基于北斗三號和天通衛(wèi)星通信的信道收發(fā)模塊設計與實現

吳華堯

（北方信息控制研究院集團有限公司，江蘇 南京 211153）

0 引言

現代戰(zhàn)爭中通信模式多種多樣，各種通信模式都有其優(yōu)缺點，比如短波、超短波等電臺發(fā)展成熟，但是通信距離不大，而且需要車載或背負等重而大的基站［1］。衛(wèi)星通信距離大，而且多數情況下可以使用手持便攜等終端設備。終端設備中信道收發(fā)模塊是必不可少的一部分，完成無線電波的發(fā)射與接收。信道收發(fā)模塊的一側與天線連接，另一側與中頻處理單元連接［2］，主要功能是對射頻信號進行放大、濾波、合路、分路、開關切換、衰減和上下變頻等。本文設計了一種基于北斗三號和天通衛(wèi)星通信的信道收發(fā)模塊(以下簡稱“信道收發(fā)模塊”），解決了只能實現單一模式衛(wèi)星通信的問題，可以實現北斗三號、北斗二號和天通多模式通信，同時也解決了車上放置和車下便攜等多場景應用模式。

1 模塊的設計與實現

1.1 系統(tǒng)分析

如圖1所示，信道收發(fā)模塊集成于衛(wèi)星通信設備，設備選用低功耗處理器為主控/基帶處理單元，還集成了天通信號處理模塊、北斗信號處理模塊，實現北斗三號、北斗二號導航定位功能、北斗短報文通信功能和天通語音、短信息等功能［3］，同時利用主控/基帶處理單元拓展多種外設接口，如擴展RS232、網口、耳麥等，具備顯示/觸摸屏、按鍵、揚聲器、麥克風等多種人機交互手段。衛(wèi)星通信設備支持車上放置和車下便攜兩種工作模式，在車下使用環(huán)境中使用天通無源天線＋北斗有源天線工作；在車上可通過射頻口連接車載一線通多模有源天線工作。

圖1 衛(wèi)星通信設備硬件體系架構

1.1.1 北斗信號處理模塊

北斗信號處理模塊是一款高性能、支持北斗三號和北斗二號的信號處理板卡。輸入接口采用MMCXKHD型和MCX-KHD型射頻座。其中，MMCX-KHD接口與接收信號線連接；MCX-KHD接口與發(fā)射信號線連接。接收端射頻接口輸入功率范圍：－80~－60 dBm(默認－70 dBm）；發(fā)射端射頻接口輸出功率默認0 dBm，支持軟件微調。

1.1.2 天通信號處理模塊

天通信號處理模塊是一款高性能天通信號處理板卡，基于完全自主知識產權的高性能基帶芯片設計，能夠支持天通衛(wèi)星通信，包括話音、短消息和數據，基于以上功能可以實現MMS，WAP，IM，EMAIL等擴展業(yè)務。模塊外形尺寸緊湊，物理尺寸僅為55×33×5(mm），方便用戶集成，模塊射頻口發(fā)射功率為2 W，是特種小型化應用的理想解決方案。

綜合各模塊指標和系統(tǒng)要求，筆者分析出信道收發(fā)模塊指標要求。工作頻率：1.0~3.0 GHz；天通輸出功率：9 dbm±1 dbm；北斗輸出功率：4 dbm±1 dbm；北斗接收增益≥0 dB；天通接收增益≥－20 dB；通道間隔離度：≥18 dB。

1.2 模塊方案設計

基于北斗三號和天通衛(wèi)星通信的信道收發(fā)模塊，可以用于天通和北斗三號的衛(wèi)星通信模式，本模塊電路覆蓋了北斗三號和二號L，S收發(fā)全頻段，天通S收發(fā)頻段。本模塊電路可以四路合為一路輸出，可以一路分為四路輸入，并可以適配車下便攜和車上放置應用場景。

信道收發(fā)模塊包括直流電源通路、公共通路、北斗發(fā)射通路、北斗接收通路、天通收發(fā)通路、車下天通收發(fā)通路等幾個部分。直流電源通路主要對有源天線、模塊中放大器和開關進行供電，公共通路用于合路或分路天通北斗收發(fā)信號，北斗發(fā)射通路對北三或北二發(fā)射信號放大濾波使之達到端口輸出要求。北斗接收通路用于濾波放大天線接收的導航和短報文等信號，使之達到系統(tǒng)要求的接收增益。天通收發(fā)通路用于濾波放大天通的收發(fā)信號，車下天通通路用于在車下應用場。

1.3 方案器件選型與設計

如圖2所示，基于北斗三號和天通衛(wèi)星通信的信道收發(fā)模塊包括：一塊電路板，兩塊屏蔽罩。所述電路板上包括4個IPEX接口，1個MCX接口，1個2×6排插。

圖2 信道收發(fā)模塊方案

直流電源通路中2×6排插與整機底板電源相接，直流信號給信道收發(fā)模塊中放大器和開關供電，還有通過MCX接口進入同軸線給有源天線供電。一開機5V常供，當北斗發(fā)射時，5 V切換為12 V。

北斗發(fā)射通路中信號經過IPEX接口1輸入放大器1中放大，放大器1增益15 dB。然后進入聲表濾波器1 SF9027，中心頻率為1 615 MHz。濾波后進入功分器1 GP2S1＋，端口隔離度≥20 dB，插損3.8 dB。功分器1輸出連接低通濾波器LFCG－1575＋，L頻段帶內插損為1.2 dB，S頻段帶外抑制＞20 dB，用于濾除S波段的干擾信號。低通濾波器輸出連接雙工器1 DPX162500DT，兩個端口其中低頻段是1 500 MHz，高頻段是2 450 MHz。

北斗接收通路是接收信號進入模塊MCX接口，經過雙工器1分別進入低通和高通濾波器。L頻段的北斗信號進入低通濾波器，濾波后通過功分器1，再經過雙工器2進入放大器2 PSA4－5043＋，放大器2增益15 dB。放大后進入IPEX端口2輸出模塊進入北斗信號處理模塊。S頻段的北斗信號進入高通濾波器HFCN－1910＋，帶內插損為1.2 dB，帶外抑制＞20 dB，用于濾除L波段的干擾信號。濾波后通過功分器2，再經過聲表濾波器2 SF9057，中心頻率為2 492 MHz，帶內插損為2 dB，帶外抑制＞35 dB，濾除S段北斗接收信號外的干擾。進入雙工器2，經過放大后，通過IPEX接口2輸出模塊進入北斗信號處理模塊。

天通收發(fā)通路是天通信號進入模塊MCX接口，信號經過雙工器1進入高通濾波器，濾波后進入功分器2，然后進入10 dB固定衰減片FAC0610，車上模式時有源天線有較大增益，所以通路中需加衰減片。衰減片輸出連接開關sky13489－001，插損僅為0.3 dB，可以輸入最大＋39 dbm功率。設置開關為高電平后，信號通過IPEX接口3輸出模塊進入天通信號處理模塊。天通發(fā)射和接收為同一通路，信號傳輸方向相反。

車下模式時天通收發(fā)通路是天通信號經過車下無源天線然后通過同軸線進入模塊IPEX接口4進入開關，設置開關為低電平后，信號通過IPEX接口4輸出模塊進入天通信號處理模塊。天通發(fā)射和接收為同一通路，信號傳輸方向相反。

1.4 電路設計與實現

信道收發(fā)模塊的設計關鍵是控制微波信號的傳輸損耗。因此使用具有低損耗角的Rogers 4350B微波板材，從而實現微波信號的低損耗傳輸。另一方面是控制好不同信號間的隔離度，要盡量多打地孔，PCB布局方面天通和北斗信號通路分布于板子左右兩邊，盡量控制較大間距，通過引入金屬隔墻實現高隔離度。另外，收發(fā)信號要盡量隔開，接收路放置在反面，發(fā)射路走正面，以此增加收發(fā)隔離度。

2 模塊的實現與測試結果

將PCB板加工生產，裝配入整機，分別使用矢量網絡分析儀、頻譜儀、信號發(fā)生器進行測試，測試結果表明，基于北斗三號和天通衛(wèi)星通信的信道收發(fā)模塊覆蓋范圍為1~3 GHz，北斗接收增益≥0 dB，天通接收增益≥－20 dB，天通輸出功率9 dbm±1 dbm，北斗輸出功率：4 dbm±1 dbm，通道間隔離度：≥18 dB。以上測試結果均達到指標要求。模塊尺寸40 mm×65 mm×6 mm，符合小型化和易于集成的要求。

3 結語

本設計主要研究基于北斗三號和天通衛(wèi)星通信的信道收發(fā)模塊，通過前期調研和系統(tǒng)分析進行方案設計，驗證方案的可行性，在保證模塊性能的同時，實現小型化。根據指標要求，1~3 GHz頻段內，系統(tǒng)滿足接收增益、發(fā)射輸出功率等要求，保證組件的高性能，具有一定的創(chuàng)新性和實際應用意義。