帶寬需求給衛星通信設計帶來新壓力

作者：Duncan Bosworth and Wyatt Taylor

在過去的二十年里，航空航天和國防以及商業航空界一直依靠衛星通信來協調海外軍事行動和民用乘客旅行。隨著數據流和物聯網（IoT）應用的增加，對衛星通信系統的需求從未如此之大。

士兵和前沿作戰基地需要比以往更多的數據，以及全球軍事行動對無人機 （UAV） 技術的需求增加。同樣重要的是，公務機和主要客機對商用飛機高帶寬數據訪問的需求不斷增加。正在發射支持更高頻率的新衛星，以實現帶寬的增加。本文將回顧這些技術趨勢，以及使用商用和可定制架構實現所需性能和快速上市的解決方案。

衛星通信介紹和歷史

對提高數據速率的需求正在推動衛星通信領域的許多新發展?；谑勘男l星通信鏈路將從kbps增加到Mbps數據速率，這將實現更高效的數據和視頻傳輸。無人機在國防領域的擴散（以及很快的商業世界）創造了衛星通信鏈接的新領域。商業航空航天市場對數據和互聯網接入的永不滿足的需求正在推動K的新發展u-波段和 K一個-頻段支持高達 1000 Mbps 的數據速率。同時，支持傳統數據鏈路，最小化尺寸、重量和功耗（SWaP）以及減少系統開發投資，推動了開發靈活架構和最大化系統重用的需求。

衛星通信系統傳統上使用地球靜止軌道（GEO）衛星 - 相對于地球表面的衛星將停留在固定位置。為了實現地球靜止軌道，衛星必須處于非常高的高度 - 距離地球表面超過30公里。如此高軌道的好處是，覆蓋大面積地面所需的衛星很少，并且由于具有已知的永久坐標，因此簡化了向衛星的傳輸。由于這些系統的啟動成本，它們的設計生命周期較長，從而形成了一個穩定但有時過時的系統。

由于海拔和輻射挑戰，通常需要額外的設備屏蔽或衛星屏蔽。此外，由于衛星距離太遠，地面用戶將面臨重大損失，從而影響信號鏈設計和組件選擇。較長的地面到衛星距離也會導致用戶和衛星之間的高延遲，這可能會影響一些數據和通信鏈路。

最近，已經提出了許多GEO衛星的替代品或補充系統，正在考慮無人機和低地球軌道（LEO）衛星。由于軌道較低，這些系統減輕了基于GEO的系統所描述的大部分挑戰，但以犧牲覆蓋范圍為代價，需要更多的衛星或無人機來實現類似的全球覆蓋。

士兵衛星通信挑戰

有效的通信和數據鏈路對于戰斗部隊在全球范圍內有效行動至關重要。盡管衛星通信網絡用于各種平臺，但當任務或位置使傳統的視線無線電接入無法進行時，士兵系統可能是最具挑戰性的。由于這些衛星通信無線電需要手提，因此SWaP對設計至關重要。此外，這些無線電需要在任何物理環境中工作 - 從叢林中的樹冠下到擁擠的大都市地區，這導致這些系統通常在300 MHz左右的UHF頻段運行。由于最初的應用設計為通過一鍵通（PTT）語音操作，因此平臺將運行時分雙工模式模組，從而節省大量功耗，因為語音帶寬為數十千赫茲，PTT允許接收器和發射器占空比。

然而，未來的士兵衛星通信要求比安全語音需要更多的信息，從監控圖像到更新的地圖和天氣信息。一種解決方案是移動用戶目標系統（MUOS），它仍然在UHF頻段運行，但數據速率和信號帶寬顯著增加。此外，MUOS是全雙工波形，這意味著接收器和發射器同時處于活動狀態。

無人機和商用航空

航空公司和公務機乘客在全球旅行時需要互聯網連接。航空公司正在尋求增加與駕駛艙的數據鏈路，而物聯網系統監控和報告的潛力需要具有數百甚至數千Mbps數據鏈路的高數據速率SATCOM平臺。

到目前為止，這種高帶寬數據鏈路主要在飛機在陸地上空提供，使用地面安裝系統提供與飛機的鏈接。例如，對于全橫貫大陸的覆蓋，SATCOM是提供與Inmarsat的L波段覆蓋連接的唯一有效方式。將來，為了達到所需的帶寬，工作頻率必須移動到Ku-波段或K一個-樂隊。雖然這些高頻可以提供所需的帶寬，但仍存在設計挑戰，系統必須支持傳統數據鏈路是不可避免的。

無人機也面臨著類似的挑戰。先進的防御無人機需要通過遠程駕駛在全球范圍內運行，可能來自不同的大陸。這些要求推動了對高帶寬數據鏈路的需求，以支持視頻、控制和高級有效載荷數據，這可能會使現有通信基礎設施飽和。隨著商用無人機在未來也將擴大覆蓋范圍，全球網絡高帶寬連接將帶來與商用航空相同的衛星通信挑戰。

Ku-樂隊/K一個-波段和LEO系統

Inmarsat正在為用戶提供使用其GEO衛星的能力。一個-波段數據鏈路，以解決上述一些挑戰。從架構的角度來看，這為帶寬不足提供了解決方案，但也給設計工程師帶來了新的挑戰。圖1顯示了在K下工作的典型超外差接收和發送信號鏈一個-波段和 Ku-樂隊。這些系統通常需要兩個，有時甚至三個模擬上變頻和下變頻級，每個級都需要一個頻率合成器、放大和濾波來驅動系統SWaP。然而，要適應現有的客機基礎設施和配電系統，為所有可能的數據鏈路提供這樣的信號鏈可能是站不住腳的。

圖 1.傳統K一個-波段/Ku-波段超外差接收和發送信號鏈。

雖然這顯然是一個簡化的原理圖，但假設每個功能都是使用分立器件實現的，SWaP的含義是顯而易見的。大量的元件、功耗和隔離挑戰意味著印刷電路板（PCB）將會很大。由于高頻布線，可能需要更多適合RF的PCB材料，從而顯著影響成本。由于需要繼續支持L波段的工作頻率，SWaP和設計工作的挑戰變得更加復雜。

LEO衛星可能會提供一些緩解。它們在低得多的高度運行 - 距離地球表面約1公里 - 但在這個高度它們不是靜止的，實際上掃過地球表面，軌道周期約為30分鐘。低空降低了發射成本，并且在不那么惡劣的環境中，可能需要更少的屏蔽和屏蔽。至關重要的是，低海拔意味著更少的傳播延遲。但LEO系統的主要困難在于衛星僅在用戶范圍內進行相當短的突發，因此需要使用切換。

無人機也可能是該問題的解決方案，某些平臺被視為擴展互聯網覆蓋范圍的一種手段。無人機可以提供低延遲高帶寬鏈路，類似于LEO，但現在具有相對靜止的好處。但是，對于全球應用程序而言，此實現的成本與覆蓋范圍可能具有挑戰性。

解決衛星通信困境

盡管上述衛星通信挑戰似乎令人生畏，但許多新的高級解決方案可用于緩解挑戰、降低SWaP或提供可在系統之間部分重用或利用的信號架構。

對于MUOS等高帶寬UHF衛星通信，新型連續時間Σ-Δ（CTSD）帶通模數轉換器（ADC）提供了RF采樣解決方案。例如，AD6676是一款集成ADC、模擬增益控制（AGC）和數字下變頻的中頻接收器子系統。CTSD ADC能夠用本底噪聲換取帶寬，從而提供系統靈活性以及固有的帶通濾波器響應，從而降低外部濾波要求。由于AD6676可以直接對MUOS下行鏈路進行采樣，因此無需前端混頻級和頻率合成器，信號鏈簡化為低噪聲放大器和簡單的無源濾波器。

圖2.AD6676接收器子系統架構

然而，由于MUOS使用全雙工模式，功率放大器（PA）的功耗也變得至關重要。由于手持式衛星通信無線電需要在1 W至10 W的功率水平下進行傳輸，HMC1099等新型氮化鎵（GaN）放大器器件可提供更高的功率效率，當與數字預失真（DPD）等其他線性化技術結合使用時，它們可為這些系統提供極具吸引力的SWaP解決方案。

對于 Ku-波段和 K一個-頻段系統，新的、集成度更高的架構提供了SWaP和信號鏈的簡化，并可能支持L波段和K之間的重要系統重用一個-樂隊。圖3顯示了AD9361 RF收發器用作IF轉換器時可能節省的成本，無需第二上變頻和下變頻級、放大器和濾波器以及ADC和DAC。

圖3.基于集成中頻接收器的K一個-波段/Ku-頻段接收和發送信號鏈。

RF收發器通常用作捷變直接變頻無線電，可用作L波段解決方案的一部分。當以這種方式使用時，它提供了跨這些平臺的重要通用性，并最大限度地提高了軟件和固件的重用。聚合SWaP也降低了，對于大多數應用，功耗僅為1.1 W，并且封裝在10 mm×10 mm的封裝中。

此外，ADF5355等新型PLL和VCO器件可提供非常寬帶、高性能、低SWaP頻率源。ADF5355采用5 mm×5 mm封裝，提供低功耗、高性能LO源，可從VHF掃描至13.6 GHz，是常見平臺設計的理想解決方案。

最后，對于未來的LEO系統，波束控制架構對于確保鏈路的效率至關重要。盡管使用HMC247等數字移相器的模擬波束成形解決方案提供了當今的解決方案，但隨著轉換器技術的集成度越來越高，低功耗器件中信號處理能力的提高，數字波束成形RF信號鏈在整個陣列中保持相同，波束在數字域中創建。數字波束控制的一個關鍵難點是管理多個ADC或DAC器件的尺寸、時序和功耗。設備之間的任何時間或過程偏差都會對光束的質量產生影響。AD9681等新器件大大簡化了數字波束控制設計。多達 8 個 ADC 均使用相同的基準電壓源和時鐘源，可提高光束質量，并且器件的集成可創建更小、功耗更低的封裝。

總結

在過去的幾十年里，SATCOM在商業和軍事通信和數據系統中發揮了越來越大的作用。但是，全球對帶寬的永不滿足的需求為未來的航空航天和國防衛星通信設計帶來了新的挑戰，需要新的架構和系統設計。無論目標是延長士兵的電池壽命，安裝到小型無人機有效載荷中，還是在下一次飛行中提供互聯網，衛星通信無線電的SWaP都將變得越來越重要。新的高線性度中頻子系統、多通道、高分辨率ADC、集成RF收發器以及VCO和PLL組合將為下一代衛星通信無線電提供低SWaP解決方案。

審核編輯：郭婷