小尺寸衛星通信解決方案

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

摘要：本文將概述Ka波段應用面臨的設計挑戰，并說(shuō)明一種支持此類(lèi)應用實(shí)現低SWaP無(wú)線(xiàn)電解決方案的新架構。

　　傳統Ka波段地面站衛星通信系統依賴(lài)于室內到室外配置。室外單元包含天線(xiàn)和塊下變頻接收機，接收機輸出L波段的模擬信號。該信號隨后被傳送到室內單元，室內單元包含濾波、數字化和處理系統。Ka波段的干擾信號通常較少，因此，室外單元的主要任務(wù)是以線(xiàn)性度為代價(jià)來(lái)優(yōu)化噪聲系數。室內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)了對小尺寸Ka波段接入的需求。無(wú)人機(UAV)和步兵若能接入此類(lèi)信道，將大大受益。對于無(wú)人機和步兵，無(wú)線(xiàn)電功耗直接決定電池壽命，進(jìn)而決定任務(wù)時(shí)長(cháng)。此外，過(guò)去專(zhuān)門(mén)用于空中平臺的傳統Ka波段信道，現在正被考慮用于提供更廣泛的接入。這意味著(zhù)，傳統上僅需要下變頻單個(gè)Ka信道的空中平臺，現在可能需要工作在多個(gè)信道上。本文將概述Ka波段應用面臨的設計挑戰，并說(shuō)明一種支持此類(lèi)應用實(shí)現低SWaP無(wú)線(xiàn)電解決方案的新架構。

簡(jiǎn)介

　　衛星通信行業(yè)的最新趨勢顯示，信號傳輸正從X波段和Ku波段推進(jìn)到Ka波段。這在很大程度上是因為該頻率范圍內很容易實(shí)現帶寬更寬的收發(fā)器。與此同時(shí)，X、Ku和Ka波段中的發(fā)射機總數在不斷增加。過(guò)去，Ka波段中的發(fā)射機數量非常少，但隨著(zhù)這種趨勢的發(fā)展，此范圍內的頻譜會(huì )變得越來(lái)越擁堵。這給此類(lèi)系統的收發(fā)器設計提出了挑戰，尤其是針對低SWaP市場(chǎng)，這些市場(chǎng)的尺寸和功耗要求會(huì )限制可達到的選擇率。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)平臺中，這種折中是有意義的。但在其他可以非常精確地預測干擾的平臺中，選擇率仍將是最高優(yōu)先目標。

室內和室外概述

　　在典型的永久性衛星通信設施中，室外設備和室內設備在功能上是分開(kāi)的。室外設備由Ka波段天線(xiàn)、低噪聲塊(LNB)和下變頻級組成，其將Ka波段信號下變頻為L(cháng)波段信號，然后發(fā)送到室內單元。LNB和下變頻級通常合并為一個(gè)單元，其輸出端利用同軸電纜或光纖將信號發(fā)送到室內以供進(jìn)一步處理。在天線(xiàn)端下變頻至1 GHz到2 GHz信號可防止連接到室內單元的電纜產(chǎn)生額外損耗。室內單元由L波段接收機和解調器組成。此單元負責對信號做進(jìn)一步濾波、數字化和處理。此外，它與地面傳輸網(wǎng)絡(luò )相連，以便將信號發(fā)送到中央處理地點(diǎn)。

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

尺寸和功耗

　　由于是永久設施，固定安裝地點(diǎn)中的器件通常不是針對低SWaP而設計。根據其特性和濾波要求，室外LNB可能有10" × 4" × 4"那么大。它通常盡可能靠近天線(xiàn)饋線(xiàn)放置，以?xún)?yōu)化系統噪聲系數。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。室內設備包含一個(gè)19英寸寬機架安裝解調器，它可以同其他機架安裝調制解調器或處理設備疊放在一起。此設備負責完成接收和發(fā)射衛星通信信號的任務(wù)，但其SWaP效率可能不是很高。

低SWaP市場(chǎng)

　　隨著(zhù)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地區也有通信和數據鏈路可用，市場(chǎng)對降低SWaP的呼聲越來(lái)越高。

小尺寸衛星通信解決方案

　　近年來(lái)，政府和商業(yè)對無(wú)人機的使用越來(lái)越多。無(wú)人機可用在距離其基地超過(guò)數百英里的偏遠地區，日益依賴(lài)衛星通信來(lái)發(fā)送收集到的數據及接收操作員指令。此外，我們看到商業(yè)世界開(kāi)發(fā)的無(wú)人機用途越來(lái)越多，其中許多既需要與衛星通信，也需要與其他航空器通信。這導致使用的頻譜更高，而以前對高頻譜的使用非常少。隨著(zhù)頻譜變得越來(lái)越擁擠，濾波、頻率規劃和靈活性變得越來(lái)越重要。

　　低SWaP衛星通信持續增長(cháng)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容，這導致對手持設備的需求不斷增加。人們渴求快速發(fā)送數據，包括照片、音頻文件、地圖和其他數據，以及捕獲帶寬更寬的信號。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。在當今的一些軍用系統中，航空器上需要三到五個(gè)不同的收發(fā)器系統以幫助不同系統相互通信。將這些系統合并成一個(gè)與波形無(wú)關(guān)且具有軟件定義靈活性的系統，可以讓衛星尺寸縮小5倍。

低SWaP的設計挑戰

　　隨著(zhù)來(lái)自低SWaP市場(chǎng)的需求不斷增加，還有許多挑戰需要克服。舉例來(lái)說(shuō)，單單濾波這一項要求就會(huì )使此類(lèi)系統的尺寸增加不少。隨著(zhù)頻率范圍提高到Ka波段，當下變頻到1 GHz中頻(IF)時(shí)，越來(lái)越難以實(shí)現同樣的抑制性能。這就需要增加濾波器數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200美元或更多。就此而言，較高中頻會(huì )很有利，因為這樣可以降低濾波器要求。

　　此外，在低SWaP市場(chǎng)中，網(wǎng)絡(luò )的不同節點(diǎn)以網(wǎng)格方式通信，部分網(wǎng)絡(luò )沒(méi)有地面基礎設施。由于沒(méi)有一個(gè)中央位置來(lái)執行處理，因此，各收發(fā)器必須能夠處理收到的數據。傳統衛星通信市場(chǎng)的天線(xiàn)與處理器之間是分離的，但在低SWaP市場(chǎng)，人們希望數字化處理和FPGA盡可能靠近天線(xiàn)。這種本地處理為此類(lèi)網(wǎng)絡(luò )應使用多少帶寬設置了限制，因為要處理的帶寬越寬，則所需的時(shí)鐘速率和器件功耗越高。在傳統固定安裝的Ka波段網(wǎng)絡(luò )中，可以使用高達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挑戰，傳統辦法是采用超外差架構，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。這種方法需要使用大濾波器，器件數量多且功耗高，無(wú)法支持低SWaP要求。鑒于上述限制，典型超外差架構開(kāi)始在此類(lèi)應用中勢微。

高中頻架構

　　針對此類(lèi)市場(chǎng)，更好且更合適的架構是高中頻架構。這種架構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(xiàn)性度更好、集成數字信號處理功能更多、校準更輕松。這些器件的典型帶寬高達200 MHz，而且可以針對不需要高帶寬的情況進(jìn)行調整。在頻譜擁擠的環(huán)境中，此類(lèi)器件的高線(xiàn)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功能可降低系統中FPGA的負擔，節省功耗，減少復雜性。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)系統的延遲。

　　在高中頻架構中，Ka波段不是直接變頻為基帶，而是先轉換到高中頻，然后饋入直接變頻接收機。由于此類(lèi)轉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(當今的典型系統)提高到5 GHz，使得鏡像頻率范圍比以前離得更遠，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)系統尺寸的一個(gè)因素。

采用AD9371的系統示例

　　圖1顯示了此類(lèi)系統的一個(gè)例子。該系統由一個(gè)17 GHz到21 GHz的接收機通道和一個(gè)27 GHz到31 GHz的獨立發(fā)射機通道組成。從接收機通道開(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信號通過(guò)混頻器?；祛l器利用一個(gè)22 GHz到26 GHz范圍的可調諧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抑制和帶外信號的一般抑制，防止來(lái)自m × n鏡像的雜散信號通過(guò)混頻器。此濾波器很可能需要定制，但由于對此濾波器的要求降低，所以其尺寸、重量和成本會(huì )比傳統系統要低。

　　一旦將RF前端轉換到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，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，不同于接收機上的5.1 GHz，這是為了降低兩個(gè)通道之間發(fā)生串擾的可能性。然后對輸出濾波以降低諧波水平，接著(zhù)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側相同的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。AD9371能夠快捷輕松地改變其IF頻率，使得系統可以靈活地避免有問(wèn)題的雜散響應，或者像人們對軟件定義無(wú)線(xiàn)電的預期那樣進(jìn)行性能優(yōu)化。

結語(yǔ)

　　世界各地都需要借助通信和數據實(shí)現連接，這使得衛星通信收發(fā)器的數量越來(lái)越多。近年來(lái)，X和Ku波段日益擁擠，故而推動(dòng)低SWaP系統向Ka波段發(fā)展。無(wú)人機、手持式無(wú)線(xiàn)電或戰術(shù)車(chē)輛上安裝的衛星通信網(wǎng)絡(luò )的激增，強烈要求通過(guò)創(chuàng )新方法來(lái)降低SWaP，同時(shí)保持高性能指標。在高中頻架構中，我們已展示了一個(gè)合適的平臺來(lái)在這些頻段中實(shí)現更高的選擇率，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)數量級，從而為解決下一代衛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。