FPGA波导开关远程倒换装置的设计和思考

金立希

【摘要】波导开关对于卫星地球站安全播出而言，起的非常大的作用，因此如何在发生故障时快速倒换波导开关一直是一个重要话题。本文主要介绍了波导开关的远程状态显示及倒换原理，以及如何设计基于FPGA的波导开关远程倒换装置进行阐述。同时对于该远程倒换装备进行了一些研究与思考。

【关键词】波导开关;远程倒换;FPGA;设计

中图分类号：TN929                    文献标识码：A                     DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.09..005

对于卫星地球站而言，波导开关在地球站上行主备系统倒换，上行主备天线倒换以及双星并发时起着重大的作用，特别是在地球站设备出现故障时，及时倒换波导开关能够使值班员在最短时间内恢复系统的正常播出，对于安全播出起着非常重大的作用。但是，在实际对波导开关进行倒换时，可能存在着波导开关并不在值班员身边，需要值班员立即跑到波导开关所在机房进行手动倒换的情况，因此，设计一款波导开关的远程倒换装置，能够有效缩短倒换波导开关的时间，减少节目中断时长，更好的保障卫星电视节目的安全播出。本文主要介绍了波导开关的倒换原理，以及如何使用FPGA模块进行波导开关的远程倒换，同时对该装置存在的一些问题及发展方向进行思考。

1. 波导开关状态显示及倒换原理介绍

在卫星地球站，使用最多的是4端口波导倒换开关，其基本信号原理如图1所示，在正常上行情况下，主用系统信号经波导开关后进入发射天线上星，备用系统信号则经波导开关后进入系统假负载。在主用系统发生故障时，通过倒换波导开关，使其进入图2所示状态，此时，主用系统信号经波导开关进入假负载，而未发生故障的备用系统信号则进入发射天线上星，保证了播出信号的正常上星。

而波导开关的状态采集以及手动倒换则由一个6端口的控制端口进行控制，其原理图如图3所示。A、B、C三个端口控制波导开关的倒换，其中B为公用端口，当A口与B口之间有12V驱动电压输入而C口与B口之间无电压时，开关由备用状态倒换至主用状态，反之，当C口与B口之间有12V电压输入而A口与B口之间无电压时，开关由主用状态倒换至备用状态。而D、E、F三个端口则实现波导开关的状态显示，其中E口为公用端口，当D口与E口导通（低电压）、F口与E口断开（高电压）时，表示波导开关在主用状态，而当D口与E口断开（高电压）、F口與E口导通（低电压）时，表示波导开关在备用状态。

2. 基于FPGA的波导开关倒换装置设计

通过上述波导开关倒换原理介绍，我们发现可以通过使用FPGA可编程逻辑芯片来实现波导开关的远程状态采集显示及倒换功能。这里我们采用了基于Intel EP4CE10F17C8主控芯片的AC 620 FPGA开发板进行设计。

2.1. 倒换开关状态显示

如图4所示为波导开关远程状态显示原理图，系统使用FPGA开发版的GPIO口进行波导开关的状态采集。FPGA开发板GPIO1口接波导开关D口，GPIO2口接波导开关F口，GND口接波导开关E口，FPGA板则实时检测GPIO1、GPIO2与GND之间电平情况。在主用状态下，波导开关D口与E口导通，F口与E口端口断开，GPIO1口与GND之间应为低电压，GPIO2口与GND之间为高电压，此时FPGA板控制LED1亮红灯，LED 2灯不亮，表示系统在主用状态。反之，在备用状态下时，GPIO1口与GND之间应为高电压，GPIO2口与GND之间为低电压，此时LED1灯不亮，LED2亮红灯，表示系统在备用状态。因此，通过DEF口的状态采集及LED灯的亮灭控制，实现了波导开关的状态显示功能。

2.2. 波导开关的远程倒换控制

如图5所示为波导开关远程倒换原理图，由于倒换波导开关需要12V驱动电压，而FPGA开发板GPIO能输出的最大电压为3.3V，因此，如果要驱动倒换开关，必须增加电压转换电路。这里采用了MOS驱动电路（开启电压3V至20V）来进行驱动电压的转换，由FPGA板来控制MOS驱动电路输入端的通断。在正常情况下（也即不用进行波导开关倒换时），FPGA开发板的GPIO3口与GPIO4口不输出信号，因此与GND之间无电压，因此MOS驱动电路的OUT1口与OUT2口截止，无输出电压。当我们按下按键开关S1时，使FPGA板的GPIO3口输出3.3V电压，此时MOS驱动电路的PWM1口与GND之间为3.3V电压，OUT1口导通，OUT1+与OUT1-之间输出12V驱动电压，控制波导开关由备用状态倒换至主用状态。当按下按键开关S2时，使FPGA板的GPIO4口输出3.3V电压，此时MOS驱动电路的PWM2口与GND之间为3.3V电压，OUT2口导通，OUT2+与OUT2-之间输出12V驱动电压，控制波导开关由主用状态倒换至备用状态。由于波导开关在倒换完成后，无需再在A口与B口（或C口与B口）之间施加倒换电压，此时，在实际控制倒换时，按下按键开关后，需要由系统时钟控制系统倒换时间（通常1秒左右），完成系统倒换后，需要将GPIO3口、GPIO4口与GND之间恢复至无电压状态。

2.3. 整体系统框图及测试

如图6所示为波导开关远程倒换装置的整体系统框图，经过实际连线测试，系统能够有效完成倒换开关状态的采集以及一键倒换功能。

3. 关于波导开关远程倒换装置的一些思考

经过研究与实践，如上图6设计的基于FPGA的波导开关远程装置已经能够实现了波导开关的状态采集与手动倒换，但是在实际使用时，由于波导开关大部分连接的是高功放等设备，在进行波导开关的倒换时，可能会产生比较大的反射功率，该反射功率进入功放后可能会对高功放造成损害。因此，在进一步设计时，需要在进行手动倒换时加入对功放输出功率的控制电路，使我们在进行波导开关倒换时能够对高功放的输出功率进行抑制，避免对功放造成损害。同时，鉴于FPGA开发板具有串口采集和以太网功能，因此，可以通过FPGA开发板采集地球站上下行信号进行处理，实现波导开关的自动倒换功能。