基于北斗三号和天通卫星通信的信道收发模块设计与实现

2022-12-21吴华尧

无线互联科技 2022年19期

吴华尧

（北方信息控制研究院集团有限公司，江苏南京 211153）

0 引言

现代战争中通信模式多种多样，各种通信模式都有其优缺点，比如短波、超短波等电台发展成熟，但是通信距离不大，而且需要车载或背负等重而大的基站［1］。卫星通信距离大，而且多数情况下可以使用手持便携等终端设备。终端设备中信道收发模块是必不可少的一部分，完成无线电波的发射与接收。信道收发模块的一侧与天线连接，另一侧与中频处理单元连接［2］，主要功能是对射频信号进行放大、滤波、合路、分路、开关切换、衰减和上下变频等。本文设计了一种基于北斗三号和天通卫星通信的信道收发模块(以下简称“信道收发模块”），解决了只能实现单一模式卫星通信的问题，可以实现北斗三号、北斗二号和天通多模式通信，同时也解决了车上放置和车下便携等多场景应用模式。

1 模块的设计与实现

1.1 系统分析

如图1所示，信道收发模块集成于卫星通信设备，设备选用低功耗处理器为主控/基带处理单元，还集成了天通信号处理模块、北斗信号处理模块，实现北斗三号、北斗二号导航定位功能、北斗短报文通信功能和天通语音、短信息等功能［3］，同时利用主控/基带处理单元拓展多种外设接口，如扩展RS232、网口、耳麦等，具备显示/触摸屏、按键、扬声器、麦克风等多种人机交互手段。卫星通信设备支持车上放置和车下便携两种工作模式，在车下使用环境中使用天通无源天线＋北斗有源天线工作；在车上可通过射频口连接车载一线通多模有源天线工作。

图1 卫星通信设备硬件体系架构

1.1.1 北斗信号处理模块

北斗信号处理模块是一款高性能、支持北斗三号和北斗二号的信号处理板卡。输入接口采用MMCXKHD型和MCX-KHD型射频座。其中，MMCX-KHD接口与接收信号线连接；MCX-KHD接口与发射信号线连接。接收端射频接口输入功率范围：－80~－60 dBm(默认－70 dBm）；发射端射频接口输出功率默认0 dBm，支持软件微调。

1.1.2 天通信号处理模块

天通信号处理模块是一款高性能天通信号处理板卡，基于完全自主知识产权的高性能基带芯片设计，能够支持天通卫星通信，包括话音、短消息和数据，基于以上功能可以实现MMS，WAP，IM，EMAIL等扩展业务。模块外形尺寸紧凑，物理尺寸仅为55×33×5(mm），方便用户集成，模块射频口发射功率为2 W，是特种小型化应用的理想解决方案。

综合各模块指标和系统要求，笔者分析出信道收发模块指标要求。工作频率：1.0~3.0 GHz；天通输出功率：9 dbm±1 dbm；北斗输出功率：4 dbm±1 dbm；北斗接收增益≥0 dB；天通接收增益≥－20 dB；通道间隔离度：≥18 dB。

1.2 模块方案设计

基于北斗三号和天通卫星通信的信道收发模块，可以用于天通和北斗三号的卫星通信模式，本模块电路覆盖了北斗三号和二号L，S收发全频段，天通S收发频段。本模块电路可以四路合为一路输出，可以一路分为四路输入，并可以适配车下便携和车上放置应用场景。

信道收发模块包括直流电源通路、公共通路、北斗发射通路、北斗接收通路、天通收发通路、车下天通收发通路等几个部分。直流电源通路主要对有源天线、模块中放大器和开关进行供电，公共通路用于合路或分路天通北斗收发信号，北斗发射通路对北三或北二发射信号放大滤波使之达到端口输出要求。北斗接收通路用于滤波放大天线接收的导航和短报文等信号，使之达到系统要求的接收增益。天通收发通路用于滤波放大天通的收发信号，车下天通通路用于在车下应用场。

1.3 方案器件选型与设计

如图2所示，基于北斗三号和天通卫星通信的信道收发模块包括：一块电路板，两块屏蔽罩。所述电路板上包括4个IPEX接口，1个MCX接口，1个2×6排插。

图2 信道收发模块方案

直流电源通路中2×6排插与整机底板电源相接，直流信号给信道收发模块中放大器和开关供电，还有通过MCX接口进入同轴线给有源天线供电。一开机5V常供，当北斗发射时，5 V切换为12 V。

北斗发射通路中信号经过IPEX接口1输入放大器1中放大，放大器1增益15 dB。然后进入声表滤波器1 SF9027，中心频率为1 615 MHz。滤波后进入功分器1 GP2S1＋，端口隔离度≥20 dB，插损3.8 dB。功分器1输出连接低通滤波器LFCG－1575＋，L频段带内插损为1.2 dB，S频段带外抑制＞20 dB，用于滤除S波段的干扰信号。低通滤波器输出连接双工器1 DPX162500DT，两个端口其中低频段是1 500 MHz，高频段是2 450 MHz。

北斗接收通路是接收信号进入模块MCX接口，经过双工器1分别进入低通和高通滤波器。L频段的北斗信号进入低通滤波器，滤波后通过功分器1，再经过双工器2进入放大器2 PSA4－5043＋，放大器2增益15 dB。放大后进入IPEX端口2输出模块进入北斗信号处理模块。S频段的北斗信号进入高通滤波器HFCN－1910＋，带内插损为1.2 dB，带外抑制＞20 dB，用于滤除L波段的干扰信号。滤波后通过功分器2，再经过声表滤波器2 SF9057，中心频率为2 492 MHz，带内插损为2 dB，带外抑制＞35 dB，滤除S段北斗接收信号外的干扰。进入双工器2，经过放大后，通过IPEX接口2输出模块进入北斗信号处理模块。

天通收发通路是天通信号进入模块MCX接口，信号经过双工器1进入高通滤波器，滤波后进入功分器2，然后进入10 dB固定衰减片FAC0610，车上模式时有源天线有较大增益，所以通路中需加衰减片。衰减片输出连接开关sky13489－001，插损仅为0.3 dB，可以输入最大＋39 dbm功率。设置开关为高电平后，信号通过IPEX接口3输出模块进入天通信号处理模块。天通发射和接收为同一通路，信号传输方向相反。

车下模式时天通收发通路是天通信号经过车下无源天线然后通过同轴线进入模块IPEX接口4进入开关，设置开关为低电平后，信号通过IPEX接口4输出模块进入天通信号处理模块。天通发射和接收为同一通路，信号传输方向相反。

1.4 电路设计与实现

信道收发模块的设计关键是控制微波信号的传输损耗。因此使用具有低损耗角的Rogers 4350B微波板材，从而实现微波信号的低损耗传输。另一方面是控制好不同信号间的隔离度，要尽量多打地孔，PCB布局方面天通和北斗信号通路分布于板子左右两边，尽量控制较大间距，通过引入金属隔墙实现高隔离度。另外，收发信号要尽量隔开，接收路放置在反面，发射路走正面，以此增加收发隔离度。

2 模块的实现与测试结果

将PCB板加工生产，装配入整机，分别使用矢量网络分析仪、频谱仪、信号发生器进行测试，测试结果表明，基于北斗三号和天通卫星通信的信道收发模块覆盖范围为1~3 GHz，北斗接收增益≥0 dB，天通接收增益≥－20 dB，天通输出功率9 dbm±1 dbm，北斗输出功率：4 dbm±1 dbm，通道间隔离度：≥18 dB。以上测试结果均达到指标要求。模块尺寸40 mm×65 mm×6 mm，符合小型化和易于集成的要求。