星载扩频应答机的微纳化设计研究

秦奋　吴涛　罗列峰

摘 要 随着集成电路技术的发展，单一芯片能够集成复杂的系统功能，使得宇航通信产品具备了微纳化研制基础。本文着重介绍了星载扩频应答机的微纳化设计，以射频芯片和基带芯片为核心，通过芯片化的硬件平台和参数化的软件算法实现设计方案，最后探讨了实现中需要解决的技术问题。

【关键词】微纳化 扩频应答机

1 概述

近年来，超大规模集成电路技术取得了长足进步，使得软件无线电朝着更深层次方向发展。传统的通信产品设计，采用分离式模块设计电路，具有调试复杂和设计灵活度差等缺点。集成电路技术的发展，使得单一芯片可以集成越来越复杂的系统功能，能够真正实现软件无线电技术的构想，即在开放式、通用的无线通信硬件平台上，通过设计灵活的软件来完成不同的通信功能，满足不同的业务需求。

在宇航测控通信系统中，星载扩频应答机是一种集合射频接收、射频发射、基带处理的重要星上通信设备，完成测控信号上行接收和下行发射的通信业务功能。近年来，星上设备微纳化设计，是一个重要的研究方向，如国外NASA等科研机构，采用芯片技术，完成了多款应答机的微纳化设计并投入工程应用中。随着集成电路和软件无线电的不断深化，本文详细阐述了星载扩频应答机的微纳化设计方案，研究了通用化的关键设计指标，在今后宇航应答机微纳化研制方面具有一定的工程指导意义。

2 应答机微纳化设计方案

在我国航天测控系统中，传统星载扩频应答机，依据通信功能，划分为四个部套，包括有接收机部套、发射机部套、中频部套和电源部套。接收机，对上行射频信号完成频综、下变频，频率滤波等射频处理，向中频部套发送中频模拟信号；发射机，接收中频部套提供的下行基带信号，完成频综、上变频、频率滤波等射频处理；中频部套，对输入的中频模拟信号进行AD采样、基带软件处理，完成捕获、跟踪过程，同时进行DA变换产生下行基带信号；电源部套，为各个部套提供所需工作电压。

微纳化的应答机设计，围绕射频芯片和基带芯片来实现传统模块实现的系统功能，即通过一款射频芯片来完成以往接收机、发射机模块实现的功能，通过一款基带芯片来完成以往中频模块实现的功能。

微纳化的应答机设计，是针对国内S频段测控通信的应用，设计开发自主的国产测控射频芯片和测控基带芯片，利用射频、基带两款芯片实现国产化、轻量化、通用化、芯片化并可工程化研制的宇航扩频应答机产品。设计方案，是利用软件无线电技术，设计统一硬件平台，完成射频芯片、基带芯片在整机上的应用，包括：

（1）射频芯片化技术：通过国产、抗辐的射频芯片实现，芯片内集成了高速AD、DA模块，配以参数配置，完成收发同时工作、频率合成，收/发通道变频，谐杂波抑制等功能。

（2）基带芯片化技术：通过国产、抗辐的基带芯片集成实现，配以参数配置，完成基带扩频信号处理算法功能。

以高度集成的基带芯片和射频芯片，实现芯片级的软件无线电设计平台，产品由外围滤波器、巴伦、接口芯片、晶振等少量元器件组成，取代了以往采用射频分离模块、AD单芯片、DA单芯片，基带处理FPGA的产品设计方案，芯片化扩频应答机架构图如图1所示。

设计中，为了实现最大程度的小型化、集成化，采用“单层结构+整机开发”模式，具体是指：整机只有一层结构壳体空间，将射频接收、射频发射、基带处理、二次电源设计在一块印制板上，实现收发双工、接收变频、高速AD转换、发射调制、高速DA转换、频综锁相、测控基带处理、对外接口、二次电源功能。

3 工作过程与关键参数

应答机工作过程，分为接收处理，基带处理和发射处理三部分，以芯片为核心实现主体功能，外围配套不多的射频模块，配置存储器、接口电路等元器件。

接收处理时，上行信号经过片外低噪放、滤波器的处理后，通过巴伦转为差分信号输入至射频接收芯片。接收频综单元，提供一路频点可变的本振信号。射频接收芯片内部，上行信号经过超外差式一次变频，产生中频模拟信号，该信号经芯片内多相滤波、片外中频滤波、片内可调增益放大、片外中频滤波、片内放大，输出至片内集成的高速AD采样器，向基带芯片提供中频数字信号。

中频处理时，基带芯片通过片外配置PROM存储器，按照实际工作场景加载工作参数，满足扩频码率、基带速率可变的要求。对接收的中频数字信号，进行上行测控多通道、高动态、弱信号的捕获、跟踪处理处理，完成遥控基带解调和上行测距处理；完成下行遥测通道和测距通道的扩频调制，将扩频调制信号提供发射机。

发射处理时，射频发射芯片接收下行扩频调制信号，经过高速DA转换器，形成中频载波频率可调的中频调制信号。中频调制信号，经过中频放大、片外滤波、片内多相滤波和超外差式一次变频调制到S频段的工作频点，输出下行射频信号。

此外，基于芯片的微纳化扩频应答机方案，由于采用一次变频，集成高性能AD转换器和DA转换器，因此在硬件上支持软件无线电的可参数化配置的特性，能够在芯片中，针对目前和未来的应用要求，将关键参数按照通用化、可配置的方式进行设计，具体参数如表1所示。

进一步的，基带芯片的通用化设计，需考虑我国测控通信领域多频段的兼容，中频处理满足C、X、Ka频段的测控要求；射频芯片的通用化设计，需考虑我国测控通信S频段的其他应用，如载人航天S频段测控、天基S频段测控等。

4 频率流程设计

考虑工程产品化的应答机方案设计，还需要考虑在天基、地基、天地一体的应用中工作频点常有变化的实际情况，因此产品频率设计需统一考虑信号带宽、中频处理频率、接收本振频率、发射本振频率进行合理设计，考虑工作频点变化时的方案兼容。

频率设计中，射频接收芯片设计有两个锁相环模块，分别产生接收本振和AD采样时钟，并向基带芯片提供一路采样时钟信号作为工作时钟；射频发射芯片，设计两个锁相环模块，分别产生发射本振和DA转换时钟，频率设计流程图如图2所示。片外高稳恒温晶振，分别向接收、发射通道提供同源基准，保证收发频率相参。针对工作频点变化的应用，射频收发芯片的本振频率，通过配置接口加以改变和实现。射频芯片和基带芯片，在片外时钟、本振频率、AD采样时钟、DA转换时钟具有参数化、可配置特点。

5 结束语

星载扩频应答机的微纳化设计研究，代表着我国宇航产品在微纳化方向的技术探索，未来将迎来广阔的应用空间，同时也面临需要解决的关键问题。首先，国内芯片设计公司和相关科研院所，研制宇航级射频芯片和基带芯片的经历基本处于空白，在宇航芯片设计和工艺要求上需进一步提高研制能力；其次，我国测控通信技术经过近30年的发展，出现了统一测控、扩频相干、扩频非相干体制，需要重点研究在芯片化产品方案里多测控模式兼容的技术实现问题。

应答机微纳化设计研究工作，是以满足目前型号任务需求为基础，阐述了产品方案、与关键通用化指标，是我国测控应答机微纳化发展的探索，未来必将推动测控技术朝着通用化、平台化、微纳化的方向发展。

参考文献

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作者单位

1.上海航天电子技术研究所 上海市 201109

2.上海大学 上海市 200444