面向天通一号卫星移动通信系统FDD终端的收发隔离设计
2022-12-02王日炎杨昆明周伶俐林启华
王日炎，杨昆明，周伶俐，林启华，王 昕，冯 伟
（广州润芯信息技术有限公司，广东 广州 510663）
1 国外卫星移动通信技术及设备发展情况
国外卫星移动通信发展较早，起步于20世纪70年代，目前已经建成多个静止轨道和中低轨卫星移动通信系统。在静止轨道方面，全球覆盖的有海事卫星系统（Inmarsat）；区域覆盖的有北美移动卫星系统（MSAT）、瑟拉亚卫星系统（Tlnuraya）、日本卫星系统（N-STAR）以及澳大利亚卫星系统（Optus）等。在中低轨方面，典型系统是铱星（Iridium）、全球星（GlobalSlar）以及星链等[2]。
2 天通一号卫星移动通信系统
为改变卫星移动通信应用长期受制于人的情况，20世纪90年代我国开始发展自主可控的卫星移动通信系统。历经多年研发，我国自主卫星移动通信系统“天通一号”系统首颗卫星于2016年8月6日在西昌卫星发射中心搭载长征三号乙运载火箭发射升空，2018年完成系统验证，天通一号卫星移动通信系统进入正式运营阶段。天通一号02星、03星分别于2020年11月12日、2021年1月20日在西昌卫星发射中心搭载长征三号乙运载火箭发射成功，至此完成天通一号卫星移动通信系统星座组网。天通一号卫星移动通信系统由空间段、地面段以及用户终端组成，用户链路为S频段，可为我国及周边、中东、非洲等相关地区以及太平洋、印度洋大部分海域用户提供全天候、稳定可靠的移动通信服务。天通一号系列卫星使我国拥有了自主知识产权的卫星移动通信系统，为我国国土及周边海域的各类手持和小型移动终端提供话音和数据通信覆盖，满足更多用户的多样化通信需求。
3 核心射频收发芯片
天通一号卫星移动通信系统建设同期，国内各高校、企事业单位等开始研发终端芯片，确保系统应用阶段核心器件可控。广州润芯信息技术有限公司是国内最早开始研究天通一号射频芯片的厂家之一，顺利于2016年推出天通一号卫星移动通信系统专用射频收发芯片RX6003。芯片集成卫星通信收发通道和1个卫星导航接收通道，支持天通一号卫星通信系统和北斗卫星导航系统的导航、通信及通导融合应用。RX6003芯片的卫星接收通道和导航接收通道采用低中频架构，射频前端采用具有出色线性度的高性能低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA），结合中频多级可调谐滤波器使芯片接收信道具备优异的杂散和带外干扰抑制能力。发射通道采用直接变频结构,发射增益调节范围高达30 dB。RX6003集成低功耗小数分频锁相环，内置环路滤波器，可同时为接收和发射电路提供高性能本振信号。接收与发射通道采用了独立锁相环，可支持频分双工（Frequency Division Duplexing，FDD/时分双工（Time Division Duplexing，TDD）两种制式。此外，芯片支持常规模式、抗干扰模式以及应急救生模式[1]。
4 FDD模式天通一号卫星移动通信终端收发通道隔离设计分析
天通一号卫星移动通信系统用户链路的收发通道频率最小间隔仅为160 MHz左右，卫星在36 000 km地球同步轨道上的路径损耗远大于地面移动通信系统，这也就意味着天通一号卫星移动通信系统终端需要更高的接收灵敏度和更大的发射功率，这对体积较小的便携式FDD卫星移动通信终端设计提出了严峻的挑战，尤其是收发隔离方面[2]。FDD工作模式的卫星移动通信终端不同于其他收发模式收发信机，其工作原理如图1所示。
由于其收发同时工作，因此接收链路更易受到干扰，尤其是终端自身发射通道对接收通道的干扰。收发机发射通道对接收通道的影响分为2个方面：一是发射通道底噪抬升泄露至接收通道，导致终端接收灵敏度恶化；二是发射通道发射功率导致接收通道增益压缩，阻塞终端的接收通道[3]。
天通一号移动通信地面终端的体积小，射频收发电路间隔近，发射通道影响接收通道的途径较多，其中主要途径分为3种。一是射频收发芯片自身接收和发射端口耦合；二是基于发射接收链路的耦合；三是收发射频前端链路的空间耦合。实际设计需要从核心器件设计、链路抑制指标分配和电路空间隔离等多个方面综合考虑才能达到系统要求[4]。收发机发射通道影响接收通道示意图如图2所示。
5 基于RX6003芯片的FDD卫星移动通信终端收发隔离设计实例
天通一号卫星移动通信系统的终端需要和轨道高度为36 000 km地球同步卫星通信，终端发射功率较地面移动通信终端大很多。以终端发射功率40 dBm、发射通道前端增益45 dB以及接收通道前端增益30 dB为典型配置，按照上述发射通道影响接收通道的途径分别分析[5]。
5.1 发射通道底噪抬升对接收通道的指标设计
发射通道抬升接收频段的底噪会直接导致接收通道的接收性能变差，故要求任何耦合途径耦合接收通道的底噪抬升均要小于耦合点自身底噪[6]。
（1）RX6003芯片端口耦合途径分析。RX6003芯片发射增益最大时TX端口底噪≤-150 dBm/Hz，信号到达RX6003芯片RX接口的最小功率为-95 dBm，TX和RX之间隔离度实测大于60 dB，故发射通道底噪不会通过该途径影响接收通道[7]。
（2）信号链路耦合途径分析。发射链路在RX6003芯片后包含一级声表（或者体表）滤波器、功率放大器和双工器，发射底噪进入接收通道的链路增益为
式中：SRX6003为RX6003芯片发射端的底噪；ITX-SAW为发射滤波器对接收频段抑制；GPA为功放增益；ITX-RX为双工器TX通道对RX频段的抑制。经过计算，发射链路滤波器和双工器TX通道对RX频段的总抑制需大于70 dB。综合实际器件指标，选择发射滤波对RX频段抑制为25 dB，双工器TX通道对RX频段的隔离度大于50 dB[8]。
5.2 发射通道功率对接收通道的指标设计
发射功率对接收通道的影响表现为发射通道对接收通道形成阻塞，引起接收链路中的放大器增益压缩，进而导致接收性能下降。基于此，要求逐级分析，链路设计要保证各级放大器均工作在线性区域[9]。
5.2.1 接收链路压缩点瓶颈分析
本设计实例的天通一号卫星移动通信终端接收链路由双工器、片外低噪放、声表/体表滤波及RX6003芯片组成。低噪声放大电路由2级增益为16 dB的低噪放放大器芯片构成，单个低噪声放大器的噪声系数为0.5，增益压缩1 dB时的最大输出功率P-1为5 dBm，故低噪声放大器的输入信号要小于其输入P-1，否则会导致低噪放工作在增益压缩状态。RX6003芯片采用多级放大及两级中频滤波的电路架构，对于TX频段信号可以提供高达160 dB的抑制能力。
5.2.2 RX6003芯片端口耦合途径分析
RX6003芯片最大发射功率为2 dBm，TX和RX之间隔离度大于60 dB，TX信号通过该路径耦合至RX6003芯片RX链路功率为-58 dBm，远小于RX6003接收链路在该频段的输入P-1指标-38 dBm。
5.2.3 信号链路耦合途径分析
信号经双工器接收端、低噪声放大器、一级声表滤波器或体表滤波器进入RX6003芯片接收通道，发射信号经双工器ANT端泄露至接收通道。接收通道需保证每级放大管均工作在线性区域。
对于低噪放，存在
对于RX6003芯片输入端，存在
式中：SIN为低噪放输入端需承受的功率，SIN≤-25 dBm；SRX为RX6003芯片接收端口需承受的功率，SRX≤-25 dBm；IRX-SAW为接收滤波器对发射频段抑制；PAout为收发机的发射功率；GLAN为前级低噪放的增益；IRX-TX为双工器RX通道对TX频段的抑制[10]。双工器RX通道对TX频段和RX通道滤波器的抑制不低于108 dBc，实际选型为双工器和2级声表滤波器，其中双工器RX通道对TX频段抑制55 dB，单个滤波器对TX频段的抑制大于35 dB。
6 结 论
本文介绍了卫星移动通信的特点及发展状况，分析了卫星移动通信终端收发隔离与发射通道发射功率、收发通道滤波器配置、收发链路增益设定等参数高度关联，总结了自主卫星移动通信天通一号通信地面终端收发隔离设计的原理模式。从底噪抬升和功率阻塞等方面详细分析卫星移动通信终端收发隔离指标要求，通过实际设计实例验证原理分析，完成系统设计和器件选型。
