小卫星通信系统中的终端主机设计与实现

严 俊

(南京熊猫汉达科技有限公司,江苏 南京 210000)

0 引言

如今,随着现代科学技术的迅速发展,卫星通信成了国际电信业务的重要构成部分,为人们提供了更加稳定的视频或电话语音等服务。随着卫星通信系统的建设与完善,卫星通信技术的发展也越来越迅速,和其他通信模式相比,卫星通信的优势十分突出,对此本文围绕小卫星通信系统展开论述,分析了系统终端主机的设计与实现。

1 结构设计

1.1 终端主机结构

终端主机作为一种广泛应用的数据接收和发送设备,具有较完善的应用功能,可根据星地协议快速接收用户所发的信息,从而供上位机查阅信息,之后将用户经过USB接口发送的信息向卫星发送,再经由卫星将信息传递到其他用户终端。终端主机一般由射频信道单元与终端处理单元构成,内部整体构成如图1所示。

图1 终端主机系统结构

在终端主机结构中,射频信道单元设计有捷变器,能够将基带发送过来的信息通过射频进行发送,卫星信号也能够经由捷变器实现变频转化,再将数据传递到基带信号处理单元。中断处理模块可以对设备运行状态进行控制,收集用户信息并将其传输到信号处理单元。在向用户发送数据时,终端模块能够利用USB连线的方法在用户终端处获取信息,而后实现终端模块与信号处理单元的相互传输。在卫星数据接收完毕时,终端模块能够在信号处理模块中获取经解码处理后的数据并发送到用户终端。终端模块能够进行电源管理,控制设备的开关机或复位。基带处理模块可以实现物理层基带功能,如MAC帧的编码、解码、调制调解等[1]。

1.2 结构框架设计

终端主机结构框架如图2所示,终端主机结构高度为10 mm,板卡选择了多层混合式,厚度为1.6 mm,上表面设计有射频变压器,高度为3.8 mm,屏蔽盖高度4.6 mm。下表面最高器件为1 210电容,高度2.8 mm,散热片高度3.8 mm。

图2 终端主机结构

功放选择下沉式设计,底部设计有散热片,能够提高系统的散热能力,射频信道设计屏蔽罩,一些对结构有特殊要求的位置在材料上选择了吸波材料,从而实现收发隔离的优化。在结构框架设计中,屏蔽罩的设计可以有效改善接收及发射信道之间的隔离度,功放芯片与敏感区间设计具有一定间隔,区间选择贴片安装以改善空间高度与布设面积,多层布线设计是为了改善印制电路板叠层,选择电磁兼容设计方案。

2 工作程序设计

在小卫星通信系统中,终端主机的应用通常为内嵌的方式,应用于其他设备中,通过USB接口与上位机取得联系,又利用对应的软件实现信息的收发。终端主机属于存储转发的通信模式,只需要通过卫星设备将地面站信息进行接收和储存,并且卫星端发送的信息由地面站接收即可,其工作程序如图3所示。

图3 终端主机工作程序

如图3所示,终端主机所包括的工作程序具体如下:(1)身份认证。于PC端管理程序及手机App等实现用户名与密码的身份识别；(2)轨道预报及传输链路。用户终端能够结合卫星轨道的数量及自身所处位置,找到卫星进入符合最小仰角限制的工作时间及位置,告知用户。用户确定通信时间并在接收机运行后,终端进行搜索,获取导频信号,通知卫星进入工作视野；(3)中射频及基带处理。卫星端由卫星天线接收的导频信号进行In-phaseQuadrature(IQ),向正下变频并解调,获得导频参数。卫星端机能够结合导频参数了解目前的信道运作情况；(4)发送信件。上位PC机可以将邮件利用USB接口传输到卫星端机,利用卫星端机进行安全处理,最后存储于本地设备。上位PC机利用USB接口,经过蓝牙选取合理的通信模式,控制卫星端机进行数据发送；(5)接收信件。卫星端机对导频参数进行解析,结合预报的下传报文中的业务信道号进行解调与解扩处理,形成邮件信息并保存[2]。

3 终端主机功能模块设计

3.1 终端主机功能模块划分

结合上述的终端主机工作程序设计,其模块划分基本情况如图4所示。

图4 终端主机功能

为满足身份认证和邮件收发等设计要求,还需要设计一个终端处理模块保证系统运行的稳定性和功能。而为了保证上下行链路的顺利运作,基带处理模块和射频信道模块至关重要,这些模块设计是终端主机的主要构成,需要利用电源管理和外部接口、PC端管理软件及收发天线等进行衔接,构成用户终端[3]。

3.2 射频信道模块

射频信道模块主要负责信号的收发功能,在信号接收之前,利用变频的方式将信号转换为低频信号,以便于进行数字采样处理的模拟。在信号发射前,发射前端可以将经处理后的信号变频至对应的拼点,从而满足系统对信号频率的要求[2]。

3.2.1 射频信道设计方式

通常情况下射频信道的结构设计采用零中频采样模式,如图5所示,这种设计并不需要选择较多的滤波器件,一般利用集成芯片就可以大大降低系统的体积,而且零中频不会进行交调与互调,信号综合性能可以更加优秀,而且这种设计也能满足器件与后端FPGA的性能需求,减少系统功耗水平,较为符合本次设计要求。

图5 零中频采样

3.2.2 发射机设计原理

在发射机模块中,使用的大功率输出功放芯片直接用螺钉安装在壳体上,引线可用普通电烙铁焊接在微带板上。在频段内提供26 dB的小信号增益并提供35 dBm的1dB压缩点输出功率。芯片大小为12 mm×15 mm×3.5 mm。

偏置电路除了能给出适合的电压值与电流值外,为了使放大器正常工作,偏置电路的RF旁路也是非常重要的,这将防止自激的产生,保证放大器正常工作。在此应用中,在漏极馈电处加上0.0 1uF的旁路电容,在栅极串联20 Ω电阻,同时并联0.01 uF的旁路电容,使芯片的漏极静态工作电压为10 V,静态工作电流为1.75 A,采用三级放大器级联实现功率的输出,通过三级放大器得到34 dBm的输出功率。

3.2.3 接收机设计原理

低噪声放大器是接收系统的关键电路。根据微波级联网络噪声系数与增益的计算,笔者对该方案进行了初步估算。总噪声系数小于1.1 dB,能够满足实际系统的要求。

低噪声放大器的晶体管类型有:砷化钾肖特基势垒栅场效应管(GaAs MESFET),高迁移率晶体管(HEMT),还有单片微波集成电路(MMIC)等。MESFET的工作频率较低；而工作在高频段的Si或GaAs衬底的MMIC很少有噪声系数低于0.8 dB的。HEMT有很高的工作频率和很小的噪声系数,因此是该频段低噪声放大器的首选晶体管类型。该场效应管是针对低噪声放大器优化的,噪声系数小于0.45 dB,最大增益大于12 dB。可以看出,N3210S01能满足设计的工作频率、噪声和增益要求,并且具有性价比高的特点,应用广泛。

4 终端主机的实现

硬件设计采用了ARM和FPGA及功放芯片、开关等结构,设计于印制板的正面,蓝牙电路则设计在印制板反面。功放芯片设计于印制板中,借此来改善系统的散热能力。接收信道的个别电路通过金属屏蔽罩处理。在完成首版硬件设计后便需要进行调试,在功率发射期间,功放芯片在部分场景下存在着温度快速升高的现象,由于印制板的导热性能不足,所以散热效果也不太理想,热量难以及时散出。对此,针对印制板结构进行了镂空设计,让功放芯片下沉,和印制板外壳的凹陷凸起能够咬合固定。在功率发射期间,功放芯片产生的干扰会影响到时钟晶振,导致宽带噪声的形成。于是在功放芯片结构中设计了薄钢片材质的屏蔽罩,屏蔽罩通过螺丝及金属外壳进行连接,从而改善干扰问题[4]。

硬件设计中,在印制板周边留下4个规格为2.5mm宽的露铜区,在上下壳安装期间能够与露铜区充分接触。在下壳体中设计了凸台,从而引导热量的散出,利用热硅胶带和芯片进行充分接触,提高热量引导效率。设计时出于控制谐波杂波考虑,功放输出端及输入端口设计了窄带声表滤波器,进而改善系统的散热效果。

5 结语

如今,功耗更低、性能更优秀的集成芯片成了研究开发的重点方向,这也为小卫星通信系统的终端主机设计带来了更有利的条件,助推终端主机的小型化和低功耗化发展,信号处理性能也越来越优秀,随着运算芯片功能的不断完善,芯片运算性能的提高可以让小型平台也能对更复杂的算法进行灵活应用,这也是小卫星通信系统发展的重要推动力,不断促进小卫星通信系统的快速发展。