|
ADI公司供稿 向小型化發展是全球衛星產業的主要發展方向之一。按照國際上普遍接受的標準，所謂小衛星一般質量在500kg以下，相比于大型航天器具有研制時間短、開發/發射費用低、機動靈活、組網能力強等優勢，小衛星在政府和商業航天領域的應用越來越廣泛。 衛星通信行業的最新趨勢顯示，信號傳輸正從X波段和Ku波段推進到Ka波段。過去，Ka波段中的發射機數量非常少，但隨著這種趨勢的發展，此范圍內的頻譜會變得越來越擁堵。這給此類系統的收發器設計提出了挑戰，尤其是針對低尺寸、重量和功耗(SWaP)的市場，這些市場的尺寸和功耗要求會限制可達到的選擇率。由于選擇率壓力越來越大，人們自然會折中考慮，降低選擇率要求。某些情況下，例如頻譜環境不那么明確的移動平臺中，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先目標。 新興移動衛星通信帶來更低的SWaP要求 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的。室外設備由Ka波段天線、低噪聲塊(LNB)和下變頻級組成，其將Ka波段信號下變頻為L波段信號，然后發送到室內單元。LNB和下變頻級通常合并為一個單元，其輸出端利用同軸電纜或光纖將信號發送到室內以供進一步處理。在發射側，波形產生發生在室內L波段設備中。信號通過同軸電纜或光纖發送到室外設備。室外設備包含如下器件：一個塊上變頻器(BUC)，用以將信號從L波段變頻至Ka波段；一個HPA，用以將信號放大到所需的發射功率水平；以及一根天線。 由于是永久設施，固定安裝地點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。室外BUC通常有相同的尺寸，而室外HPA可能非常大，室內設備包含一個19英寸寬機架安裝解調器。此設備負責完成接收和發射衛星通信信號的任務，但其SWaP效率可能不是很高。 隨著政府和商業無人機使用越來越多以及便攜式領域應用設備對衛星通信功能的需求增長，傳統的固定安裝基礎設施的衛星通信已經滿足不了要求，而且要求更高的瞬時帶寬以滿足圖形以及語言等大數據的傳輸，而外形尺寸則保持不變甚至比上一代更小，并且要降低功耗以免攜帶笨重昂貴的電池。SWaP限制需求日益增強。 利用高中頻架構克服低SWaP設計挑戰 低SWaP的需求不斷增加，但還有許多挑戰需要克服。舉例來說，單單濾波這一項要求就會使此類系統的尺寸增加不少。隨著頻率范圍提高到Ka波段，當下變頻到1 GHz中頻時，越來越難以實現同樣的抑制性能。這就需要增加濾波器數量或增大濾波器尺寸，但由此會增加這些濾波器帶來的額不菲成本。 在低SWaP應用中人們希望數字化處理和FPGA盡可能靠近天線，這種本地處理為此類使用多少帶寬設置了限制，因為要處理的帶寬越寬，則所需的時鐘速率和器件功耗越高。在傳統固定安裝的Ka波段網絡中，可以使用高達1 GHz的瞬時帶寬。在低SWaP市場中，100 MHz到200 MHz更符合實際。針對此類市場，更好且更合適的架構是高中頻架構。這種架構利用了最新的直接變頻收發器相關技術。在直接變頻收發器中，輸入RF能量直接變頻到基帶，并分割為I和Q兩個單獨的流。此類產品已將其頻率范圍提高到6 GHz，從而支持新的獨特使用場景。 過去，這些器件的性能滿足不了要求超高性能的軍用和商用系統的需要，而最近幾年這種技術的新突破已經可以滿足這些高性能需求，特別是實現了更高帶寬、更好線性度、更多集成數字信號處理功能、更容易校準。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行調整。在頻譜擁擠的環境中，此類器件的高線性度還有助于提高性能。這會使靈敏度略有降低，但在這種環境中，此類折中是必要的。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濾波器可進一步幫助解決擁擠環境中常見的許多通道選擇率問題。此類器件還集成了連續時間Σ-Δ型ADC，抗混疊濾波是這類ADC的固有功能，因此不再需要SAW濾波器，這有助于降低此類系統的延遲。 基于ADI公司AD9371的高中頻架構應用分析 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1GHz（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，從而將前端濾波要求大大降低（前端濾波簡化是縮小此類系統尺寸的一個因素。）ADI公司前幾年推出的捷變頻收發器AD9371就是此類高中頻架構的一個典型案例，這是一款高度集成的寬帶RF收發器，提供雙通道發射器和接收器、集成式頻率合成器和測試和數字信號處理功能。 圖中顯示了基于AD9371的系統案例，此系統由一個17 GHz到21 GHz的接收機通道和一個27 GHz到31 GHz的獨立發射機通道組成。從接收機通道開始，輸入RF能量先由Ka波段LNA放大，再進行濾波以讓17 GHz到21 GHz信號通過混頻器。混頻器利用一個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，防止來自m × n鏡像的雜散信號通過混頻器。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、重量和成本會比傳統系統要低。 
圖. 采用AD9371的接收機和發射機衛星通信系統示例 一旦將RF前端轉換到5 GHz的高中頻，就會進行進一步放大和濾波，然后發送到AD9371。高中頻所需的濾波比較簡單，利用現成的廉價小型LTCC濾波器即可輕松完成。這里的主要關注是要確保無中頻諧波影響AD9371。在發射側，AD9371可用來產生并輸出最高+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，這是為了降低兩個通道之間發生串擾的可能性。然后對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側相同的22 GHz至26 GHz范圍的LO來完成。 此外，采用直接變頻收發器可為頻率規劃提供更大的靈活性。這里僅給出了一個例子，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題的雜散響應，或者像人們對軟件定義無線電的預期那樣進行性能優化。 總結 盡管通用移動通信獲得迅猛發展，但對隨時隨地實現通信和數據連接的需求來說依然有盲區，小尺寸衛星通信市場由此快速發展，。此外，隨著X和Ku波段日益擁擠，推動低SWaP系統向Ka波段發展。利用利用集成式收發器AD9371的高中頻架構，用GSPS ADC取代集成收發器以提高瞬時帶寬，并有效滿足低SWaP要求。 |
