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解   决  方  案

                                                                 一体化集成在航空铝腔体内，实现了整机的轻小型化。
                                                                (1)  3、伪码快速捕获算法
                式中：F n 为系统各级噪声系数；G为各级额定功率增益。                         为确保通信天线在运动的浮标平台上能闭环跟踪卫星前向
                                                                 信号，中继通信机需实时向天线伺服跟踪机构提供前向信号信
            根据计算结果可知，接收前端噪声系数约为2.4dB，增益大于
                                                                 噪比，作为跟踪卫星的依据。因此，天线捕获和跟踪卫星前向
            120dB。
                                                                 信号的过程对中继通信机的解扩速度提出了较高的要求。
                测试结果表明，前向接收灵敏度为-118dBm，动态范围大于
                                                                     在前向扩频信号解扩过程中，由于伪码相位和载波频率的
            65dB，符合中继通信前向链路预算指标要求。                               不确定性，捕获过程需要完成对伪码相位和载波频率的二维搜
                （3）功率放大器返向链路射频前端完成返向调制信号的功                       索。二维时域串行搜索耗时长，并行频率搜索和并行伪码搜索
            率放大，保证返向发射功率满足中继卫星返向接收所需的Eb/N0                       耗时短   [12] ，是目前常用快速捕获算法。考虑到地球同步轨道
            值。PA电路主要包括带通滤波器、前级放大器、驱动放大器、                         卫星的多普勒频偏较小，需要搜索的频点比伪码相位的搜索点
            末级PA、隔离器、加电延时控制电路，如图4所示。功率放大器                        少，因此，并行伪码搜索算法更适用于浮标S波段中继通信机的
                                                                 解扩。
            采用多级放大器级联结构，保证了放大器全温度范围内的增益
                                                                     基于FFT的并行伪码捕获流程如图5所示，捕获程序以一定
            平坦度。
                                                                 的频率步进对所有可能的载波频点进行串行搜索。在每一个频
             图4 功率放大器电路结构                                        点上，利用FFT运算对所有伪码相位进行并行搜索。
                                                                  图5 伪码快速捕获流程图











                由图4可知，调制芯片与功率放大器之间的带通滤波器可
            以充分抑制调制信号的杂散和各次谐波，各级放大器输入、输
            出端均设计了50Ω的微带线匹配电路。末级PA采用GaN器件，最
            终可将0dBm返向调制信号放大为25W的调制信号。PA电路带内增
            益48dB，常温（+20℃）下的增益平坦度＜0.8dB，有效带宽为
            10MHz。此外，输出端隔离器能稳定输入输出端的驻波比和简化
            匹配电路，防止功率放大器输出端短时空载。
                功率放大器单元有输入信号时的功耗比没有输入信号时的
            功耗大52.8W，可知放大器转换效率可达47%。高效率放大器在                          为了搜索N个伪码相位，时域串行搜索需要做N次相关，共
            保证返向链路余量的同时，严格控制了中继通信机整机功耗，                          需N2次乘法。而将时域内的相关运算变换到频域内的相乘后，
            适用于锂电池供电的小型浮标平台。                                     搜索所有伪码相位只需要做一次FFT变换和FFT逆变换，乘法数
                2、收发隔离度设计                                        变为2Nlog2N。整个搜索过程的乘法运算次数大大减少，实现了
                考虑到S波段中继通信机返向发射功率大，收发链路工作频                       对卫星前向信号的快速捕获。为了方便内插和抽取，运算采样
            率间隔（200MHz）小，中继通信机设计时需保证返向信号及其                       数据点数N取2048。多普勒频偏搜索步进为800Hz，搜索频偏范
            调制谱边带功率在前向接收射频前端入口有较高的抑制度。否                          围为4kHz。中继通信机采用Xilinx公司得FPGA高速并行处理中
            则，前向接收LNA输入功率容易饱和，进而导致接收射频前端的                        频信号，一次扩频信号的捕获过程最多需要50ms。
            信噪比严重恶化，甚至造成前向链路通信中断。由此，除了依                              完成捕获后，最大伪码相关值与不同频率伪码相关值累
            靠天线的交叉极化，中继通信机还需要在收发前端之间加入高                          加平均后的平均相关值的比值，可得到接收到的卫星信号信噪
            品质的双路滤波器。为保证S波段中继通信机能正常接收前向链                         比，能够反映接收到卫星信号强度。伺服机构的ARM控制器根据
            路信号，收发抑制度ATR应满足式（2）的值              [11] 。            该强度值驱动伺服机构调整天线指向，完成对卫星信号的捕获
                A TR =L+10log(B)+S T -Sens-CCR                       (2)  和跟踪处理。
                式中：L为大功率单载波信号在接收信号频点处的相位噪
                                                                     三、性能指标和试验结果
            声，测试知L的值为-150dBc/Hz；B为前向链路带宽，6MHz；S T
            为返向发射信号功率，44.0dBm；Sens为前向链路射频前端灵敏                        如 表 2 所 示 ， 与 B G A N 商 用 业 务 L 频 段 中 继 通 信 机
            度，-118dBm，允许灵敏度在双工工作状态下有3dB的下降；CCR                   Explorer527 [13] 相比，S波段中继通信机在大幅提高通信速率的
            为共信道抑制比，-8dB。计算得到腔体滤波器的衰减抑制ATR需                      情况下，具有轻小型化的特点。由于S波段中继通信机的发射功
            达到85dB。                                              率远大于Explorer527，导致总功耗也偏大，总功放转换小效率
                由矢量网络分析仪的测试结果可知，实际使用的腔体滤波                        来看，S波段中继通信机完成了低功耗设计。同时，S波段中继
            器收发抑制度均大于-92.0dB，满足上述全双工通信的隔离度要                      通信机的发射和接收链路单元性能优异，如表3所示。其中发射
            求。                                                   链路单元发射功率大，调制信号质量高（如图6所示），是保证
                S波段中继通信机通过优化电路和结构设计，将各功能单元                       返向2Mbps速率通信的必要条件。同时，在双路滤波器的努力


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