星载相控阵收发信机应用及工程实现研究

纪春国

中国科学院微小卫星创新研究院 上海 200000

引言

星载相控阵收发信机主要用于将调制后的KA频段射频信号传输至地面数据接收站，实现信号波束指向在一定区域内的电扫，同时具备接收、解调地面终端上行信号的功能[1]。本论文对星载相控阵收发信机进行了方案设计，包括单机组成功能、关键部件设计原理、设备接口设计等内容。

1 星载相控阵收发信机系统设计

1.1 星载相控阵收发信机组成

星载相控阵收发信机是卫星数传分系统的重要组成部分，由KA波段阵列天线、射频单元、基带处理板组成，其中，射频单元由576个相控阵发射通道、单接收通道、电源模块、本振时钟等组成[2]。

1.2 星载相控阵收发信机发送流程

星载相控阵收发信机的发送流程为：基带处理板接收卫星平台轨道、姿态、地面站位置等信息，进行波束指向解算，生成相位控制信号，对射频单元的发射通道进行移相控制，射频单元的发射通道接收来自多路复接的KA频段已调制信号，经功分、576个发射通道移相放大后送给576个发射天线。

1.3 星载相控阵收发信机接收流程

星载相控阵收发信机的接收流程为：KA频段接收天线接收上行信号后送入射频单元，由其对该射频信号进行下变频、滤波、放大并进行AGC处理后送给基带处理板260MHz的中频信号，由基带处理板完成上行信号的解调后，根据消息的类型，将上行消息通过总线转发给星务计算机，或通过串口发送给智能处理载荷[3]。

1.4 星载相控阵收发信机射频单元

射频单元同时为基带处理板提供80MHz的时钟信号，基带处理板实现对射频单元遥测的采集及OC控制，并通过1553B总线与星务通信，完成整机的遥控遥测功能。

图1 星载相控阵收发信机系统组成及信号流图

2 星载相控阵收发信机射频单元设计

2.1 相控阵收发信机射频发射通道设计

相控阵天线阵列按照离轴角45度时增益为30.7dB进行按照估算，阵面初步设计采用24×24矩阵结构，阵元数量为576。考虑系统EIRP设计一定裕量，单元放大器输出功率≥19dBm。发射阵面设计为方阵排列，为避免出现栅瓣，最大单元间距的限制应为，λ为波长，为最大扫描角，阵元间距6.5mm。

相控阵天线主要由576发射相控阵与单通道接收组成。发射与接收共用一次电源母线输入[4]。整个相控阵单机由功分放大单元、有源T模块、单接收通道、分配单元、电源单元以及散热板共六部分组成。

2.2 相控阵收发信机射频接收通道设计

射频接收单元将天线接收到的上行射频信号进行低噪声放大、带通滤波、下变频处理、AGC放大后，输出功率恒定的中频信号供基带模块的AD进行数字化采集，同时还提供接收本振锁定指示遥测、AGC遥测[5]。①下变频组件主要包含接收通道、时钟电路、本振源电路和电源电路四个部分。②接收通道：实现上行信号的下变频、带通滤波、中频放大、AGC处理后输出中频信号。③时钟电路：利用恒温晶振生成时钟信号，经功分放大后分别提供给本振源电路和基带。④本振源电路：生成下变频所需本振源信号基频。⑤电源电路：将外部提供的工作电压稳压滤波后输出给各功能单元，同时具备开关机控制功能。

2.2.1 接收通道电路设计。接收通道电路主要由下变频模块、中频放大电路等部分组成。

2.2.2 时钟电路设计。时钟电路的功能是通过恒温晶振生成80MHz的时钟信号，再经过功分放大电路输出两路，一路提供给基带，一路提供给本振源电路作为参考信号。

晶振选择恒温晶振，主要技术指标如下：①输出频率：80MHz；②电源电压：+12V±%5直流电源；③基准温度下初始准确度：≤|±5×10-7|；④频率温度稳定度；≤|±1×10-7|；⑤输出波形：正弦波；⑥输出功率：12 dBm±2dBm。

2.2.3 本振源电路设计。本振源电路功能是利用PLS输出下变频所需的本振基频信号，同时输出PLS锁定指示电平。

3 相控阵收发信机基带硬件设计

基带模块主要通过双冗余1553B总线接收卫星平台发送过来的轨道、姿态、时间等信息，结合用户位置报告，进行波束指向解算，生成相位控制信号，对移相模块进行移相控制；接收上行点播信号，与智能图像处理单元进行通讯；具备遥控遥测功能；并具备上注功能。其外部接口主要包括中频输入接口和中频时钟输出接口；其内部接口主要有KA移相通道接口、1553B总线接口、与智能图像处理单元通信接口、接收上行点播功能接口，遥测遥控功能接口，上注功能接口和调试功能接口[6]。

基带处理板主要通过双冗余1553B总线接收卫星平台发送过来的轨道、姿态、时间等信息，结合用户位置报告，进行波束指向解算，生成相位控制信号，对移相模块进行移相控制；接收上行点播信号，与智能图像处理单元进行通讯；具备遥控遥测功能；并具备上注功能。

3.1 接收通道（中频ADC）设计

接收通道的中频260MHz，带宽40M，采样率为80MHz。接收通道设计采用ADC芯片SAD2208，以采样率80MHz采样40M带宽信号。

3.2 KA相移通道设计

KA相移通道采用SPI的接口方式，电平为TTL，通信速率为10Mbps。由FPGA芯片直接控制经过B54ACS164245芯片进行电平转换（3.3V转5V）输出。

3.3 1553B总线设计

1553B总线功能采用双冗余1553B总线方式，通信速率为1Mbps，由FPGA芯片（JFM7K325T-C）通过电平转换芯片（B54ACS164245）控制1553B芯片（B61580RH）。

3.4 FPGA电路设计

3.4.1 FPGA硬件接口设计。基带处理板功能包括：①与接收通道中频数据和时钟的输入接口；②与KA频段移相通道数据传输；③与星务计算机的1553B总线数据通信和OC指令；④模拟量采集；⑤⑥接收刷新芯片的刷新；⑦看门狗芯片控制；⑧与DSP之间EMIF接口通信。

3.4.2 FPGA芯片资源介绍。FPGA器件采用复旦微电子公司JFM7K325T，器件资源如下：①可配置逻辑块：326080个逻辑单元，108300个Slice 数，3600个DSP；②块RAM：2940个18KB，最大Block RAM为52920Kbits。

3.5 DSP电路设计

基带处理板DSP系统主要完成波束解算、组帧、生成相位控制信号。

3.5.1 DSP硬件接口设计。①与星务计算机接口；②与FPGA直接的信号传输；③数据存储SRAM；④程序存储NOR FLASH。

3.5.2 DSP芯片资源介绍。①供电电压： IO电压3.3V；核电压1.9V；②片上SRAM： 1Mbit；③EMIF数据线:32bit。

3.5.3 DSP外部程序存储器设计。

3.5.4 DSP外部数据存储器设计。

3.6 FPGA刷新电路设计

刷新FPGA用于实现对SRAM型FPGA芯片的动态加载、周期刷新，降低单粒子对设备功能性能的影响。基带处理板具备刷新功能，通过外部刷新芯片对FPGA的配置接口进行刷新来实现。刷新芯片使用复旦微电子的JFMRS01RH，其配备4片Flash用于存储程序。

3.7 模拟量采集电路设计

模块量采集的ADC前端采用多路选择器CC4067芯片，模拟量采集ADC芯片B9243，通过多路选择器的地址线（FPGA控制）控制哪路到达输出端。

4 相控阵收发信机软件设计

软件开发基于基带硬件平台进行开发，主要处理器含1片JFM7K325T FPGA以及一片FT-C6701 DSP，其中FPGA完成数字通道功能、捕获、跟踪、通道分配以及解调、帧同步、译码及数据缓存、模拟量采集、看门狗、串口等接口管理工作。DSP则完成协议解析、组帧、波控解算、刷新管理、遥控遥测等工作，软件流如图2所示。

图2 相控阵收发信机软件信号流

4.1 相控阵收发信机FPGA软件设计

FPGA功能要求如下：①完成对AD2208芯片的配置；②接收模拟中频进行采样，完成捕获、跟踪、帧同步后缓存，待DSP来读取；③接收DSP对61580芯片的配置字，通过1553B接口模块完成与61580的交互；④接收DSP送来的波控码，通过SPI接口输出给射频；⑤接收DSP送来的上行解帧后的数据，通过UART协议送给RS422接口芯片；⑥接收DSP送来的射频开关机OC指令，并按照时序输出给OC门电路；⑦通过AD9243实现对模拟量的采集，并缓存数据待DSP来读取；⑧接收禁狗OC指令，实现看门狗功能；⑨EMIF接口功能；DSP与FPGA通信通过EMIF实现；⑩软件参数化设计，对于门限参数可通过指令修改；⑪重要数据做三模处理。

4.2 相控阵收发信机DSP软件设计

DSP控制软件是运行在点播数传硬件平台上，主要完成上行解帧、1553B指令控制、遥测采集、看门狗、波控、重构、刷新、通道校正等，具体功能要求如下：①上行解帧功能：接收FPGA送来的上行译码后的帧，进行解帧处理，将接入请求及点播请求帧写入FPGA，通过UART协议输出，将其余帧与整机遥测通过1553B总线送给星务；②遥控遥测功能：通过1553B接收星务的遥控指令并执行；③完成看门狗及复位功能；④上注功能：智能图像处理通过RS422异步串口接收并缓存上注数据，由DSP通过EMIF总线读取；⑤波控功能，包含指向角计算和波控码解算；⑥刷新管理功能：DSP通过串口对JFMRS01RH进行刷新、重载等管理；⑦通道校正功能：单机通过地面测试，将通道不一致性参数写入DSP程序内。

5 星载相控阵收发信机工程实施结果

通过本方案软硬件设计及工程实施，实现了卫星数传与通信的一体化，产品实物图如图3所示：

图3 相控阵收发信机产品实物图

6 结束语

综上所述，本文对星载相控阵收发信机进行了详细设计与工程实施，实现了波控模块与上行数字解调的一体化设计，各项功能和技术指标符合要求，满足星载通信数传一体化需求。