基于變頻模塊的70 MHz制式衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)

宇世俊，李 錚，李 堃

（1.北京航天萬達(dá)高科技有限公司，北京 100143；2.北京航天控制儀器研究所，北京 100854）

0 引 言

某行業(yè)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)項(xiàng)目中，地球站的功放和高頻頭分別使用14062 MHz與12312 MHz的本振頻率，和常用的功放13050 MHz及11300 MHz相差1012 MHz[1]。實(shí)際應(yīng)用中，這一調(diào)制解調(diào)器需要在不更換原有設(shè)備的前提下和常用的L波段衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器互通。換言之，該地球站調(diào)制解調(diào)器的收發(fā)頻率需要從L波段下變頻到（70±15）MHz。

針對這一情形，當(dāng)前有兩種常見方式可實(shí)現(xiàn)70 MHz制式調(diào)制解調(diào)器[2]。一種是在現(xiàn)有L波段調(diào)制解調(diào)器設(shè)備的射頻口外接變頻器，實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換[3]。這種方式需要對變頻器進(jìn)行外接安裝，占用空間大，并且由于變頻器輸入輸出接頭通常為F接口，還需要經(jīng)過F-N轉(zhuǎn)換，操作復(fù)雜。另一種方式是對調(diào)制解調(diào)器的硬件電路進(jìn)行改造，將基帶信號直接調(diào)制到（70±15）MHz。這一方式需要一定的時(shí)間和成本來開發(fā)硬件電路，在時(shí)間緊、任務(wù)重的情況下并不能為項(xiàng)目帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益?？紤]到實(shí)際項(xiàng)目數(shù)字化指揮調(diào)度需求和當(dāng)前相關(guān)解決方案，如何在方便操作的同時(shí)使70 MHz制式調(diào)制解調(diào)器與L波段調(diào)制解調(diào)器互聯(lián)互通就成為關(guān)鍵[4]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于變頻模塊的70 MHz制式調(diào)制解調(diào)器，可滿足和常用L波段調(diào)制解調(diào)器互通的需求。此外，該設(shè)計(jì)將變頻模塊集成在衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器內(nèi)部，不需要改變調(diào)制解調(diào)器的N頭接口，避免了外部接線和接口轉(zhuǎn)換，方便操作使用。

1 變頻模塊設(shè)計(jì)

基于變頻模塊的70 MHz制式調(diào)制解調(diào)器將變頻模塊集成在調(diào)制解調(diào)器內(nèi)部，其中變頻模塊主要包括電壓控制振蕩器（Voltage-Controlled Oscillator，VCO）、相位檢測器、電荷泵、小數(shù)分頻鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）、環(huán)路濾波器、混頻器以及外部參考等。小數(shù)合成器使用Σ-Δ調(diào)制器，可提供超精細(xì)的步長和低雜散[5-7]。PLL和VCO與外部環(huán)路濾波器結(jié)合可以產(chǎn)生385～3000 MHz的本振（Local Oscillator，LO）信號。LO信號緩沖后發(fā)送到混頻器，能夠提供相應(yīng)的的上/下變頻范圍?；祛l器偏置電流可編程，通過減少冗余可以滿足低功耗應(yīng)用的要求。器件編程通過3線串行接口實(shí)現(xiàn)，設(shè)備最多可提供6個(gè)通用輸出，用于訪問LOCK信號等內(nèi)部信號或控制前端組件。圖1為變頻模塊的系統(tǒng)示意圖，各變頻模塊主要組成器件的具體功能如下。

圖1 變頻模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 電壓控制振蕩器

VCO核心由3個(gè)VCO器件組成，與集成的LO分頻器一起使用，覆蓋385～3000 MHz的本振頻率。每個(gè)VCO有128個(gè)重疊的頻帶，用于在整個(gè)調(diào)諧頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)低VCO增益和最佳相位噪聲性能。根據(jù)程序設(shè)計(jì)，芯片到PLL1和PLL2寄存器組的數(shù)值會自動選擇正確的VCO（VCO自動選擇）和VCO頻帶（VCO粗調(diào)），以產(chǎn)生所需的LO頻率。

每次ENBL管腳輸入為高電平或者PLL重新鎖定自清除位被編程為高電平時(shí)，都會觸發(fā)VCO自動選擇和VCO粗調(diào)。一旦選擇了正確的VCO和頻帶，PLL會鎖定到正確的頻率。在頻帶選擇過程中，固定電容的元件逐步地連接到VCO諧振電路，直到VCO以正確的頻率振蕩。該頻段選擇的輸出CT_CAL在回讀寄存器中可用，該寄存器中的值CT_CAL為127或0時(shí)，表示粗調(diào)失敗，同時(shí)回讀寄存器中會出現(xiàn)CT_FAILED標(biāo)志。當(dāng)寄存器的值CT_CAL為1～126時(shí)，表示校準(zhǔn)成功，其值的實(shí)際大小取決于所需的頻率以及特定設(shè)備工藝的變化。

頻帶選擇過程將VCO調(diào)諧電壓置于1.0 V左右的中心位置，以補(bǔ)償制造誤差、工藝的變化以及環(huán)境因素的影響。元器件在相同LO頻率下持續(xù)工作的環(huán)境中，建議溫度每變化25 ℃就執(zhí)行一次頻段自動選擇操作。

變頻器具有差分LO輸入，允許混頻器從外部接入LO源。小數(shù)分頻PLL可以與一個(gè)外部VCO一起用于該LO輸入，有助于降低某些實(shí)際應(yīng)用中的相位噪聲。這樣可能需要一個(gè)外部運(yùn)算放大器，具體取決于外部VCO所需的調(diào)諧電壓。

當(dāng)使用26 MHz參考頻率時(shí)，合成器步長通常為1.5 Hz，所有參考和LO頻率的確切步長為：

式中：FRFE為參考頻率；R為參考分頻比；P為預(yù)分頻比；LODIV為LO分頻器值。

將GPO4管腳配置為檢測鎖定針腳，鎖定狀態(tài)可以在回讀寄存器中使用，鎖定檢測功能通過VCO調(diào)諧電壓上的窗口檢測器實(shí)現(xiàn)。PLL鎖定時(shí)，鎖定標(biāo)志顯示高電平，調(diào)諧電壓通常為0.30～1.25 V。

PLL的鎖定時(shí)間取決于諸多不同的因素，包括相位檢測器的參考頻率和環(huán)路帶寬。時(shí)鐘頻率決定了狀態(tài)機(jī)和內(nèi)部校準(zhǔn)的運(yùn)行速度。52 MHz的相位檢測器頻率可以提供更快的鎖定時(shí)間，當(dāng)使用PLL重新鎖定時(shí)，鎖定時(shí)間通常小于50 s。

1.2 相位檢測器

相位檢測器提供輸出電流來驅(qū)動有源環(huán)路濾波器。啟用自動環(huán)路帶寬校準(zhǔn)后，電荷泵電流由校準(zhǔn)算法基于VCO增益設(shè)置，相位檢測器以52 MHz的最大輸入頻率工作。

1.3 小數(shù)分頻鎖相環(huán)PLL

基于電荷泵的小數(shù)分頻鎖相環(huán)PLL用于控制3個(gè)VCO器件。PLL包括自動校準(zhǔn)系統(tǒng)，用以抵消環(huán)境變化帶來的影響，保證可重復(fù)的相位噪聲性能與環(huán)路響應(yīng)性能。除了VCO的自動選擇和VCO粗調(diào)外，還存在一個(gè)環(huán)路濾波器校準(zhǔn)機(jī)制，可以根據(jù)需要來啟用。模塊中的器件通過調(diào)整電荷泵電流來保持環(huán)路帶寬，這對LO在較寬頻率范圍內(nèi)的調(diào)諧能夠起到非常關(guān)鍵的作用。

該模塊配置了兩個(gè)PLL編程寄存器組，分別對混頻器1和混頻器2進(jìn)行編程，并在MODE模式下自動選擇混頻器。通常情況下，變頻器使用混頻器2和寄存器組PLL2。

VCO輸出先在高頻預(yù)分頻器中進(jìn)行分頻，然后進(jìn)入N相分頻器。該分頻器允許非常精細(xì)的頻率步進(jìn)并使分?jǐn)?shù)雜散最小化。分?jǐn)?shù)能量是隨機(jī)的，而且在頻偏為100 kHz以上時(shí)顯示為分?jǐn)?shù)噪聲，被環(huán)路濾波器衰減。使用外部環(huán)路濾波器，可靈活設(shè)置環(huán)路的帶寬，以優(yōu)化鎖定時(shí)間和相位噪聲[8]。

1.4 有源環(huán)路濾波器

有源環(huán)路濾波器采用片內(nèi)低噪聲運(yùn)算放大器，并配有外部電阻和電容，如圖2所示。運(yùn)算放大器調(diào)諧電壓的范圍通常為+0.1～+2.4 V，環(huán)路濾波器在26～52 MHz的參考頻率下具有最低的集成相位噪聲，外部環(huán)路濾波器組件可靈活地優(yōu)化任何特定應(yīng)用的環(huán)路響應(yīng)。

圖2 有源環(huán)路濾波器

1.5 混頻器

混頻器是寬帶雙平衡吉爾伯特單元，每個(gè)混頻器都有一個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口，可用于上變頻或下變頻。根據(jù)線性要求，混頻器的電流范圍為15～45 mA，電流源通過輸出針腳供電。射頻混頻器的輸入和輸出端口是差分的，并且需要提供巴倫轉(zhuǎn)換器和針對特定頻率優(yōu)化的簡單匹配電路[9]。采用100 Ω微分輸入阻抗可實(shí)現(xiàn)約-2 dB的轉(zhuǎn)換增益，輸出驅(qū)動200 μΩ微分負(fù)載阻抗?；祛l器具有寬帶共柵輸入，輸入阻抗由混頻器1/gm項(xiàng)設(shè)置的電阻決定，與混頻器設(shè)置的電流值成反比?；祛l器的輸出高阻抗由2 kΩ的電阻和電容并聯(lián)組成，輸出不需要共軛匹配網(wǎng)絡(luò)，具有恒定的電流輸出，較高的電阻負(fù)載會提供較高的輸出電壓和增益。

1.6 外部參考

變頻器使用外部參考，典型輸入是0.8 Vp-p的限幅正弦波，交流耦合到參考輸入中。當(dāng)未使用小數(shù)分頻鎖相環(huán)PLL時(shí)，需要通過將REFSTBY位設(shè)為低電平來關(guān)閉內(nèi)部參考電路，從而在待機(jī)模式下將電流消耗降到最低。

2 調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

圖3為基于變頻模塊的70 MHz制式調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)圖。該調(diào)制解調(diào)器主要包括調(diào)制模塊和變頻模塊兩部分。發(fā)射鏈路中，調(diào)制模塊將基帶信號調(diào)制到L波段后，通過專用線將信號傳輸至變頻模塊的下變頻單元，得到70 MHz信號[10]。經(jīng)過變頻后，信號通過本振為14062 MHz的功放由天線發(fā)射到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。接收鏈路同理，天線將接收到的射頻信號經(jīng)過12312 MHz的LNB下變頻轉(zhuǎn)換為70 MHz信號，之后經(jīng)過變頻模塊的上變頻單元得到L波段信號[11]。L波段信號再輸入至調(diào)制解調(diào)模塊解調(diào)后得到基帶信號，由此完成解調(diào)過程。

圖3 調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)

3 結(jié) 論

本文針對功放和LNB本振頻率分別為14062 MHz和12312 MHz的應(yīng)用情形設(shè)計(jì)了一種基于變頻模塊的70 MHz制式調(diào)試解調(diào)器，可在操作簡單便捷的前提下實(shí)現(xiàn)與常用L波段調(diào)制解調(diào)器互通。自項(xiàng)目應(yīng)用以來，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，成功完成多次保障出勤、拉動演練等任務(wù)。除此之外，多個(gè)行業(yè)和場景中均具有14062 MHz本振的功放和12312 MHz本振的LNB，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在未來具有廣泛的應(yīng)用前景和較高的使用價(jià)值。