小型衛星通信解決方案

作者：Brad Hall and Wyatt Taylor

Ka波段的傳統地面站衛星通信系統依賴于室內到室外的配置。室外機包括天線和一個塊下變頻接收器，用于輸出L波段的模擬信號。然后將信號傳遞到室內機，其中包含濾波、數字化和處理系統。由于Ka波段的干擾信號通常很少，室外機專注于以犧牲線性度為代價來優化噪聲系數。室內到室外配置適用于地面站，但很難過渡到低尺寸、重量和功耗 （SWaP） 環境。幾個新市場正在推動對小尺寸Ka波段接入的需求。無人駕駛飛行器（UAV）和下馬士兵將受益于這些通信渠道。對于無人機和下馬士兵來說，無線電功耗直接轉化為電池壽命，進而轉化為任務長度。此外，過去特定于機載平臺的傳統Ka波段信道現在正在考慮進行更廣泛的訪問。這意味著傳統上只需要下變頻單個Ka通道的機載平臺現在可能需要在多個通道上運行。本文將概述Ka波段面臨的設計挑戰，并概述一種新架構，該架構將為這些應用提供低SWaP無線電解決方案。

介紹

衛星通信行業的最新趨勢顯示了X和K的推動u-波段至Ka波段傳輸。這種推動力主要是由于在此頻率范圍內實現更寬帶寬收發器的難易程度。同時，整個X-、K的發射機總數u- Ka波段正在增長。從歷史上看，Ka-中的發射器很少，但隨著這種趨勢的繼續，這個范圍內的頻譜變得越來越擁擠。這給這些系統的收發器設計帶來了挑戰，特別是對于尺寸和功率限制可實現選擇性的低SWaP市場。由于選擇性壓力的增加，靈敏度存在自然的權衡。在某些情況下，例如在光譜環境定義較少的移動平臺中，這種權衡是有意義的。在干擾非?？深A測的其他平臺中，靈敏度仍將是最高優先級。

室內和室外概述

在典型的永久性衛星通信安裝中，室外設備和室內設備之間存在功能劃分。室外設備由Ka波段天線、低噪聲模塊（LNB）和下變頻級組成，下變頻級在發送到室內機之前將Ka波段信號向下轉換為L波段。LNB和下變頻級通常組合成一個單元，其輸出使用同軸電纜或光纖將信號發送到室內進行進一步處理。在天線處向下轉換為 1 GHz 至 2 GHz 信號可防止通過電纜連接到室內機的額外損耗。室內單元由L波段接收器和解調器組成。該單元負責進一步過濾、數字化和處理信號。此外，它還與地面傳輸網絡接口，將信息發送到中央處理位置。

在發射側，波形生成發生在L波段的室內設備中。信號通過同軸電纜或光纖發送到室外設備。室外設備包括一個塊上變頻器（BUC），它將信號從L波段傳輸到Ka波段，一個HPA，將信號放大到所需的發射電平，以及一個天線。如果天線在接收器和發射器之間共享，則還存在一個雙工器，用于將發射器信號與接收器信號隔離。

尺寸和功率

由于其永久安裝，固定安裝地點的組件通常不是為低SWaP而設計的。室外 LNB 可大至 10“ × 4” × 4“，具體取決于功能和過濾。這通常放置在盡可能靠近天線饋電的位置，以優化系統噪聲系數。室外 BUC 通常具有相同的尺寸，而室外 HPA 可能非常大，具體取決于輸出功率要求。室內設備由一個 19 英寸寬的機架式解調器組成，可以與其他機架式調制解調器或處理設備堆疊在一起。盡管該設備可以完成接收和發送衛星通信信號的任務，但它并不總是以SWaP高效的方式完成。

低SWaP市場

隨著世界趨向于移動通信，以及即使在最偏遠的地區也應該提供通信和數據鏈路的期望越來越高，市場正朝著低SWaP解決方案的方向發展。

近年來，無人機在政府和商業目的方面的使用有所增加。無人機可能會在距離其基地數百英里的世界偏遠地區使用，并將越來越依賴衛星通信來發送收集的數據，并從其操作員那里接收命令。此外，我們看到商業世界開始提出越來越多的無人機用途，其中許多需要與衛星和其他飛機進行通信。所有這些都導致了歷史上很少的頻譜使用。隨著頻譜變得越來越擁擠，濾波、頻率規劃和靈活性變得越來越重要。

另一個低SWaP SATCOM持續增長的市場是手持設備和便攜式空間。對手持設備的需求正在增加，因為人們希望發送和接收的不僅僅是安全通信。人們希望快速發送數據，包括圖片、音頻文件、地圖和其他數據，以及捕獲更寬帶寬的信號。這種需求推動了瞬時帶寬的增加，同時保持外形尺寸與前幾代產品相同或更小，并降低了功耗，以避免攜帶沉重而昂貴的電池組。類似的SWaP限制存在于戰術車輛中，這些車輛受到自身動力可用性和較小空間的限制。

此外，擁有波形無關的系統具有潛在的優勢，該系統可以配置為在任何給定的波形環境中執行。在今天的一些軍事系統中，給定的飛機上需要三到五個不同的收發器系統，以促進不同系統之間的通信。通過將它們組合到具有軟件可定義靈活性的波形無關系統中，尺寸可以減小 5×。

低SWaP的設計挑戰

隨著低SWaP市場的需求不斷增加，有許多挑戰需要克服。首先，僅濾波要求就推動了這些系統的大部分規模。隨著頻率范圍增加到Ka波段，在向下轉換為1 GHz中頻（IF）時，實現相同的抑制變得更加困難。這會增加所需的過濾器數量或過濾器尺寸。這些過濾器也不便宜，每個通常成本高達 200 美元或更多。在這方面，通過放寬一些濾波要求，更高的IF將是有益的。

此外，在低SWaP市場中，網絡的不同節點以網狀方式進行通信，其中網絡的某些部分沒有地面基礎設施。如果沒有一個中心位置來完成處理，這意味著每個收發器必須能夠處理它接收的數據。雖然傳統的衛星通信市場在天線和處理器之間有突破，但在低SWaP市場中，希望將數字化和FPGA盡可能靠近天線。這種本地處理限制了應在此類網絡上使用的帶寬量，因為處理更寬的帶寬需要更高的時鐘速率和更耗電的設備。在傳統的固定安裝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，預計會出現更實用的100 MHz至200 MHz。

解決這些接收器挑戰的傳統方法是使用超外差架構，它將Ka波段向下轉換為L波段，或者甚至可以在向下轉換為L波段之前有一個中間級。使用這種方法不會降低SWaP，因為濾波器大，器件數量多，器件高，器件高。由于所有這些限制，典型的超外差架構開始在該應用中顯示其老化。

高中頻架構

針對這些市場的更好、更合適的架構被稱為高中頻架構。這種架構利用了直接變頻收發器的最新技術進展。在直接變頻收發器中，輸入的RF能量直接轉換為基帶，并分成單獨的I和Q流。這些產品將其頻率范圍提高到6 GHz，允許新的獨特用例。從歷史上看，這些部件的性能一直低于需要極高性能的軍事和商業系統。然而，最近的進展表明，這項技術可以滿足高性能要求。

這些器件的一些最新進展包括帶寬增加、線性度改善、集成數字信號處理功能和校準改進。與這些器件相關的典型帶寬范圍高達200 MHz，并且可根據不需要帶寬的情況進行調整。這些器件的線性度得到改善，還可以在擁擠的光譜環境中提高性能。這對靈敏度略有影響，但在這樣的環境中，這種權衡是必要的。此外，集成DSP功能可減輕系統中FPGA的負擔，節省功耗并降低復雜性。這些部件上的集成FIR濾波器進一步有助于解決擁擠環境中出現的許多通道選擇性問題。

這類器件的另一個進步是集成了連續時間Σ-Δ型ADC（CTSD）。這種類型的ADC具有固有的抗混疊抑制功能，因此不再需要SAW濾波器，這有助于減少此類系統中的延遲。

在高中頻架構中，Ka波段不是直接轉換為基帶，而是首先轉換為高中頻，然后饋入直接變頻接收器。由于這些轉換器的頻率范圍增加，該IF可以放置在5 GHz和6 GHz之間。該IF頻率從1 GHz（在當今的典型系統中）增加到5 GHz，通過將鏡像頻率范圍置于比以前更遠的地方，大大簡化了前端濾波器的濾波。簡化前端濾波是減小此類系統尺寸的一個因素。

采用AD9371的系統示例

這種系統的示例如圖1所示。該系統由 17 GHz 和 21 GHz 之間的接收器通道和 27 GHz 和 31 GHz 之間的獨立發射器通道組成。 從接收器通道開始，輸入的RF能量首先用Ka波段LNA放大，然后向下濾波，允許17 GHz至21 GHz通過混頻器?；祛l器以 100 MHz 塊將 17 GHz 至 21 GHz 頻段轉換為 5 GHz 中頻，可調諧 LO 范圍為 22 GHz 至 26 GHz。前端濾波器可解決 27 GHz 至 31 GHz 范圍內的鏡像抑制、LO 抑制以及帶外信號的一般抑制，這些信號可能導致來自 m × n 個鏡像的雜散信號通過混頻器。該過濾器很可能需要定制，但對該過濾器的需求降低意味著其尺寸、重量和成本將低于傳統系統。

圖1.采用AD9371的接收機和發射器衛星通信系統示例

一旦RF前端轉換為5 GHz的高IF，在發送到AD9371之前，還需要進行放大和濾波。高中頻所需的濾波很輕，可以使用現成的廉價小型LTCC濾波器輕松實現。這里的主要問題是確保沒有中頻諧波沖擊AD9371。

在發射端，AD9371可用于在5 GHz時產生和輸出高達+4 dBm的波形。中頻放置在接收器上的頻率為5.3 GHz，而不是5.1 GHz，以減少兩個通道之間發生串擾的可能性。然后對輸出進行濾波以降低諧波電平，然后饋入上變頻混頻器，以轉換高達27 GHz至31 GHz的前端。這可以通過與接收器側相同的LO來實現，范圍為22 GHz至26 GHz。

此外，使用直接變頻收發器可在頻率規劃方面具有更大的靈活性。盡管此處顯示了一個例子，但有許多可能的頻段可以使用相同的架構。AD9371能夠快速輕松地改變其IF頻率，從而為系統提供了靈活性，以避免有問題的雜散響應，或軟件定義無線電預期的性能優化。

結論

世界各地對通過通信和數據連接的需求推動了衛星通信收發器的數量不斷增加。近年來，X-和K的擁堵日益嚴重u-波段已將低SWaP系統越來越多地推向Ka波段。無論是無人機、手持無線電還是戰術車載衛星通信網絡數量的增加，顯然都需要創新方法來減少SWaP，同時保持高性能指標。在高中頻架構中，我們展示了一個合適的平臺，可以在這些頻段實現更高的選擇性，同時利用當今集成直接變頻收發器的小尺寸和低功耗。將AD9371用作IF收發器可使整個收發器的尺寸減小一個數量級，為解決下一代衛星通信難題提供多種解決方案。

審核編輯：郭婷