星載擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)的微納化設(shè)計(jì)研究

秦奮　吳濤　羅列峰

摘 要 隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，單一芯片能夠集成復(fù)雜的系統(tǒng)功能，使得宇航通信產(chǎn)品具備了微納化研制基礎(chǔ)。本文著重介紹了星載擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)的微納化設(shè)計(jì)，以射頻芯片和基帶芯片為核心，通過芯片化的硬件平臺和參數(shù)化的軟件算法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案，最后探討了實(shí)現(xiàn)中需要解決的技術(shù)問題。

【關(guān)鍵詞】微納化 擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)

1 概述

近年來，超大規(guī)模集成電路技術(shù)取得了長足進(jìn)步，使得軟件無線電朝著更深層次方向發(fā)展。傳統(tǒng)的通信產(chǎn)品設(shè)計(jì)，采用分離式模塊設(shè)計(jì)電路，具有調(diào)試復(fù)雜和設(shè)計(jì)靈活度差等缺點(diǎn)。集成電路技術(shù)的發(fā)展，使得單一芯片可以集成越來越復(fù)雜的系統(tǒng)功能，能夠真正實(shí)現(xiàn)軟件無線電技術(shù)的構(gòu)想，即在開放式、通用的無線通信硬件平臺上，通過設(shè)計(jì)靈活的軟件來完成不同的通信功能，滿足不同的業(yè)務(wù)需求。

在宇航測控通信系統(tǒng)中，星載擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)是一種集合射頻接收、射頻發(fā)射、基帶處理的重要星上通信設(shè)備，完成測控信號上行接收和下行發(fā)射的通信業(yè)務(wù)功能。近年來，星上設(shè)備微納化設(shè)計(jì)，是一個(gè)重要的研究方向，如國外NASA等科研機(jī)構(gòu)，采用芯片技術(shù)，完成了多款應(yīng)答機(jī)的微納化設(shè)計(jì)并投入工程應(yīng)用中。隨著集成電路和軟件無線電的不斷深化，本文詳細(xì)闡述了星載擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)的微納化設(shè)計(jì)方案，研究了通用化的關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)，在今后宇航應(yīng)答機(jī)微納化研制方面具有一定的工程指導(dǎo)意義。

2 應(yīng)答機(jī)微納化設(shè)計(jì)方案

在我國航天測控系統(tǒng)中，傳統(tǒng)星載擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)，依據(jù)通信功能，劃分為四個(gè)部套，包括有接收機(jī)部套、發(fā)射機(jī)部套、中頻部套和電源部套。接收機(jī)，對上行射頻信號完成頻綜、下變頻，頻率濾波等射頻處理，向中頻部套發(fā)送中頻模擬信號；發(fā)射機(jī)，接收中頻部套提供的下行基帶信號，完成頻綜、上變頻、頻率濾波等射頻處理；中頻部套，對輸入的中頻模擬信號進(jìn)行AD采樣、基帶軟件處理，完成捕獲、跟蹤過程，同時(shí)進(jìn)行DA變換產(chǎn)生下行基帶信號；電源部套，為各個(gè)部套提供所需工作電壓。

微納化的應(yīng)答機(jī)設(shè)計(jì)，圍繞射頻芯片和基帶芯片來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能，即通過一款射頻芯片來完成以往接收機(jī)、發(fā)射機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)的功能，通過一款基帶芯片來完成以往中頻模塊實(shí)現(xiàn)的功能。

微納化的應(yīng)答機(jī)設(shè)計(jì)，是針對國內(nèi)S頻段測控通信的應(yīng)用，設(shè)計(jì)開發(fā)自主的國產(chǎn)測控射頻芯片和測控基帶芯片，利用射頻、基帶兩款芯片實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化、輕量化、通用化、芯片化并可工程化研制的宇航擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)產(chǎn)品。設(shè)計(jì)方案，是利用軟件無線電技術(shù)，設(shè)計(jì)統(tǒng)一硬件平臺，完成射頻芯片、基帶芯片在整機(jī)上的應(yīng)用，包括：

（1）射頻芯片化技術(shù)：通過國產(chǎn)、抗輻的射頻芯片實(shí)現(xiàn)，芯片內(nèi)集成了高速AD、DA模塊，配以參數(shù)配置，完成收發(fā)同時(shí)工作、頻率合成，收/發(fā)通道變頻，諧雜波抑制等功能。

（2）基帶芯片化技術(shù)：通過國產(chǎn)、抗輻的基帶芯片集成實(shí)現(xiàn)，配以參數(shù)配置，完成基帶擴(kuò)頻信號處理算法功能。

以高度集成的基帶芯片和射頻芯片，實(shí)現(xiàn)芯片級的軟件無線電設(shè)計(jì)平臺，產(chǎn)品由外圍濾波器、巴倫、接口芯片、晶振等少量元器件組成，取代了以往采用射頻分離模塊、AD單芯片、DA單芯片，基帶處理FPGA的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，芯片化擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)架構(gòu)圖如圖1所示。

設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)最大程度的小型化、集成化，采用“單層結(jié)構(gòu)+整機(jī)開發(fā)”模式，具體是指：整機(jī)只有一層結(jié)構(gòu)殼體空間，將射頻接收、射頻發(fā)射、基帶處理、二次電源設(shè)計(jì)在一塊印制板上，實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙工、接收變頻、高速AD轉(zhuǎn)換、發(fā)射調(diào)制、高速DA轉(zhuǎn)換、頻綜鎖相、測控基帶處理、對外接口、二次電源功能。

3 工作過程與關(guān)鍵參數(shù)

應(yīng)答機(jī)工作過程，分為接收處理，基帶處理和發(fā)射處理三部分，以芯片為核心實(shí)現(xiàn)主體功能，外圍配套不多的射頻模塊，配置存儲器、接口電路等元器件。

接收處理時(shí)，上行信號經(jīng)過片外低噪放、濾波器的處理后，通過巴倫轉(zhuǎn)為差分信號輸入至射頻接收芯片。接收頻綜單元，提供一路頻點(diǎn)可變的本振信號。射頻接收芯片內(nèi)部，上行信號經(jīng)過超外差式一次變頻，產(chǎn)生中頻模擬信號，該信號經(jīng)芯片內(nèi)多相濾波、片外中頻濾波、片內(nèi)可調(diào)增益放大、片外中頻濾波、片內(nèi)放大，輸出至片內(nèi)集成的高速AD采樣器，向基帶芯片提供中頻數(shù)字信號。

中頻處理時(shí)，基帶芯片通過片外配置PROM存儲器，按照實(shí)際工作場景加載工作參數(shù)，滿足擴(kuò)頻碼率、基帶速率可變的要求。對接收的中頻數(shù)字信號，進(jìn)行上行測控多通道、高動態(tài)、弱信號的捕獲、跟蹤處理處理，完成遙控基帶解調(diào)和上行測距處理；完成下行遙測通道和測距通道的擴(kuò)頻調(diào)制，將擴(kuò)頻調(diào)制信號提供發(fā)射機(jī)。

發(fā)射處理時(shí)，射頻發(fā)射芯片接收下行擴(kuò)頻調(diào)制信號，經(jīng)過高速DA轉(zhuǎn)換器，形成中頻載波頻率可調(diào)的中頻調(diào)制信號。中頻調(diào)制信號，經(jīng)過中頻放大、片外濾波、片內(nèi)多相濾波和超外差式一次變頻調(diào)制到S頻段的工作頻點(diǎn)，輸出下行射頻信號。

此外，基于芯片的微納化擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)方案，由于采用一次變頻，集成高性能AD轉(zhuǎn)換器和DA轉(zhuǎn)換器，因此在硬件上支持軟件無線電的可參數(shù)化配置的特性，能夠在芯片中，針對目前和未來的應(yīng)用要求，將關(guān)鍵參數(shù)按照通用化、可配置的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體參數(shù)如表1所示。

進(jìn)一步的，基帶芯片的通用化設(shè)計(jì)，需考慮我國測控通信領(lǐng)域多頻段的兼容，中頻處理滿足C、X、Ka頻段的測控要求；射頻芯片的通用化設(shè)計(jì)，需考慮我國測控通信S頻段的其他應(yīng)用，如載人航天S頻段測控、天基S頻段測控等。

4 頻率流程設(shè)計(jì)

考慮工程產(chǎn)品化的應(yīng)答機(jī)方案設(shè)計(jì)，還需要考慮在天基、地基、天地一體的應(yīng)用中工作頻點(diǎn)常有變化的實(shí)際情況，因此產(chǎn)品頻率設(shè)計(jì)需統(tǒng)一考慮信號帶寬、中頻處理頻率、接收本振頻率、發(fā)射本振頻率進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，考慮工作頻點(diǎn)變化時(shí)的方案兼容。

頻率設(shè)計(jì)中，射頻接收芯片設(shè)計(jì)有兩個(gè)鎖相環(huán)模塊，分別產(chǎn)生接收本振和AD采樣時(shí)鐘，并向基帶芯片提供一路采樣時(shí)鐘信號作為工作時(shí)鐘；射頻發(fā)射芯片，設(shè)計(jì)兩個(gè)鎖相環(huán)模塊，分別產(chǎn)生發(fā)射本振和DA轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，頻率設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。片外高穩(wěn)恒溫晶振，分別向接收、發(fā)射通道提供同源基準(zhǔn)，保證收發(fā)頻率相參。針對工作頻點(diǎn)變化的應(yīng)用，射頻收發(fā)芯片的本振頻率，通過配置接口加以改變和實(shí)現(xiàn)。射頻芯片和基帶芯片，在片外時(shí)鐘、本振頻率、AD采樣時(shí)鐘、DA轉(zhuǎn)換時(shí)鐘具有參數(shù)化、可配置特點(diǎn)。

5 結(jié)束語

星載擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)的微納化設(shè)計(jì)研究，代表著我國宇航產(chǎn)品在微納化方向的技術(shù)探索，未來將迎來廣闊的應(yīng)用空間，同時(shí)也面臨需要解決的關(guān)鍵問題。首先，國內(nèi)芯片設(shè)計(jì)公司和相關(guān)科研院所，研制宇航級射頻芯片和基帶芯片的經(jīng)歷基本處于空白，在宇航芯片設(shè)計(jì)和工藝要求上需進(jìn)一步提高研制能力；其次，我國測控通信技術(shù)經(jīng)過近30年的發(fā)展，出現(xiàn)了統(tǒng)一測控、擴(kuò)頻相干、擴(kuò)頻非相干體制，需要重點(diǎn)研究在芯片化產(chǎn)品方案里多測控模式兼容的技術(shù)實(shí)現(xiàn)問題。

應(yīng)答機(jī)微納化設(shè)計(jì)研究工作，是以滿足目前型號任務(wù)需求為基礎(chǔ)，闡述了產(chǎn)品方案、與關(guān)鍵通用化指標(biāo)，是我國測控應(yīng)答機(jī)微納化發(fā)展的探索，未來必將推動測控技術(shù)朝著通用化、平臺化、微納化的方向發(fā)展。

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作者單位

1.上海航天電子技術(shù)研究所 上海市 201109

2.上海大學(xué) 上海市 200444