如何理解矩阵开关&多路耦合器性能参数

在卫星通信的通信过程中,矩阵开关与多路耦合器作为信号传输分配的关键一环不可或缺。那么如何选取矩阵开关和多路耦合器呢?或者说我们怎么通过它们的性能参数判断它们的优劣呢?本文会给你一个答案。

图1 卫星射频链路

1、扇入/扇出

在软件设计中,扇入/扇出分别是指:

  • 扇入:单个逻辑门能够接受的数字信号输入最大量。在软件设计中是指直接调用该模块的上级模块的个数
  • 扇出:单个逻辑门能够驱动的数字信号输入最大量。在软件设计中是指该模块直接调用的下级模块的个数

而在卫星通信中则存在不同,以虹科Novotronik矩阵开关为例,扇入矩阵开关与扇出矩阵开关对应两种结构不同的矩阵开关,分别应用于卫星通信的下行链路之后的信号接收部分与上行链路之前的信号发射部分,分别用于对应该矩阵开关适用频率范围内的集中统一接收传输与集中统一分配传输。

图2. 虹科Novotronik矩阵开关

而与软件设计中扇入/扇出类似对应的则是阻塞/非阻塞,在虹科Novotronik矩阵开关中,阻塞意味着1个输入端口只能传输信号至1个输出端口;而非阻塞指1个输入端口可传输信号至所有输出端口。

阻塞/非阻塞与同步/异步有什么区别呢?根据《操作系统概念》(第9版)通信相关部分中的相关解释,阻塞/非阻塞与同步/异步是同义词。对于虹科Novotronik矩阵开关而言可以进行类似地理解,它们对应的解释如下:

  • 阻塞式发送(Blocking send):发送方进程会被一直阻塞,直到消息被接受方进程收到
  • 非阻塞式发送(Nonblocking send):发送方进程调用 send() 后,立即就可以其他操作
  • 阻塞式接收(Blocking receive):接收方调用 receive() 后一直阻塞,直到消息到达可用
  • 非阻塞式接收(Nonblocking receive):接收方调用 receive() 函数后,要么得到一个有效的结果,要么得到一个空值,即不会被阻塞

2、频率范围

在卫星通信中,卫星和地面的交互会涉及不同的波段,如L波段(1-2GHz)、S波段(2-4GHz)、C波段(4-8GHz)、Ku波段(12-18GHz)、Ka波段(26.5-40GHz)等,每个波段或者不同波段可对应1个或多个矩阵开关或多路耦合器。不同的频率在虹科Novoreonik矩阵开关中分别通过功率合成器和信号功率分配器在扇入/扇出进行传输,可大体分为有损/无损方式传输。

图3(a).m×n全扇入非阻塞矩阵结构拓扑
图3(b)m×n全扇出非阻塞矩阵结构拓扑

3、增益

(1)什么是增益?

一般指的是放大倍数,指输出信号与输入信号之间的比例关系,常与放大器相关联。天线增益则是指在特定方向上能量的集中程度。矩阵开关的增益有什么作用呢?一般是为了无损地输出信号,对于虹科Novotronik非阻塞矩阵开关而言,1个信号输入端口需要将信号传输到所有的输出端口,在传输到各个输出端口的过程中能量不可避免地会降低,要使信号能量能够与输入端口保持一致进行无损传输或增加,会通过放大器等部件对信号进行调整,故而产生增益。

(2)可调增益与固定增益

顾名思义,增益可调,即可调增益。一般有两种情况:MGC和AGC。MGC称为手动增益控制,控制电位器或CPU调整电路的增益。AGC称为自动增益控制,根据输出电平的大小自动调整电路增益。增益10dB可调是指增益允许调整的范围。

固定增益,即增益不可调,输出信号与输入信号的比例关系是固定不变的。

4、平坦度

对于虹科Novotronik矩阵开关&多路耦合器而言,一般平坦度指的是带内平坦度,即带内信号各频率点相对于中心频率的幅度变化量。

图4. 虹科多路耦合器

带内平坦度指标一直被用来作为衡量发射链路中线性失真的重要指标。这是因为不管放大电路和各级模拟滤波器的频率选择性,还是整个发射链路中各个器件之间连接的阻抗不匹配,都是影响输出信号带内平坦度的直接原因。对于输出而言,平坦度越高意味着信号幅度变化越大,信号稳定性越差。国标中定义对带内平坦度的要求是在偏离中心频率+/-3.59MHz的带内平坦度差不大于+/-0.5dB。

图5. 虹科多路耦合器拓扑结构

5、二阶/三阶截点和交调

(1)什么是截点?

固态放大器通常使用晶体管如二极管或场效应管来实现放大,虽然这些晶体管一般被用于线性工作模式,但是仍然存在非线性的现象,如互调产物及谐波,并以虚假信号的形式出现在输出端。在单音调情况下,虚假信号表现为输入信号的多次谐波。在双音调情况下,虚假信号就是两个输入信号f1和f2的混合产物,最普遍的是二阶和三阶互调产物。

  • 二阶互调产物是输入信号频率相加和相减后的频率上的信号(最大)
  • 三阶互调产物是由基波信号和其二次谐波结合的形成的

(2)什么会导致产生二阶/三阶截点和交调呢?

一般射频器件的接触不好、器件老化,都可能引起器件的非线性。交调从字面上理解就是相互(两个及两个以上)影响,交调产物就是互相影响的产物。两个或两个以上频率的无线电波在非线性射频器件中传播时,或者在空中传播碰上金属物体的时候,可能产生其他频率的交调干扰信号。

图6. 三阶交调示意图

(3)截点和交调有什么物理意义?

三阶交调是三阶交调截取点IP3(Third-order Intercept Point)的简称,在射频或微波多载波通讯系统中,三阶交调截取点IP3(Third-order Intercept Point)是一个衡量线性度或失真的重要指标。

交调干扰信号有三阶、五阶、七阶或者更多阶的分量,但是三阶交调分量最大。三阶交调是用来衡量射频器件非线性的重要指标,其大小用交调产物与主输出信号的比来表示,单位是dBc。在选择射频器件时,三阶交调指标的绝对值越大越好。其值越大,说明交调产物相对主信号来说越小,对系统的干扰影响越小。

交调失真对模拟微波通信来说,会产生邻近信道的串扰,对数字微波通信来说,会降低系统的频谱利用率,并使误码率恶化;因此容量越大的系统,要求IP3越高,IP3越高表示线性度越好和更少的失真。

6、1dB压缩点

(1)什么是1dB压缩点?有什么物理意义?

放大器有一个线性动态范围,在这个范围内,放大器的输出功率随输入功率线性增加。随着输入功率的继续增加,放大器进入非线性区,其输出功率不再随输入功率的增加而线性增加,也就是说,其输出功率低于小信号增益所预计的值。通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点,用P1dB表示。典型情况下,当功率超过P1dB时,增益将迅速下降并达到一个最大的或完全饱和的输出功率,其值比P1dB大3-4dB。

图7. 放大器增益压缩特性

(2)如何根据数值判断其性能?

1dB压缩点越高意味着输出功率越高,信号的线性范围越宽,可靠性更强。

7、隔离度

隔离度是为了尽量减少各种干扰对接收机的影响所采取的抑制干扰措施。对于虹科Novotronik矩阵开关&多路耦合器而言一般指的是输出端口与输出端口,输出端口与输入端口之间的隔离度。其数值越大越好,表示互相之间的干扰越小。

8、串扰

串扰是两条信号线之间的耦合、信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。容性耦合引发耦合电流,而感性耦合引发耦合电压。 串扰是指一个信号在传输通道上传输时,因电磁耦合而对相邻的传输线产生不期望的影响,在被干扰信号表现为被注入了一定的耦合电压和耦合电流。耦合长度、间距变化、防护底线、防护过孔都会对串扰产生影响。一般有近端、远端、外部、质谱串扰。

对于虹科Novotronik矩阵开关&多路耦合器而言,一般是指抗串扰度,其值越高表示串扰显现越微弱,产品受影响程度越低。

9、驻波比

连接器和开关信号路径对于理想50 Ω(或75Ω)传输线匹配的良好程度。驻波比(VSWR)越大,反射越大,匹配越差,信号传输的效率越低。其值越接近1越好。在驻波比为1.5的时候,反射率为4%;1.1的时候,反射率为0.23%。

10、继电器

继电器(relay)是一种电控制器件,是当输入量(激励量)的变化达到规定要求时,在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中,它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

继电器一般都有能反映一定输入变量(如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等)的感应机构(输入部分);有能对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构(输出部分);在继电器的输入部分和输出部分之间,还有对输入量进行耦合隔离,功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构(驱动部分)。

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