新型S波段软件无线电微型测控应答机的实现

袁铁山，张朝杰，杨伟君，金仲和

(浙江大学微小卫星研究中心，杭州310027)

微小卫星是伴随着微型计算技术、微机电系统(MEMS)、卫星光学技术等领域的发展而出现的。美国航空航天公司(Aerospace)于1993年最早提出了纳卫星(NanoSat)和皮卫星(PicoSat)的概念，其中纳卫星的重量在10 kg以下，而皮卫星则在1 kg以下。皮纳卫星具有重量轻、体积小、成本低、研制周期短及发射灵活性大的优势，它们可以按一定的飞行轨迹以分散的星座式结构而构成大的“虚拟卫星”，可广泛用于远程通信、导航、气象学、环境监测及科学实验等任务。虽然微小卫星技术还处于技术开发和实验阶段，但它的这些优势决定了其在未来的科学研究和商业应用上都将发挥重要作用[1－3]。

测控应答机是卫星空中收发信号的主信道，地面上行遥控信号的接受和解调、星上遥测数据的下发及卫星运行轨道的测定等功能都由它实现。由于皮卫星体积小、重量轻等自身条件的限制，星载测控应答机须实现小型化、低功耗，而传统的模拟型测控应答机体积和重量大、功耗高，无法满足皮卫星的应用需求。

随着超大规模集成电路技术的发展和数字信号处理能力的不断进步，星载测控应答机朝着数字化的方向发展[4－7]。根据皮卫星的应用需求，本文设计一种适用于皮卫星的新型S波段微型测控应答机。整机采用软件无线电的设计思想，并由分频式数字锁相环合成各级本振，具有模块化、灵活性强及简单可靠等优点。实现的测控应答机达到了小型化、低功耗、高接收灵敏度及动态范围的目标。

1 皮卫星测控应答机的设计需求

卫星星载测控应答机为星地之间的通信提供了通道，是卫星正常工作的基础。测控应答机主要是实现地面测控站上行信号的接收与转发功能，同时具备接收机和发射机的作用[7]。主要功能包括:

(1)接收并解调地面测控站发射的上行遥控信号，同时通过下行转发信号回传星上遥测数据;

(2)接收、解调并转发地面测控站发射的测距信号，配合地面测控站实现测距、测速功能。

在皮卫星当前的应用中，国际上通用的S波段上下行载波相干关系为221/240。星载应答机发回地面测控站的遥测数据采用的是副载波调制的BPSK信号，并调相到下行载波上。而地面测控站发射的遥控信号采用副载波调制的差分BPSK信号，然后再调相到上行载波上。测距方式目前采用侧音测距，且上下行都直接调相到相干载波上。同时，皮卫星本身体积小、重量轻的特点对星载测控应答机提出了小型化、低功耗等一系列要求。

近年来，随着空间技术的不断发展和空间应用的不断深入，对应答机遥控遥测速率、测距精度及工作灵敏度会提出新的要求，因此需要不同的调制方式及测距模式。为满足当前的应用需求及以后的系统升级，本文采用软件无线电的设计思路，使测控应答机的体系结构具有更好的灵活性和可扩展性。

2 接收机设计

测控应答机是处于空间环境下的特殊通信系统，它与地面之间的遥远的距离使得地面测控站上发的测控信号在到达卫星接收天线时产生了很大的衰减。此外，皮卫星受体积和功耗限制，其天线增益相对较小，这就要求皮卫星的测控应答机具有较高的接收灵敏度和动态范围。同时，由于卫星和地面测控站之间的相对运动引起的多普勒频偏及由星上晶振不稳引起的频率偏差，使得卫星接收到的载波信号频率不断发生变化。在强噪声背景下接收微弱信号，接收机必须窄带，而且这个窄带接收机必须得跟踪上载波频率的变化。要具备这样的功能，本文采用了锁相环结构的接收机[8－10]。

常用的接收机主要有外差式、零中频和镜像抑制等几种结构[11]。接收机结构的选择对测控应答机的小型化、模块化及性能和灵活性起到了至关重要的作用。外差式接收机是当前接收机应用中用得最多的结构。在外差式接收机结构中，接收到的射频信号通过几级下变频被变换到基带。零中频接收机也叫直接变频接收机。与外差式接收机把信号变换到中频不同的是，零中频接收机把接收到的信号直接变换到基带，因此就不存在镜像频率问题。而镜像抑制接收机则通过正交混频的电路结构来抑制镜像频率。

零中频结构的接收机由于受直流偏差、闪烁噪声、I/Q不平衡和偶次谐波失真干扰等问题的影响，导致信号信噪比的恶化，从而使接收机灵敏度的下降，并影响遥控信号解调及测距精度。而镜像抑制结构的接收机由于存在I/Q两路之间的不平衡及正交本振的不理想，会使镜像信号抑制度不够，从而导致动态范围低，对ADC位数要求高及接收灵敏度下降等问题;而且与外差式接收机相比，镜像抑制结构的接收机由于需要两个独立的支路，其需要的元件数和空间并未减少。因此，在皮卫星应用中，外差式接收机由于其优越的性能及简洁的结构而成为首要的选择。

传统的测控应答机一般采用两次或三次下变频结构的外差式接收机，每一次变频后都有滤波和放大，在提供足够增益的同时抑制带外干扰。这种结构的接收机体积和功耗都很大，无法满足皮卫星的应用需求。随着数字信号处理技术和超大规模集成电路的发展，软件无线电的设计思想使得采样越来越向天线靠近[12]。本文采用了一次下变频后直接中频正交欠采样的外差式软件无线电接收机结构，如图1所示。

图1 外差式中频欠采样接收机结构

信号经天线接收及前置滤波、低噪声放大和带通滤波后，直接下变频到中频。然后经中频声表面滤波、中频放大和自动增益控制处理后，直接中频正交欠采样，后续的信号处理在数字器件中实现。中频处理中的自动增益控制使信号加噪声的总功率在ADC的输入端保持恒定，从而将模数转换的量化噪声和饱和噪声降到最小。本文中选择的中频和采样频率分别为fIF=70 MHz+fd和fs=40 MHz，其中fd为多普勒频移。经正交欠采样后，70 MHz的中频频率直接下降到了－10 MHz，简化了后续的数字处理[13]。

本文采用的外差式中频欠采样的接收机硬件上所用的元件较少，因此体积可以做得很小，非常适合当前皮卫星的应用。此外，接收机的模拟电路和数字处理之间只通过一路ADC相连，模块化清晰，利于后续的开发进展。采用大量的数字信号处理不仅能满足当前残留载波的遥控调制方式及侧音测距模式，也能适应未来更高速率的BPSK或QPSK等调制方式及更高精度的伪码测距模式，便于系统升级。

3 发射机设计

测控应答机发射机的任务是将基带信号调制到载波上，并搬移到所需要的发射频段上，使其具有足够的发射功率以满足皮卫星应用的需求。此外，由于在轨测量的需要，测控应答机还需要上、下行载波的频率相干。载波上、下行频率的相干对发射机的信号处理及频率分配有很大影响，这就使得测控应答机的发射机设计有别于普通无线通信中的发射机[14]。

普通的发射机结构大致可以分为两种[11]，一是直接变换法，即对信号进行调制的同时完成上变频。二是多步变换法，将调制和上变频分开，先在较低的中频频率上进行调制，再将已调信号上变频到发射的载频上。直接变换法虽然结构上简单，但有个很大的缺陷:由于发射信号是以本振频率为中心的通带信号，功率放大或发射后的强信号经泄漏或反射影响本振，从而影响调制度。此外，由于调制是在射频上进行，正交两支路间的平衡性很难得到保证。多步变换法则可以明显地弥补直接变换法的缺点，而且由于调制是在较低的中频上进行，正交两支路间的平衡性容易保证，如果调制直接在数字域中进行，两支路之间的不平衡性就完全不存在了。但这种结构在最后一次变频后必须采用带通滤波器滤除混频产生的另一个无用边带，为了达到发射机的性能指标，须选用带宽相对窄、插入损耗小的声表面滤波器。

基于直接变换和多步变换的测控应答机发射机结构分别如图2和图3所示。图2结构的发射机又称基于数字基带成形和模拟I/Q调制的发射机。在这种结构中，数字处理模块完成基带信号成形，模拟模块产生下行载波并将基带信号直接调制到载波上。图3结构的发射机采用了软件无线电的思想，又称基于全数字调制和两次上变频的测控应答机发射机。在这种结构中，数字处理模块完成基带信号成形、载波调制及载波相关转发，模拟模块则通过两次上变频及带通滤波把频谱搬移到发射频率上。图2中直接调制发射机的下行载波为满足与上行载波的相干关系，需要用采样锁相环来合成相对应的本振信号，实现难度较大，而全数字调制发射机由于载波上下行相干关系已经直接在数字处理中完成，只需采用普通的分频式锁相环来合成本振信号即可。

图2 基于数字基带成形和模拟I/Q调制的测控应答机发射机

图3 基于全数字调制和两次上变频的测控应答机发射机

因为本振实现的简单及灵活性，全数字调制方式的模拟模块与数字模块之间的连接更少，有利于测控应答机的小型化和模块化，方便以后系统的升级。同时，两次上变频方式也为数字低中频和第一级混频后的中频频率选择提供了更大的灵活性，使得中频带通滤波器的选型更加灵活。另外，数字低中频的频率可根据实际下行带宽需要来选择，从而尽可能地降低全数字调制的处理速率来降低处理功耗。

在数字处理算法上，全数字调制可根据不同的调制方式灵活地设计调制器的算法，尤其在遥测和测距信号同时调制时，从而最大限度地降低所用资源。而模拟I/Q调制方式虽然能通过合成I/Q两路信号完成任何形式的调制，但在不同的调制方式下，其基带信号处理可能会变得很复杂。综上所述，我们采用了全数字调制和两次上变频的发射机结构。

4 微型测控应答机的实现

根据前面接收机和发射机的结构设计，基于软件无线电的微型测控应答机整体结构框图如图4所示，原理样机如图5所示。

图4 软件无线电微型测控应答机结构框图

图5 软件无线电微型测控应答机样机

其中射频接收部分采用一次下变频，把接收到的射频信号直接变换到中频，并直接对中频信号进行带通欠采样，由数字平台进行信号处理。而射频发射部分采用二次上变频，由数字平台产生低中频全数字调制信号，然后经二次上变频形成下行发射信号。发射模块和接收模块分别处于PCB板的两侧，在空间上予以隔离，尤其是锁相环模块等敏感电路远离PA等大功率器件;同时，在模块的周围铺地框，以增强模块间的隔离，使接收信号和发射信号互不干扰。数字平台主要由并行处理功能出色的FPGA承担，完成上行载波恢复、遥控信号解调、测距信号转发及下行全数字调制等功能。图4中所有的本振由分频式数字锁相环实现，不仅频率配置方便灵活，而且产生的谐波及杂散分量都非常小，非常符合皮卫星在功耗、体积及性能上的要求。同时，为保证测控应答机上下行载波相干的关系，本振和数字平台的频率参考源由同一个TCXO提供。

由商业器件实现的S波段测控应答机的接收机增益分配如图6所示。图中同时列出了各级芯片的增益和噪声系数。接收机天线接收端的输入功率范围为－140 dBm～－50 dBm，在图中分别用Pmin和Pmax表示最小和最大输入功率。而热噪声是以中频声表面滤波器5 MHz带宽内的功率表示的，图中以Pnoise表示，常温下输入端的热噪声为:

式中N0是常温下基底噪声功率谱密度，BIF是中频声表面滤波器的带宽。而整机的噪声系数计算公式为:

式中的NFn和Gn分别为第n级的噪声系数和增益，从上式中也可以看出系统的噪声系数主要由第一级放大器的噪声系数决定。由图6中所示的各级噪声系数及增益可求得整机的等效噪声系数约为NFe=3 dB。经接收机处理后，为使ADC的量化噪声和饱和噪声降到最低，由ADC的偏置电压及信号特性[13]，输入到ADC的信号加噪声的总功率保持在－2 dBm左右。发射机DAC输出到天线的增益分配如图7所示，输出功率达到26 dBm。两级本振信号的频率可根据中频滤波器的频点和带宽灵活配置。

图6 接收机增益分配图

图7 发射机增益分配图

实际整个测控应答机已在一块面积为16.5 cm×10 cm的印制电路板上实现。对接收机中频AGC输出频谱进行观察，并测试整机接收灵敏度。图8显示了输入信号为－125 dBm时，中心频率附近10 MHz带宽内的AGC输出频谱。由图中可见，整个频带内的频谱很干净，无任何杂散，在－125 dBm输入信号及1 kHz分辨率带宽下，信号功率比噪声大了约13 dB。且在接收机载波环路的带宽为1 kHz时，实际测得接收灵敏度为－136 dBm，动态范围大于80 dB。

图8 输入信号－125 dBm时的中频AGC输出频谱

同时，测得发射功率约为26 dBm(24.5 dBm+1.5 dB同轴线衰减)，频谱如图9所示，10 MHz带宽内杂散信号抑制度超过50 dBc，已足够满足轨道高度小于1 000 km的低轨皮卫星的需求。且在此发射功率下，测得整机的功耗约为4.5 W。

图9 发射信号频谱图

因此，整个基于软件无线电结构的测控应答机实现了小型化、低功耗、高灵敏度及高动态范围的目标，且具有模块化、灵活性强等优点，能满足皮卫星的各项应用需求。

5 结论

本文设计了一种基于软件无线电的测控应答机结构。在该结构中采用了中频欠采样技术及全数字调制技术，并由分频式数字锁相环合成各级本振。最后用商业器件实现了适用于皮卫星的小型化、低功耗、高灵敏度及高动态范围的新型S波段微型测控应答机。整机具有模块化、灵活性强及简单可靠等优点，在满足当前应用的同时，利于以后系统升级。

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