CN103957047A - 一种Ka频段低功耗小型化信道 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种Ka频段低功耗小型化信道，包括公共通道、第一通道、第二通道、公共本振、第一通道本振和第二通道本振，通过对公共本振与第一、第二通道本振的频点设计以及公共通道、第一、第二通道的构架设计，简化了双通道变频信道的通道数量与本振数量，节省了有源器件的使用数量，大大降低了信道功耗，实现了信道的小型化设计，形成Ka频段低功耗、高动态、低杂散、双通道小型化接收信道；此外本发明对两个通道中的自动增益放大器进行了创新设计，利用基带处理现有资源，采用模拟、数字相结合的方式实现了自动增益可控放大，减少了检波器和A/D采样器的数量，节约了资源，降低了成本，并大大提高了精度。

Description

一种Ka频段低功耗小型化信道
技术领域
本发明涉及一种Ka频段低功耗小型化信道，属于测控技术领域。
背景技术
高速飞行器对遥测系统的信息处理能力和抗“黑障”能力提出更高的要求，因此遥测系统对调制码速率，设备电磁兼容性能以及设备的通用灵活性等要求逐步提高，调制码速率由传统的2Mbps提升至10Mbps，对模拟信道带宽要求提高至20MHz以上，射频通道数增加，要求能同时处理两个通道不同频率的Ka频段信号。
传统的遥测信道有两个缺点，不利于飞行器上使用：
1.信道结构独立设计，接插件连接复杂，使信道结构尺寸过大，无法适应弹载轻质化，小型化的要求。
2.多通道各自功能独立，电子元器件使用量大，功耗大，增加了系统电池的输出负担和对整机散热需求高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种Ka频段低功耗小型化信道，该小型化通道简化了双通道变频信道的通道数量与本振数量，节省了有源器件的使用数量，大大降低了信道功耗和信道尺寸，实现了信道的低功耗小型化设计。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种Ka频段低功耗小型化信道，包括公共通道、第一通道、第二通道、公共本振、第一通道本振和第二通道本振，其中：
公共通道：接收外部输入的Ka频段信号和公共本振输入的大步进本振信号fL0，将Ka频段信号放大后与所述大步进本振信号fL0进行正交混频为两路差分中频信号，将其中一路中频信号90°移相，与另一路中频信号合成为一路信号fIF，并将信号fIF同相分为两路信号，分别输出给第一通道和第二通道，其中所述Ka频段信号中包括in1和in2两种信号；
第一通道：接收第一通道本振输入的小步进本振信号fL1和公共通道输入的包括in1和in2两种信号的信号fIF，混频至基带得到信号fout，将信号fout中的in2信号滤除得到信号fout1，将信号fout1进行AGC放大后向外输出；
第二通道：接收第二通道本振输入的小步进本振信号fL2和公共通道输入的包括in1和in2两种信号的信号fIF，混频至基带得到信号fout，将信号fout中的in1信号滤除得到信号fout2，将信号fout2进行AGC放大后向外输出；
公共本振：接收外部输入的参考信号产生大步进本振信号fL0，输出给公共通道；
第一通道本振：接收外部输入的参考信号产生小步进本振信号fL1，输出给第一通道；
第二通道本振：接收外部输入的参考信号产生小步进本振信号fL2，输出给第二通道；
其中大步进本振信号fL0的步进至少为小步进本振信号fL1或fL2的步进的100倍。
在上述Ka频段低功耗小型化信道中，公共通道包括放大器、正交混频器、90°电桥和分路器，其中放大器接收外部输入的Ka频段信号，将Ka频段信号放大后输出给正交混频器；正交混频器接收公共本振输出的大步进本振信号fL0和放大后的Ka频段信号，进行正交混频为两路差分中频信号，并输出给90°电桥；90°电桥将其中一路中频信号90°移相，与另一路中频信号合成为一路信号fIF，并将信号fIF输出给分路器；分路器将信号fIF同相分为两路信号，分别输出给第一通道和第二通道。
在上述Ka频段低功耗小型化信道中，第一通道包括第一混频器、第一通道隔离滤波器和第一自动增益可控放大器，其中第一混频器接收第一通道本振输入的本振信号fL1和公共通道输入的包括in1和in2两种信号的信号fIF，混频至基带得到信号fout，将信号fout输出给第一通道隔离滤波器；第一通道隔离滤波器将信号fout中的in2信号滤除得到信号fout1，并将信号fout1输出给第一自动增益可控放大器；第一自动增益可控放大器将信号fout1进行AGC放大后向外输出。
在上述Ka频段低功耗小型化信道中，第一增益可控放大器包括压控增益放大器、基带信号A/D采样器、控制信号D/A变换器和数字信号处理器，其中：压控增益放大器接收第一通道隔离滤波器输出的信号fout1后按照设定的放大倍数N1进行放大，并将放大后的信号输出给基带信号A/D采样器；基带信号A/D采样器接收放大后的信号进行模数变换，得到数字信号输出给数字信号处理器；数字信号处理器对接收的数字信号进行分析，根据预存的基带信号A/D采样器规定的功率值，确定需要放大的倍数N1，并将放大倍数N1以数字信号的形式输出给控制信号D/A变换器；控制信号D/A变换器对所述数字信号进行数模转换，得到含放大倍数N1信息的模拟信号输出给压控增益放大器。
在上述Ka频段低功耗小型化信道中，第二通道包括第二混频器、第二通道隔离滤波器和第二自动增益可控放大器，其中第二混频器接收第二通道本振输入的本振信号fL2和公共通道输入的包括in1和in2两种信号的信号fIF，混频至基带得到信号fout，将信号fout输出给第二通道隔离滤波器；第二通道隔离滤波器将信号fout中的in1信号滤除得到信号fout2，并将信号fout2输出给第二自动增益可控放大器；第二自动增益可控放大器将信号fout2进行AGC放大后向外输出。
在上述Ka频段低功耗小型化信道中，第二增益可控放大器包括压控增益放大器、基带信号A/D采样器、控制信号D/A变换器和数字信号处理器，其中：压控增益放大器接收第二通道隔离滤波器输出的信号fout2后按照设定的放大倍数N2进行放大，并将放大后的信号输出给基带信号A/D采样器；基带信号A/D采样器接收放大后的信号进行模数变换，得到数字信号输出给数字信号处理器；数字信号处理器对接收的数字信号进行分析，根据预存的基带信号A/D采样器规定的功率值，确定需要放大的倍数N2，并将放大倍数N2以数字信号的形式输出给控制信号D/A变换器；控制信号D/A变换器对所述数字信号进行数模转换，得到含放大倍数N2信息的模拟信号输出给压控增益放大器。
在上述Ka频段低功耗小型化信道中，公共本振由第一鉴相器、第一环路滤波器、第一压控振荡器和第一分频器组成，其中第一鉴相器的鉴相频率为100MHz的整数倍。
在上述Ka频段低功耗小型化信道中，第一、第二通道本振均由第二鉴相器、第二环路滤波器、第二压控振荡器和第二分频器组成，其中第二鉴相器的鉴相频率为1MHz的整数倍。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)、本发明对Ka频段信道进行了创新设计，通过对公共本振与第一、第二通道本振的频点设计以及公共通道、第一、第二通道的构架设计，简化了双通道变频信道的通道数量与本振数量，节省了有源器件的使用数量，大大降低了信道功耗，实现了信道的小型化设计，形成Ka频段低功耗、高动态、低杂散、双通道小型化接收信道；
(2)、本发明对两个通道中的自动增益放大器进行了创新设计，利用基带处理现有资源，采用模拟、数字相结合的方式实现了自动增益可控放大，减少了检波器和A/D采样器的数量，节约了资源，降低了成本，并大大提高了精度，试验表明采用本发明信道环境温度变化100℃的情况下动态高达50dB以上，增益控制精度优于1dB。
(3)、本发明Ka频段变频采用正交下变频方式将信号变频为两路的差分信号，再通过90°电桥将两路信号进行合成，避免使用Ka频段滤波器，在避免使用Ka频段滤波器的条件下，有效抑制镜频信号和噪声，避免了传统方法中为了抑制镜频信号和镜频噪声采用在混频前加滤波器的方式，Ka频段微带滤波器损耗大的缺陷。
(4)、本发明将信道超外差二次变频技术和本振多环外插低相噪频率合成技术结合起来，以达到提高信道内本振相位噪声同时简化本振设计的目标。
(5)、本发明大大减小了信道体积，该小型化的信道非常有利于减小产品体积和热耗，使之更适合在密闭、小型、高速的飞行器上使用，有效完成遥测数据流的接收；大量试验表明信道增益可高达75dB以上，带外谐杂波抑制大于50dB，尺寸小于120mm×120mm×24mm，功耗小于6W。
附图说明
图1为本发明Ka频段低功耗小型化信道原理图；
图2为本发明Ka频段低功耗小型化信道中简化本振设计原理图；
图3为本发明Ka频段低功耗小型化信道中自动可控增益放大器原理图；
图4为本发明正交混频器的实现原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
如图1所示为本发明Ka频段低功耗小型化信道原理图，由图可知本发明Ka频段低功耗小型化信道包括公共通道、第一通道、第二通道、公共本振、第一通道本振和第二通道本振。
本发明上级测控系统要求的两个通道Ka频段工作频率和基带工作频率固定，采用超外差式二次变频设计，进行组合频率计算将中频频率调整至所选频率，确保无组合频率落在工作频段内，适当展宽Ka频段及中频的信道带宽，在Ka频段及中频将两个通道的信号统一变频放大后分为两通道，选择不同的通道本振频率将含有两通道的信号混频至基带，用通道隔离滤波器将无用通道的信号滤除后将有用信号进行AGC放大，具体实现如下：
公共通道包括放大器、正交混频器、90°电桥和分路器，其中放大器接收外部输入的Ka频段信号，将Ka频段信号放大后输出给正交混频器；正交混频器接收公共本振输出的大步进本振信号fL0和放大后的Ka频段信号，进行正交混频为两路差分中频信号，并输出给90°电桥；90°电桥将其中一路中频信号90°移相，与另一路中频信号合成为一路信号fIF，并将信号fIF输出给分路器；分路器将信号fIF同相分为两路信号，分别输出给第一通道和第二通道。其中Ka频段信号中包括in1和in2两种信号。
如图4所示为本发明正交混频器的实现原理图，由图可知镜频信号、镜频噪声和RF信号输入通过90°桥分为两路，本振信号功分为两路，本振信号与输入信号混频后得到包含不同信息的多种中频信号分量，通过中频的90°桥将中频分量相加或相减后，中频电桥一端仅输出有用的射频信号与本振混频得到的中频信号，另一端仅输出镜频(信号+噪声)与本振混频得到的中频信号。这种设计方法可不采用Ka频段滤波器而有效抑制镜频，由于Ka频段信号的波长短对镜频抑制中的关键组成混频器和电桥的对称性、一致性要求较高，工程应用无法和理论推算完全一致，本发明最终实现的镜频信号抑制为20dB，噪声系数与采用常规镜频滤波方案的一致，未造成噪声系数的恶化，经系统测试满足接收灵敏度要求。
如图1所示第一通道包括第一混频器、第一通道隔离滤波器和第一自动增益可控放大器，其中第一混频器接收第一通道本振输入的本振信号fL1和公共通道输入的包括in1和in2两种信号的信号fIF，混频至基带得到信号fout，将信号fout输出给第一通道隔离滤波器；第一通道隔离滤波器将信号fout中的in2信号滤除得到信号fout1，并将信号fout1输出给第一自动增益可控放大器；第一自动增益可控放大器将信号fout1进行AGC放大后向外输出。
第二通道包括第二混频器、第二通道隔离滤波器和第二自动增益可控放大器，其中第二混频器接收第二通道本振输入的本振信号fL2和公共通道输入的包括in1和in2两种信号的信号fIF，混频至基带得到信号fout，将信号fout输出给第二通道隔离滤波器；第二通道隔离滤波器将信号fout中的in1信号滤除得到信号fout2，并将信号fout2输出给第二自动增益可控放大器；第二自动增益可控放大器将信号fout2进行AGC放大后向外输出。
如图2所示为本发明Ka频段低功耗小型化信道中简化本振设计原理图，其中公共本振接收外部输入的参考信号产生大步进本振信号fL0，输出给公共通道。公共本振具体包括第一鉴相器、第一环路滤波器、第一压控振荡器和第一分频器，其中第一鉴相器的鉴相频率为100MHz的整数倍。
第一通道本振接收外部输入的参考信号产生小步进本振信号fL1，输出给第一通道。第二通道本振接收外部输入的参考信号产生小步进本振信号fL2，输出给第二通道。其中第一、第二通道本振均包括第二鉴相器、第二环路滤波器、第二压控振荡器和第二分频器，其中第二鉴相器的鉴相频率为1MHz的整数倍。
公共本振产生的大步进本振信号fL0的步进至少为第一通道本振或第二通道本振产生的小步进本振信号fL1或fL2的步进的100倍。
如图2所示，本发明二次变频的两个本振频点设计为：公共本振输出的信号fL0频率是Ka频段100MHz的整数倍，第一、第二通道本振输出的信号fL1、fL2频率是S频段1MHz的整数倍，将传统的多环外插提高小步进Ka频段本振相噪的设计方式，改为利用信道必须的混频与单环本振相结合的工作模式实现Ka频段信道本振小步进低相噪的目标，经测试本发明接收通道的相位噪声优于：
≤-85@偏移载波1kHz处；
≤-90@偏移载波10kHz处；
≤-95@偏移载波100kHz处。
如图3所示为本发明Ka频段低功耗小型化信道中自动可控增益放大器原理图，由图可知第一增益可控放大器包括压控增益放大器、基带信号A/D采样器、控制信号D/A变换器和数字信号处理器，其中：压控增益放大器接收第一通道隔离滤波器输出的信号fout1后按照设定的放大倍数N1进行放大，并将放大后的信号输出给基带信号A/D采样器；基带信号A/D采样器接收放大后的信号进行模数变换，得到数字信号输出给数字信号处理器；数字信号处理器对接收的数字信号进行分析，根据预存的基带信号A/D采样器规定的功率值，确定需要放大的倍数N1，并将放大倍数N1以数字信号的形式输出给控制信号D/A变换器；控制信号D/A变换器对所述数字信号进行数模转换，得到含放大倍数N1信息的模拟信号输出给压控增益放大器。
第二增益可控放大器包括压控增益放大器、基带信号A/D采样器、控制信号D/A变换器和数字信号处理器，其中：压控增益放大器接收第二通道隔离滤波器输出的信号fout2后按照设定的放大倍数N2进行放大，并将放大后的信号输出给基带信号A/D采样器；基带信号A/D采样器接收放大后的信号进行模数变换，得到数字信号输出给数字信号处理器；数字信号处理器对接收的数字信号进行分析，根据预存到的基带信号A/D采样器规定的功率值，确定需要放大的倍数N2，并将放大倍数N2以数字信号的形式输出给控制信号D/A变换器；控制信号D/A变换器对所述数字信号进行数模转换，得到含放大倍数N2信息的模拟信号输出给压控增益放大器。
放大倍数N1、N2由数字信号处理器确定，即输出信号fout1、fout2按照设定的放大倍数放大后得到基带信号A/D采样器规定的功率值。
本发明整合现有技术，优化产品设计，提供一种弹载Ka频段高动态、低相位噪声、低杂散的双通道小型化信道的设计方法。该信道增益可高达75dB以上，AGC(自动增益控制)放大动态范围50dB，环境温度100℃变化范围内控制精度达1dB，带外谐杂波抑制大于50dB，尺寸小于120mm×120mm×24mm，功耗小于6W。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种Ka频段低功耗小型化信道，其特征在于：包括公共通道、第一通道、第二通道、公共本振、第一通道本振和第二通道本振，其中：
公共通道：接收外部输入的Ka频段信号和公共本振输入的大步进本振信号fL0，将Ka频段信号放大后与所述大步进本振信号fL0进行正交混频为两路差分中频信号，将其中一路中频信号90°移相，与另一路中频信号合成为一路信号fIF，并将信号fIF同相分为两路信号，分别输出给第一通道和第二通道，其中所述Ka频段信号中包括in1和in2两种信号；
第一通道：接收第一通道本振输入的小步进本振信号fL1和公共通道输入的包括in1和in2两种信号的信号fIF，混频至基带得到信号fout，将信号fout中的in2信号滤除得到信号fout1，将信号fout1进行AGC放大后向外输出；
第二通道：接收第二通道本振输入的小步进本振信号fL2和公共通道输入的包括in1和in2两种信号的信号fIF，混频至基带得到信号fout，将信号fout中的in1信号滤除得到信号fout2，将信号fout2进行AGC放大后向外输出；
公共本振：接收外部输入的参考信号产生大步进本振信号fL0，输出给公共通道；
第一通道本振：接收外部输入的参考信号产生小步进本振信号fL1，输出给第一通道；
第二通道本振：接收外部输入的参考信号产生小步进本振信号fL2，输出给第二通道；
其中大步进本振信号fL0的步进至少为小步进本振信号fL1或fL2的步进的100倍。
2.根据权利要求1所述的一种Ka频段低功耗小型化信道，其特征在于：所述公共通道包括放大器、正交混频器、90°电桥和分路器，其中放大器接收外部输入的Ka频段信号，将Ka频段信号放大后输出给正交混频器；正交混频器接收公共本振输出的大步进本振信号fL0和放大后的Ka频段信号，进行正交混频为两路差分中频信号，并输出给90°电桥；90°电桥将其中一路中频信号90°移相，与另一路中频信号合成为一路信号fIF，并将信号fIF输出给分路器；分路器将信号fIF同相分为两路信号，分别输出给第一通道和第二通道。
3.根据权利要求1所述的一种Ka频段低功耗小型化信道，其特征在于：所述第一通道包括第一混频器、第一通道隔离滤波器和第一自动增益可控放大器，其中第一混频器接收第一通道本振输入的本振信号fL1和公共通道输入的包括in1和in2两种信号的信号fIF，混频至基带得到信号fout，将信号fout输出给第一通道隔离滤波器；第一通道隔离滤波器将信号fout中的in2信号滤除得到信号fout1，并将信号fout1输出给第一自动增益可控放大器；第一自动增益可控放大器将信号fout1进行AGC放大后向外输出。
4.根据权利要求3所述的一种Ka频段低功耗小型化信道，其特征在于：所述第一增益可控放大器包括压控增益放大器、基带信号A/D采样器、控制信号D/A变换器和数字信号处理器，其中：压控增益放大器接收第一通道隔离滤波器输出的信号fout1后按照设定的放大倍数N1进行放大，并将放大后的信号输出给基带信号A/D采样器；基带信号A/D采样器接收放大后的信号进行模数变换，得到数字信号输出给数字信号处理器；数字信号处理器对接收的数字信号进行分析，根据预存的基带信号A/D采样器规定的功率值，确定需要放大的倍数N1，并将放大倍数N1以数字信号的形式输出给控制信号D/A变换器；控制信号D/A变换器对所述数字信号进行数模转换，得到含放大倍数N1信息的模拟信号输出给压控增益放大器。
5.根据权利要求1所述的一种Ka频段低功耗小型化信道，其特征在于：所述第二通道包括第二混频器、第二通道隔离滤波器和第二自动增益可控放大器，其中第二混频器接收第二通道本振输入的本振信号fL2和公共通道输入的包括in1和in2两种信号的信号fIF，混频至基带得到信号fout，将信号fout输出给第二通道隔离滤波器；第二通道隔离滤波器将信号fout中的in1信号滤除得到信号fout2，并将信号fout2输出给第二自动增益可控放大器；第二自动增益可控放大器将信号fout2进行AGC放大后向外输出。
6.根据权利要求5所述的一种Ka频段低功耗小型化信道，其特征在于：所述第二增益可控放大器包括压控增益放大器、基带信号A/D采样器、控制信号D/A变换器和数字信号处理器，其中：压控增益放大器接收第二通道隔离滤波器输出的信号fout2后按照设定的放大倍数N2进行放大，并将放大后的信号输出给基带信号A/D采样器；基带信号A/D采样器接收放大后的信号进行模数变换，得到数字信号输出给数字信号处理器；数字信号处理器对接收的数字信号进行分析，根据预存的基带信号A/D采样器规定的功率值，确定需要放大的倍数N2，并将放大倍数N2以数字信号的形式输出给控制信号D/A变换器；控制信号D/A变换器对所述数字信号进行数模转换，得到含放大倍数N2信息的模拟信号输出给压控增益放大器。
7.根据权利要求1所述的一种Ka频段低功耗小型化信道，其特征在于：所述公共本振由第一鉴相器、第一环路滤波器、第一压控振荡器和第一分频器组成，其中第一鉴相器的鉴相频率为100MHz的整数倍。
8.根据权利要求1所述的一种Ka频段低功耗小型化信道，其特征在于：所述第一、第二通道本振均由第二鉴相器、第二环路滤波器、第二压控振荡器和第二分频器组成，其中第二鉴相器的鉴相频率为1MHz的整数倍。
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