小尺寸衛(wèi)星通信解決方案

作者 Brad Hall Wyatt Taylor ADI航空航天與防務(wù)部門(mén)(美國(guó)北卡羅來(lái)納州格林斯博羅)

摘要：本文將概述Ka波段應(yīng)用面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，并說(shuō)明一種支持此類(lèi)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)低SWaP無(wú)線電解決方案的新架構(gòu)。

　　傳統(tǒng)Ka波段地面站衛(wèi)星通信系統(tǒng)依賴(lài)于室內(nèi)到室外配置。室外單元包含天線和塊下變頻接收機(jī)，接收機(jī)輸出L波段的模擬信號(hào)。該信號(hào)隨后被傳送到室內(nèi)單元，室內(nèi)單元包含濾波、數(shù)字化和處理系統(tǒng)。Ka波段的干擾信號(hào)通常較少，因此，室外單元的主要任務(wù)是以線性度為代價(jià)來(lái)優(yōu)化噪聲系數(shù)。室內(nèi)到室外配置很適合地面站，但難以融合到小尺寸、重量輕、低功耗(SWaP)的環(huán)境中。若干新興市場(chǎng)推動(dòng)了對(duì)小尺寸Ka波段接入的需求。無(wú)人機(jī)(UAV)和步兵若能接入此類(lèi)信道，將大大受益。對(duì)于無(wú)人機(jī)和步兵，無(wú)線電功耗直接決定電池壽命，進(jìn)而決定任務(wù)時(shí)長(zhǎng)。此外，過(guò)去專(zhuān)門(mén)用于空中平臺(tái)的傳統(tǒng)Ka波段信道，現(xiàn)在正被考慮用于提供更廣泛的接入。這意味著，傳統(tǒng)上僅需要下變頻單個(gè)Ka信道的空中平臺(tái)，現(xiàn)在可能需要工作在多個(gè)信道上。本文將概述Ka波段應(yīng)用面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，并說(shuō)明一種支持此類(lèi)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)低SWaP無(wú)線電解決方案的新架構(gòu)。

簡(jiǎn)介

　　衛(wèi)星通信行業(yè)的最新趨勢(shì)顯示，信號(hào)傳輸正從X波段和Ku波段推進(jìn)到Ka波段。這在很大程度上是因?yàn)樵擃l率范圍內(nèi)很容易實(shí)現(xiàn)帶寬更寬的收發(fā)器。與此同時(shí)，X、Ku和Ka波段中的發(fā)射機(jī)總數(shù)在不斷增加。過(guò)去，Ka波段中的發(fā)射機(jī)數(shù)量非常少，但隨著這種趨勢(shì)的發(fā)展，此范圍內(nèi)的頻譜會(huì)變得越來(lái)越擁堵。這給此類(lèi)系統(tǒng)的收發(fā)器設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)，尤其是針對(duì)低SWaP市場(chǎng)，這些市場(chǎng)的尺寸和功耗要求會(huì)限制可達(dá)到的選擇率。由于選擇率壓力越來(lái)越大，人們自然會(huì)折中考慮，降低選擇率要求。某些情況下，例如頻譜環(huán)境不那么明確的移動(dòng)平臺(tái)中，這種折中是有意義的。但在其他可以非常精確地預(yù)測(cè)干擾的平臺(tái)中，選擇率仍將是最高優(yōu)先目標(biāo)。

室內(nèi)和室外概述

　　在典型的永久性衛(wèi)星通信設(shè)施中，室外設(shè)備和室內(nèi)設(shè)備在功能上是分開(kāi)的。室外設(shè)備由Ka波段天線、低噪聲塊(LNB)和下變頻級(jí)組成，其將Ka波段信號(hào)下變頻為L(zhǎng)波段信號(hào)，然后發(fā)送到室內(nèi)單元。LNB和下變頻級(jí)通常合并為一個(gè)單元，其輸出端利用同軸電纜或光纖將信號(hào)發(fā)送到室內(nèi)以供進(jìn)一步處理。在天線端下變頻至1 GHz到2 GHz信號(hào)可防止連接到室內(nèi)單元的電纜產(chǎn)生額外損耗。室內(nèi)單元由L波段接收機(jī)和解調(diào)器組成。此單元負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)做進(jìn)一步濾波、數(shù)字化和處理。此外，它與地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)相連，以便將信號(hào)發(fā)送到中央處理地點(diǎn)。

　　在發(fā)射側(cè)，波形產(chǎn)生發(fā)生在室內(nèi)L波段設(shè)備中。信號(hào)通過(guò)同軸電纜或光纖發(fā)送到室外設(shè)備。室外設(shè)備包含如下器件：一個(gè)塊上變頻器(BUC)，用以將信號(hào)從L波段變頻至Ka波段;一個(gè)HPA，用以將信號(hào)放大到所需的發(fā)射功率水平;以及一根天線。如果接收機(jī)和發(fā)射機(jī)共用該天線，則還會(huì)有一個(gè)雙工器，用以將發(fā)射機(jī)信號(hào)和接收機(jī)信號(hào)隔離開(kāi)來(lái)。

尺寸和功耗

　　由于是永久設(shè)施，固定安裝地點(diǎn)中的器件通常不是針對(duì)低SWaP而設(shè)計(jì)。根據(jù)其特性和濾波要求，室外LNB可能有10" × 4" × 4"那么大。它通常盡可能靠近天線饋線放置，以?xún)?yōu)化系統(tǒng)噪聲系數(shù)。室外BUC通常有相同的尺寸，而室外HPA可能非常大，具體尺寸取決于輸出功率要求。室內(nèi)設(shè)備包含一個(gè)19英寸寬機(jī)架安裝解調(diào)器，它可以同其他機(jī)架安裝調(diào)制解調(diào)器或處理設(shè)備疊放在一起。此設(shè)備負(fù)責(zé)完成接收和發(fā)射衛(wèi)星通信信號(hào)的任務(wù)，但其SWaP效率可能不是很高。

低SWaP市場(chǎng)

　　隨著全球移動(dòng)通信發(fā)展的深化，以及人們期望即便在最偏遠(yuǎn)地區(qū)也有通信和數(shù)據(jù)鏈路可用，市場(chǎng)對(duì)降低SWaP的呼聲越來(lái)越高。

小尺寸衛(wèi)星通信解決方案

　　近年來(lái)，政府和商業(yè)對(duì)無(wú)人機(jī)的使用越來(lái)越多。無(wú)人機(jī)可用在距離其基地超過(guò)數(shù)百英里的偏遠(yuǎn)地區(qū)，日益依賴(lài)衛(wèi)星通信來(lái)發(fā)送收集到的數(shù)據(jù)及接收操作員指令。此外，我們看到商業(yè)世界開(kāi)發(fā)的無(wú)人機(jī)用途越來(lái)越多，其中許多既需要與衛(wèi)星通信，也需要與其他航空器通信。這導(dǎo)致使用的頻譜更高，而以前對(duì)高頻譜的使用非常少。隨著頻譜變得越來(lái)越擁擠，濾波、頻率規(guī)劃和靈活性變得越來(lái)越重要。

　　低SWaP衛(wèi)星通信持續(xù)增長(zhǎng)的另一個(gè)市場(chǎng)是手持式和便攜式領(lǐng)域。除安全通信外，人們還希望發(fā)生和接收其他更多內(nèi)容，這導(dǎo)致對(duì)手持設(shè)備的需求不斷增加。人們渴求快速發(fā)送數(shù)據(jù)，包括照片、音頻文件、地圖和其他數(shù)據(jù)，以及捕獲帶寬更寬的信號(hào)。這要求提高瞬時(shí)帶寬，而外形尺寸則保持不變或比上一代更小，并且要降低功耗，以免攜帶笨重昂貴的電池包。戰(zhàn)術(shù)車(chē)輛自身的功率有限，空間較小，故而存在類(lèi)似的SWaP限制。

　　另外，與波形無(wú)關(guān)的系統(tǒng)有很多潛在好處，可以進(jìn)行配置以使其在任何給定波形環(huán)境中發(fā)揮作用。在當(dāng)今的一些軍用系統(tǒng)中，航空器上需要三到五個(gè)不同的收發(fā)器系統(tǒng)以幫助不同系統(tǒng)相互通信。將這些系統(tǒng)合并成一個(gè)與波形無(wú)關(guān)且具有軟件定義靈活性的系統(tǒng)，可以讓衛(wèi)星尺寸縮小5倍。

低SWaP的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　隨著來(lái)自低SWaP市場(chǎng)的需求不斷增加，還有許多挑戰(zhàn)需要克服。舉例來(lái)說(shuō)，單單濾波這一項(xiàng)要求就會(huì)使此類(lèi)系統(tǒng)的尺寸增加不少。隨著頻率范圍提高到Ka波段，當(dāng)下變頻到1 GHz中頻(IF)時(shí)，越來(lái)越難以實(shí)現(xiàn)同樣的抑制性能。這就需要增加濾波器數(shù)量或增大濾波器尺寸。而且這些濾波器并不便宜，每個(gè)通常要花費(fèi)200美元或更多。就此而言，較高中頻會(huì)很有利，因?yàn)檫@樣可以降低濾波器要求。

　　此外，在低SWaP市場(chǎng)中，網(wǎng)絡(luò)的不同節(jié)點(diǎn)以網(wǎng)格方式通信，部分網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有地面基礎(chǔ)設(shè)施。由于沒(méi)有一個(gè)中央位置來(lái)執(zhí)行處理，因此，各收發(fā)器必須能夠處理收到的數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)衛(wèi)星通信市場(chǎng)的天線與處理器之間是分離的，但在低SWaP市場(chǎng)，人們希望數(shù)字化處理和FPGA盡可能靠近天線。這種本地處理為此類(lèi)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)使用多少帶寬設(shè)置了限制，因?yàn)橐幚淼膸捲綄?，則所需的時(shí)鐘速率和器件功耗越高。在傳統(tǒng)固定安裝的Ka波段網(wǎng)絡(luò)中，可以使用高達(dá)1 GHz的瞬時(shí)帶寬;在低SWaP市場(chǎng)中，100 MHz到200 MHz更符合實(shí)際。

　　為了解決這些接收機(jī)挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)辦法是采用超外差架構(gòu)，其會(huì)將Ka波段下變頻至L波段，在下變頻到L波段之前可能還有一個(gè)中間級(jí)。這種方法需要使用大濾波器，器件數(shù)量多且功耗高，無(wú)法支持低SWaP要求。鑒于上述限制，典型超外差架構(gòu)開(kāi)始在此類(lèi)應(yīng)用中勢(shì)微。

高中頻架構(gòu)

　　針對(duì)此類(lèi)市場(chǎng)，更好且更合適的架構(gòu)是高中頻架構(gòu)。這種架構(gòu)利用了直接變頻收發(fā)器相關(guān)技術(shù)的最新進(jìn)展。在直接變頻收發(fā)器中，輸入RF能量直接變頻到基帶，并分割為I和Q兩個(gè)單獨(dú)的流。此類(lèi)產(chǎn)品已將其頻率范圍提高到6 GHz，從而支持新的獨(dú)特使用場(chǎng)景。過(guò)去，這些器件的性能滿(mǎn)足不了要求超高性能的軍用和商用系統(tǒng)的需要。但最新進(jìn)展表明，利用這種技術(shù)可以滿(mǎn)足高性能需求。

　　這些器件的一些最新進(jìn)步包括：帶寬更高、線性度更好、集成數(shù)字信號(hào)處理功能更多、校準(zhǔn)更輕松。這些器件的典型帶寬高達(dá)200 MHz，而且可以針對(duì)不需要高帶寬的情況進(jìn)行調(diào)整。在頻譜擁擠的環(huán)境中，此類(lèi)器件的高線性度還有助于提高性能。這會(huì)使靈敏度略有降低，但在這種環(huán)境中，此類(lèi)折中是必要的。此外，集成DSP功能可降低系統(tǒng)中FPGA的負(fù)擔(dān)，節(jié)省功耗，減少?gòu)?fù)雜性。這些器件集成的FIR濾波器可進(jìn)一步幫助解決擁擠環(huán)境中常見(jiàn)的許多通道選擇率問(wèn)題。

　　此類(lèi)器件的另一個(gè)進(jìn)步是集成了連續(xù)時(shí)間Σ-Δ型ADC (CTSD)?？够殳B濾波是這類(lèi)ADC的固有功能，因此不再需要SAW濾波器，這有助于降低此類(lèi)系統(tǒng)的延遲。

　　在高中頻架構(gòu)中，Ka波段不是直接變頻為基帶，而是先轉(zhuǎn)換到高中頻，然后饋入直接變頻接收機(jī)。由于此類(lèi)轉(zhuǎn)換器的頻率范圍得到提高，該中頻可以放在5 GHz到6 GHz之間。中頻頻率從1 GHz(當(dāng)今的典型系統(tǒng))提高到5 GHz，使得鏡像頻率范圍比以前離得更遠(yuǎn)，故而前端濾波要求大大降低。前端濾波簡(jiǎn)化是縮小此類(lèi)系統(tǒng)尺寸的一個(gè)因素。

采用AD9371的系統(tǒng)示例

　　圖1顯示了此類(lèi)系統(tǒng)的一個(gè)例子。該系統(tǒng)由一個(gè)17 GHz到21 GHz的接收機(jī)通道和一個(gè)27 GHz到31 GHz的獨(dú)立發(fā)射機(jī)通道組成。從接收機(jī)通道開(kāi)始，輸入RF能量先由Ka波段LNA放大，再進(jìn)行濾波，以讓17 GHz到21 GHz信號(hào)通過(guò)混頻器?；祛l器利用一個(gè)22 GHz到26 GHz范圍的可調(diào)諧LO將17 GHz到21 GHz頻段以100 MHz一段下變頻至5 GHz IF。前端濾波器處理27 GHz到31 GHz范圍中的鏡像抑制、LO抑制和帶外信號(hào)的一般抑制，防止來(lái)自m × n鏡像的雜散信號(hào)通過(guò)混頻器。此濾波器很可能需要定制，但由于對(duì)此濾波器的要求降低，所以其尺寸、重量和成本會(huì)比傳統(tǒng)系統(tǒng)要低。

　　一旦將RF前端轉(zhuǎn)換到5 GHz的高中頻，就會(huì)進(jìn)行進(jìn)一步放大和濾波，然后發(fā)送到AD9371。高中頻所需的濾波比較弱，利用現(xiàn)成的廉價(jià)小型LTCC濾波器即可輕松完成。這里的關(guān)鍵點(diǎn)是要確保無(wú)中頻諧波影響AD9371。

　　在發(fā)射側(cè)，AD9371可用來(lái)產(chǎn)生并輸出最高+4 dBm的5 GHz波形。IF位于5.3 GHz的頻率，不同于接收機(jī)上的5.1 GHz，這是為了降低兩個(gè)通道之間發(fā)生串?dāng)_的可能性。然后對(duì)輸出濾波以降低諧波水平，接著饋入上變頻混頻器，變頻到27 GHz至31 GHz前端。這可以利用與接收機(jī)側(cè)相同的22 GHz至26 GHz范圍的LO來(lái)完成。

　　此外，采用直接變頻收發(fā)器可為頻率規(guī)劃提供更大的靈活性。這里僅給出了一個(gè)例子，但還有許多可能的頻段可以使用相同的架構(gòu)。AD9371能夠快捷輕松地改變其IF頻率，使得系統(tǒng)可以靈活地避免有問(wèn)題的雜散響應(yīng)，或者像人們對(duì)軟件定義無(wú)線電的預(yù)期那樣進(jìn)行性能優(yōu)化。

結(jié)語(yǔ)

　　世界各地都需要借助通信和數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)連接，這使得衛(wèi)星通信收發(fā)器的數(shù)量越來(lái)越多。近年來(lái)，X和Ku波段日益擁擠，故而推動(dòng)低SWaP系統(tǒng)向Ka波段發(fā)展。無(wú)人機(jī)、手持式無(wú)線電或戰(zhàn)術(shù)車(chē)輛上安裝的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的激增，強(qiáng)烈要求通過(guò)創(chuàng)新方法來(lái)降低SWaP，同時(shí)保持高性能指標(biāo)。在高中頻架構(gòu)中，我們已展示了一個(gè)合適的平臺(tái)來(lái)在這些頻段中實(shí)現(xiàn)更高的選擇率，其利用了目前可用的集成直接變頻收發(fā)器的小尺寸和低功耗特性。AD9371用作中頻收發(fā)器可將收發(fā)器的整體尺寸縮小一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而為解決下一代衛(wèi)星通信難題提供大量解決方案。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第7期第76頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。