发现异常情况及时发出告警，报告发生故障的部位，以便缩短故障停机时间。
2 系统整体架构
图1为系统结构图，为提高设备的灵活性和性能，采用8031微处理器[3]控制各部分电路实现所需功能。上行中频信号经单路可调衰减模块调整后通过合路器合并后送至中频发送接口，而下行中频信号正好相反。每个程序控制衰减模块有8个输入或输出端口，每个机箱发送和接收部分最多各装2个模块，共16对输入/输出端口。超过16对端口时，要将程序控制衰减模块安装在另一个机箱中，中频信号通过发送扩展端口Tx和接收扩展端口Rx连接，由主中频单元通过扩展总线对该模块进行控制。
由于级联的中频单元相对主中频单元多一级4分合路器，增加了6 dB的衰减，所以需要一个6 dB的中频放大器，这样，就保证了从扩展接口接入的中频信号与直接输入的中频信号有相同的传输增益，当中频信号传输距离较远时，该中频放大器可以补偿部分传输损耗。
遥控接口可以实现远端计算机遥控或网络控制。液晶显示可以用菜单显示每一路输入或输出的配置参数，定量显示衰减量以及中频单元的当前状态等。
3 电路实现
3.1 程序控制衰减模块
程序控制衰减模块是决定中频单元性能的关键部分。它的工作过程是：微处理器通过控制总线将控制信息传送给相应的信号变换电路，变换成相应的电流信号，控制可变衰减器达到要求的衰减量。
3.1.1 可变衰减器
可变衰减器一般由T型网络[4]构成。利用PIN管作为可变电阻器，具有工作频率高、控制能力强的优点，由PIN二极管组成的T型衰减器如图2（a）所示，在这里PIN二极管D1和D2是变阻元件，与[R2]和[R3]共同构成一个T型电路。PIN二极管的等效电阻取决于控制电流[I0，]当电流[I0]增加时，二极管的内阻减小，T型网络的传输系数增高，衰减减小。只要保证电流[I0]稳定，网络的衰减量就是固定的。这里使用两个二极管串联作为变阻器件，是为了减少PIN管结电容对T型网络的传输特性产生影响。经过简化的工作原理如图2（b）所示，实际上就是串联电阻分压网络。输入/输出关系为：
图2 串联二极管T型衰减器
3.1.2 信号变换
信号转换电路将来自CPU的数字控制信号转换成驱动可变衰减器的电流信号，主要由锁存器、D/A转换器和电压/电流变换电路组成。锁存器用来存储CPU送来的衰减量信息；D/A转换器用于将数字衰减量信息转换成相应的模拟电压信号，可选用8位D/A转换器件[6]DAC0832，对于0～15 dB的衰减范围，分辨率约为0.06 dB，能够满足精度要求；电压/电流变换电路将电压信号变换成控制可变衰减器的电流信号，基本原理如图3所示。图3中，[R2]为反馈电阻，[R3]为电流采样电阻，输出电压[uo]为：
3.2 6 dB增益放大器
从扩展接口级联的中频单元相对主中频单元多一级4分合路器，增加了6 dB的衰减，所以要增加一个6 dB的中频放大器来补偿这一衰减。当中频单元与上下变频器距离较远时，使用该放大器可以补偿部分传输损耗。但是，使用放大器就要考虑三阶交调、相位噪声、带宽、幅频特性等指标。
选用MWA系列薄膜集成宽频带放大器[8]0311，单级增益可达14 dB，在100 MHz内有平坦的频率特性，可达±1 dB，输入/输出阻抗为50 Ω，输出功率为8.2 dBm。电路如图4所示。
3.3 自动监测工作状态
设备自动监测工作状态是提高设备工作可靠性的重要手段之一。监测的内容包括存储器的状态、电源电压、衰减量等模拟量和输入/输出控制的开关状态，随时采集汇报所监视的参数的变化，并与存储的值作比较，判断工作状态是否正常。
模拟量的监测原理如图5所示。电平转换电路将数据采集点的模拟电压信号转换成适当的电压，经模拟多路开关选择并缓冲放大后，由A/D转换器转换成8位数字信号，传给CPU进行处理。
3.4 逻辑控制电路
逻辑控制电路选用8031单片机作为微处理器，控制各模块协调工作。
控制电路设计成总线结构，微处理器通过总线控制程序控制衰减模块的工作。该总线包括控制总线、数据总线和地址总线。因为各种数据信号都是8位的，所以数据总线只需8位。鉴于卫星通信的特点，一个中频单元只须控制同一个卫星的一个转发器的相应中频信号，这样，中频单元只要具备128路中频信号的控制能力即可满足要求，所以采用6位地址总线即可满足要求。
中频单元要对程序控制衰减模块的配置参数进行管理，且在意外停电等情况时保证这些不会丢失，这些参数保存在非易失性存储器中。为了简化程序设计，采用闪烁存储器。闪烁存储器的存取速度快，与RAM相当，擦/写次数可达百万次，保持时间长，能提高设备性能，延长使用寿命。
LCD显示器采用字符数16×2，自扫描，带背光的点阵字符式液晶显示模块[9]LCD?016M002D。这种液晶显示模块性能好，外形美观，同时，它内含存储器和字符点阵库，只需将要显示的字符代码写入显示存储器即可，这不仅简化了电路，也降低了软件编写的难度。
电源可以采用开关电源模块，体积小、效率高，对散热要求较低，市场上货源充足，价格也不高。为了提高系统可靠性，可采用双电源供电方式，以便缩短故障停机时间。
4 结 语
单路衰减可调中频单元改善了FDMA寻址方式卫星通信系统中频信号电平调整的便利性，减小了内部干扰的风险，提高了卫星通信站的任务保障能力。该硬件单元研制成功后，进行了为期一年的运行测试，测试结果表明，该单元性能稳定，能够满足设计需求，具有较高的实际应用价值，可以在同类产品设计和开发中推广借鉴。
参考文献
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