Ka頻段需要更多帶寬？這里有三個(gè)選項

隨著(zhù)全球連接需求的增長(cháng)，許多衛星通信(satcom)系統日益采用Ka頻段，對數據速率的要求也水漲船高。目前，高性能信號鏈已經(jīng)能支持數千兆瞬時(shí)帶寬，一個(gè)系統中可能有成百上千個(gè)收發(fā)器，超高吞吐量數據速率已經(jīng)成為現實(shí)。

另外，許多系統已經(jīng)開(kāi)始從機械定位型靜態(tài)拋物線(xiàn)天線(xiàn)轉向有源相控陣天線(xiàn)。在增強的技術(shù)和更高集成度的推動(dòng)下，元件尺寸得以大幅減小，已能滿(mǎn)足Ka頻段的需求。通過(guò)在沿干擾信號方向的天線(xiàn)方向圖中形成零位，相控陣技術(shù)還能提高降干擾性能。

下面將簡(jiǎn)要描述現有收發(fā)器架構中存在的一些折衷選項，以及不同類(lèi)型的架構在不同類(lèi)型的系統中的適用性。本分析將分解介紹衛星系統的部分關(guān)鍵技術(shù)規格，以及如何從這些系統級技術(shù)規格獲得收發(fā)器信號鏈層各組件的規格。

從系統級分析向下分解技術(shù)規格

從宏觀(guān)層面來(lái)看，衛星通信系統需要維持一定的載噪比(CNR)，此為鏈路預算計算的結果。維持該CNR可以保證一定的誤碼率(BER)。需要的CNR取決于多種因素，如糾錯、信息編碼、帶寬和調制類(lèi)型。確定CNR要求之后，就可以依據高層系統要求向下分解得到各個(gè)接收器與發(fā)射器的技術(shù)規格。一般地，首先得到的是收發(fā)器的增益-系統噪聲溫度(G/T)品質(zhì)因數和發(fā)射器的有效全向輻射功率(EIRP)。

對于接收器，要從G/T得到低層接收器信號鏈規格，系統設計師需要知道天線(xiàn)增益和系統噪聲溫度，該值為天線(xiàn)指向與接收器噪聲溫度的函數，如等式1所示?；诖?，可以用等式2得到接收器溫度。

然后可以用等式3計算接收器信號鏈的噪聲指數：

獲知接收器噪聲指數以后，可以進(jìn)行級聯(lián)分析，確保信號鏈是否符合這些必要技術(shù)規格的要求，以及是否需要進(jìn)行調整。

對于接收器，首先基于接收器的距離（地到衛星或衛星到地的距離）和接收器靈敏度確定需要的EIRP。獲知EIRP要求之后，需要在發(fā)射信號鏈的輸出功率與天線(xiàn)增益之間做出折衷。對于高增益天線(xiàn)，可以減小發(fā)射器的功耗和尺寸，但其代價(jià)是增加天線(xiàn)尺寸。EIRP通過(guò)等式4計算。

只要謹慎選擇信號鏈所用組件，就能維持輸出功率不變，并且不會(huì )導致其他重要參數下降，例如干擾其他系統的輸出噪聲和帶外射頻能量。

發(fā)射器和接收器的其他重要技術(shù)規格包括：

●   瞬時(shí)帶寬：信號鏈在任意時(shí)間點(diǎn)可以數字化的頻譜帶寬

●   功率處理：信號鏈在不導致性能下降的條件下要處理的最大信號功率

●   通道間的相位相干性：針對新興的波束賦形系統，確保通道間相位的可預測性可以簡(jiǎn)化波束賦形信號的處理和校準

●   雜散性能：確保接收器和發(fā)射器不會(huì )在不期望的頻率下產(chǎn)生射頻能量，以免影響該系統或其他系統的性能

圖1 架構比較：(a) 高中頻（集成TRx），(b) 雙變頻超外差架構（帶GSPS ADC），(c) 單變頻超外差架構（帶GSPS ADC），(d) 直接變頻（帶I/Q混頻器）

在信號鏈的設計過(guò)程中，務(wù)必記住這些和其他技術(shù)規格，以確保設計出能滿(mǎn)足任何給定應用需求的高性能系統，無(wú)論是寬帶多載波聚合集線(xiàn)器還是單個(gè)窄帶手持式衛星通信終端。

通用架構比較

確定高層技術(shù)規格以后即可決定采用哪種信號鏈架構。前面列出過(guò)并且可能對架構產(chǎn)生重大影響的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)規格是瞬時(shí)帶寬。該規格會(huì )影響接收器的模數轉換器(ADC)和發(fā)射器的數模轉換器(DAC)。為了實(shí)現高瞬時(shí)帶寬，必須以更高的速率對數據轉換器采樣，結果一般會(huì )推高整個(gè)信號鏈的功耗，但是，如果從單位功耗(W/GHz)來(lái)看，則會(huì )降低功耗。

對于帶寬不足100 Mhz的系統，許多情況下最好采用類(lèi)似于圖1a的基礎架構。該架構將標準下變頻級與集成式直接變頻收發(fā)器芯片結合起來(lái)。集成的收發(fā)器可實(shí)現超高的集成度，從而大幅減小尺寸和功耗。

為了達到1.5 Ghz的帶寬，可以將經(jīng)典的雙變頻超外差架構與最先進(jìn)的ADC技術(shù)結合起來(lái)；如圖1b所示。這是一種成熟的高性能架構，集成的變頻級用于濾除無(wú)用的雜散信號。根據收到的頻段，用一個(gè)下變頻級將接收的信號轉換成中頻(IF)，然后用另一個(gè)下變頻級將最終的中頻信號轉換成ADC可以數字化的低頻信號。最終中頻越低，ADC性能越高，但其代價(jià)是會(huì )增加濾波要求。一般地，受組件數量增加影響，該架構是本文所提四個(gè)選項中尺寸最大、功耗最高的架構。

與其類(lèi)似的選項如圖1c所示，圖中是一個(gè)單次變頻級，用于將信號轉換成高中頻，再由GSPS ADC采樣。該架構利用了ADC能數字化的更多射頻帶寬，幾乎不會(huì )導致性能下降。市場(chǎng)上最新的GSPS ADC可以對最高9 Ghz的射頻頻率直接采樣。在本選項中，中頻中心在4 Ghz和5 Ghz之間，可在信號鏈濾波要求與ADC要求之間達到最佳平衡。

最后一個(gè)選項如圖1d所示。該架構的瞬時(shí)帶寬增幅甚至更大，但其代價(jià)是非常復雜，并且有可能導致性能下滑。這是一種直接變頻架構，采用一個(gè)無(wú)源I/Q混頻器，后者可以在基帶上輸出兩個(gè)相互偏移90°的中頻。然后用一個(gè)雙通道GSPS ADC對各I和Q路進(jìn)行數字化。在這種情況下，可以獲得最高達3 Ghz的瞬時(shí)帶寬。該選項的主要挑戰是在信號通過(guò)混頻器、低通濾波器和ADC驅動(dòng)器傳播時(shí)，要在I和Q路徑之間維持正交平衡。根據具體的CNR要求，這種折衷可能是可以接受的。

以上從宏觀(guān)層面簡(jiǎn)要介紹了這些接收器架構的工作原理。列表并未窮盡所有情況，也可以把各種選項綜合起來(lái)使用。雖然比較未涉及發(fā)射信號鏈，但圖1中的每個(gè)選項都有一個(gè)對應的發(fā)射信號鏈，其折衷情況也相似。

Ka頻段衛星通信接收器示例

以上討論了各種架構的優(yōu)點(diǎn)和不足，接下來(lái)，我們可以將這些知識運用到真實(shí)的信號鏈示例當中。目前，許多衛星通信系統都運行在Ka頻段，以減小天線(xiàn)尺寸、提高數據速率。在高吞吐量衛星系統中，這一點(diǎn)尤其重要。以下是采用不同架構的示例，我們將對其進(jìn)行更加詳細的比較。

對于要求100 Mhz以下瞬時(shí)帶寬的系統，如甚小孔徑終端(VSAT)，可以采用集成收發(fā)器芯片的高中頻架構( AD9371 )，如圖2所示。該設計可以實(shí)現低噪聲指數，并且由于具有高集成度，所以其設計尺寸最小?，F將其性能總結于表1中。

圖2 高中頻（集成TRx），帶寬最高100 MHz

作為衛星通信系統多個(gè)用戶(hù)的集線(xiàn)器，這些系統可能要同時(shí)處理多個(gè)載波信號。這種情況下，每個(gè)接收器的帶寬或帶寬/功率就變得非常重要。圖3所示信號鏈采用一款高速ADC，即 AD9208 ，這是最近發(fā)布的一款高采樣速率ADC，可以數字化最高1.5 Ghz的瞬時(shí)帶寬。在本例中，為了實(shí)現1 Ghz的瞬時(shí)帶寬，中頻被置于4.5 GHz。這里可實(shí)現的帶寬取決于位于A(yíng)DC之前的抗混疊濾波器的濾波要求，但一般局限于奈奎斯特區的~75%（采樣速率的一半）。

圖3 用GSPS ADC單下變頻至高中頻

在要求最高瞬時(shí)帶寬并且可能以犧牲CNR為代價(jià)的系統中，可以采用圖4所示信號鏈。該信號鏈采用一個(gè)I/Q混頻器，即 HMC8191 HMC8191，其鏡像抑制性能為~25 dBc。在這種情況下，鏡像抑制性能受到I和Q輸出通道間幅度和相位平衡的限制。在不采用更先進(jìn)的正交誤差校正(QEC)技術(shù)的情況下，這是該信號鏈的限制因素。該信號鏈的性能總結見(jiàn)表1。需要注意的是，NF和IP3性能與其他選項類(lèi)似，但功率/GHz指標則為三者中最低，并且從任意時(shí)間可以利用的帶寬量來(lái)看，其尺寸也屬最佳狀態(tài)。

圖4 用I/Q混頻器和GSPS ADC實(shí)現直接變頻

這里給出的三種接收選項如下表所示，但需要注意的是，該表并未列出全部可能選項。這里的總結旨在展示各種信號鏈選項之間的差異。在任何給定系統中，最終的最優(yōu)信號鏈既可能是三者之一，也可能是任意選項的綜合運用。

另外，雖然表中只顯示了接收器端的情況，但發(fā)射器信號鏈也存在類(lèi)似的折衷情況。一般地，系統從超外差架構轉向直接變頻架構后，需要在帶寬與性能之間進(jìn)行折衷。

數據接口

在數據被ADC或收發(fā)器數字化以后，必須通過(guò)數字接口交給系統處理。這里提到的所有數據轉換器都采用了高速JESD204b標準，從數據轉換器接收信號，然后把信號打包組幀，再通過(guò)少量走線(xiàn)進(jìn)行傳輸。芯片的數據速率因系統要求而異，但這里提到的所有器件都有用于抽取和頻率轉換的數字功能，能夠適應不同數據速率，以滿(mǎn)足不同系統要求。該規格在JESD204b通道上最高支持12.5 GSPS的速率，傳輸大量數據的高帶寬系統即充分利用了這一點(diǎn)。有關(guān)這些接口的詳細描述請參閱AD9208和AD9371的數據手冊。另外，FPGA的選擇必須考慮該接口。供應商（如Xilinx?和Altera?）提供的許多FPGA目前已經(jīng)在其器件中集成該標準，為與這些數據轉換器的集成提供了便利條件。

結論

本文詳細介紹了各種折衷情況，并就Ka頻段衛星通信系統適用的信號鏈列舉了一些例子。還介紹了幾種架構選項，包括利用集成式收發(fā)器AD9371的高中頻單次變頻選項，用GSPS ADC取代集成收發(fā)器以提高瞬時(shí)帶寬的類(lèi)似架構，以及可以提高帶寬但會(huì )降低鏡像抑制性能的直接變頻架構。介紹的信號鏈雖然可以直接使用，但建議以其為基礎進(jìn)行設計。根據具體的系統級應用，會(huì )出現不同的要求，隨著(zhù)設計工作的推進(jìn)，信號鏈的選擇會(huì )越來(lái)越明晰。

參考電路

Bosworth, Duncan and Wyatt Taylor.“ 帶寬需求給衛星通信設計帶來(lái)新的壓力 ?！盇DI公司，2016年。

Delos, Peter. “ 寬帶接收機架構方案綜述 ?！盇DI公司，2017年。

Hall, Brad and Wyatt Taylor. “ 小尺寸衛星通信解決方案 ?！盇DI公司，2017年。

衛星通信系統—第5版。West Sussex: John Wiley & Sons, Inc., 2009年。