X频段高速数传通信机的设计与实现

摘要

微小卫星具有成本低、功能密度大、灵活性高及研制周期短等优点，在航天、通信、遥感及微系统等诸多领域得到了广泛应用。作为卫星的核心模块，星载通信机是实现卫星与地面间遥测、遥控、测距、测速和数传等功能的关键。同时，随着卫星任务的增多，卫星需要传输的数据量越来越大，对星载通信机数传速率的要求也越来越高。因此，研制一款适用于微小卫星的高速、小型化、低功耗和集成化的星载通信机具有重要意义。
　　针对现阶段的应用需求，本文设计并实现了一款工作于X频段的星载通信机。该通信机集成了测控和高速数传功能，包含测控收发、数传发射和数字处理三个模块。测控收发部分采用了一次下变频、带通欠采样的外差式接收机结构和两次上变频的发射机结构。根据高速数传的功能要求，数传发射部分的硬件链路采用了直接调制结构，调制和上变频均在集成的I/Q调制器芯片中完成。为保证信息传输的正确性，本文探索了适用于高速数字通信的信道编码技术—LDPC编码，并参照CCSDS标准，对LDPC(8160，7136)码进行了编码实现。为使数传发射链路的输出功率保持稳定，本文提出了基于数字衰减器和微带线耦合器的闭环功率控制方案。经高低温验证，在-30℃～+70℃温度环境下，数传输出功率的波动小于1dB。
　　X频段高速数传通信机的面积为180mm×174mm，质量约259g，功耗小于8.9W。经测试，测控收发模块的接收机灵敏度为-112dBm，动态范围大于60dB，测控发射功率为24dBm，测距误差小于0.8m，测速误差小于0.3cm/s，能够达到较好的测距测速效果。数传模块的最高码速率可达到100Mbps，调制信号的EVM值小于7.94％，幅度误差小于0.5dB，相位误差小于3.29°，各项指标良好。测试结果表明X频段高速数传通信机同时具有测控和高速数传功能，满足小型化、低功耗、高速和集成化的微小卫星工程应用需求。

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摘要

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附表清单

1 绪论

1．1 研究背景与现状

1．1．1 微小卫星的研究背景与现状

1．1．2 星载通信机的研究背景与现状

1．2 研究目的与意义

1．3 论文工作与章节安排

2 X频段高速数传通信机总体架构

2．1 X频段高速数传通信机的需求

2．2 硬件总体方案

2．2．1 测控收发方案

2．2．2 数传发射方案

2．2．3 数字处理模块

2．3 软件总体方案

2．4 本章小结

3 X频段高速数传通信机硬件系统设计与实现

3．1 测控收发链路

3．1．1 指标分析

3．1．2 测控收发链路结构

3．1．3 指标核算

3．2 数传发射链路

3．2．1 数传发射链路结构

3．2．2 关键元器件特性

3．2．3 数传发射链路增益分析

3．3 数传功率控制的硬件设计

3．4 数字处理模块

3．4．1 基带数字处理单元

3．4．2 监控单元

3．5 本章小结

4 数传信道编码的研究与实现

4．1 信道编码的分析与选择

4．2 LDPC编码原理

4．2．1 LDPC码的定义

4．2．2 LDPC码的编码方法

4．3 LDPC编码的硬件实现

4．3．1 串行编码方案

4．3．2 并行编码方案

4．3．3 LDPC编码仿真

4．4 本章小结

5 系统实现与测试

5．1 软件设计与整合

5．1．1 数传功率控制软件的实现

5．1．2 系统软件整合与实现

5．2 硬件平台与测试方案介绍

5．2．1 硬件平台

5．2．2 测试方案

5．3 系统测试结果

5．3．1 测控收发模块测试

5．3．2 数传射频性能测试

5．3．3 数传EVM及不平衡度测试

5．3．4 数传地面解码测试

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 本文总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简介