衛星通信的SATCOM系統設計解決方案

過去二十年來，商用航空領域一直依賴衛星通信協調民用航空乘客出行。隨著數據流量和物聯網(loT)應用的增長，對衛星通信系統的需求已達到頂峰。

對于商用噴氣機和大型客機而言，商用飛機的高帶寬數據訪問需求也增長顯著。我們發射了支持更高頻率的新衛星，以實現這種帶寬增長。本文將考察這些技術趨勢，以及可通過市場上提供的可定制架構實現所需性能并縮短上市時間的解決方案。

SATCOM介紹和歷史

不斷提高數據速率的需求正在推動SATCOM領域中的許多新發展。SATCOM鏈路的數據速率將從kbps提高至Mbps，這將實現更高效的數據和視頻傳輸。無人機的大幅增加為SATCOM鏈路創造了一個新的舞臺。而且，商業航空航天市場中對數據和互聯網接入不斷增長的需求正在推動Ku頻段和Ka頻段不斷發展，以支持最高達1000 Mbps的數據速率。同時，支持傳統數據鏈路、最大限度減小尺寸、重量和功耗(SWaP)和減少系統開發投入也正在推動對開發靈活架構和最大限度提高系統重用率的需求。

SATCOM系統通常利用對地靜止軌道(GEO)衛星—相對于地球表面靜止的衛星。要實現對地靜止軌道，衛星必須具有非常高的海拔高度—與地球表面的距離超過30 km。這樣的高軌道的好處在于，覆蓋大面積的地面只需要很少的衛星，而且由于知道其固定坐標，因此將數據傳輸至衛星較為簡單。由于這些系統的發射成本較高，因此它們專為長使用壽命而設計，非常穩定，但有時也會有點過時。

由于海拔高度較高且存在輻射，因此往往需要采用額外的設備屏蔽或衛星屏蔽措施。而且，由于衛星離得太遠，地面上的用戶可能會有重大信號損失，同時還會影響信號鏈設計和元件選擇。地面到衛星的距離較長還會造成用戶和衛星之間的高延遲，這會影響部分數據和通信鏈路。

最近，人們提出了許多GEO衛星的替代方案或補充系統，無人飛行器和低地軌道(LEO)衛星也正在考慮當中。借助低軌道，這些系統可減小基于GEO的系統方面的挑戰，但會影響覆蓋范圍，需要更多的衛星或無人飛行器才能實現類似的全球覆蓋。

商用航空

飛機和商用噴氣機乘客在全球旅行時需要連接互聯網。航空公司正在力求增加駕駛艙的數據鏈路，而實現loT系統監控和報告則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落地時提供，并使用一個安裝在地面的系統實現與飛機的連接。如果要實現橫跨大陸的覆蓋，SATCOM是唯一能夠實現連接的有效方法，例如國際海事通信衛星的L頻段覆蓋。在未來，要達到所需的帶寬，工作頻率必須移至Ku頻段或Ka頻段。這些這些高頻率可提供所需的帶寬，但仍然存在許多設計挑戰，而且系統必須支持傳統數據鏈路。

Ku頻段/Ka頻段和LEO系統

國際海事衛星組織正在為用戶提供使用具有Ka頻段數據鏈路的GEO衛星的功能，以應對前面提及的一部分挑戰。從架構的角度來說，這提供了一種解決帶寬不足問題的方案，但同時也對設計工程師引入了一些新的挑戰。圖1描述了在Ka頻段和Ku頻段工作的典型超外差接收和發送信號鏈。這些系統往往需要兩個模擬上變頻和下變頻階段，有時候甚至三個，每個階段需要一個合成器、放大系統和增大系統SWaP的濾波系統。但是，要在包含適用于所有可能數據鏈路的此類信號鏈的現有飛機架構和配電系統內實現匹配不太可能。

盡管這明顯是一個簡化原理圖，但通過假定每項功能使用分離元件實現，SWaP的含義清楚明了。元件數量大、功耗大和隔離難題多意味著印刷電路板(PCB)將非常大。而且由于高頻布線，可能需要更多RF適當的PCB材料，這會顯著影響成本。除了需要繼續支持L頻段的工作頻率外，SWaP和設計工作難題也很復雜。

LEO衛星可能緩解了一些壓力。這類衛星在低得多的海拔工作—與地球表面的距離約為1 km—但在此海拔，它們并非靜止，而是迅速掠過地球表面，一個軌道周期約為30分鐘。低海拔可降低發射成本，而且由于環境沒有那么惡劣，需要的屏蔽和防護也更少。最重要的是，低海拔也意味著傳播延遲更小。但是LEO系統的主要困難在于，衛星在用戶范圍內的時間相當短，必須使用傳送系統。

無人機也可能是此問題的一種解決方案，也可將某些平臺視為擴展互聯網覆蓋范圍的手段。無人機可提供低延遲高帶寬鏈路，類似于LEO，但現在還具備了相對靜止的優勢。但是，這種方案的成本與覆蓋范圍對全球應用而言具有挑戰性。

解決SATCOM困境

盡管上文所述的SATCOM難題看起來非常棘手，但現在已經有許多新的先進解決方案可應對這些難題，減小SWaP，或提供能夠部分重用或在系統之間進行使用的信號架構。

對于MUOS等高帶寬UHF SATCOM，新的連續時間Σ-Δ型(CTSD)帶通模數轉換器(ADC)可提供RF采樣解決方案。例如，AD6676是一款整合了ADC、模擬增益控制(AGC)和數字下變頻的中頻接收機子系統。CTSD ADC可用噪底交換帶寬，提供系統靈活性和固有帶通濾波響應，從而降低外部濾波要求。由于AD6676能夠直接采集MUOS下行線路，消除了前端混合階段和合成器，信號鏈減少至一個低噪聲放大器和一個簡單的無源濾波器。

但是，由于MUOS采用全雙工模式，功率放大器(PA)的功耗也變得至關重要。手持型SATCOM無線電需要在1 W和10 W之間的功率水平傳輸，新的氮化鎵(GaN)放大器設備，例如HMC1099，能夠提供更高的功率效率，結合數字預失真(DPD)等其他線性化技術后，它們可提供對這些系統而言極具吸引力的SWaP解決方案。

對于Ku頻段和Ka頻段系統，全新、集成度更高的架構提供SWaP和信號鏈簡化功能，以及支持重要系統在L頻段和Ka頻段之間重用的功能。圖3描述了AD9361 RF收發器在用作中頻轉換器時能夠節約的功耗，消除了兩個上變頻和下變頻階段、放大器和濾波器，以及ADC和DAC。

RF收發器通常用作一種靈活的直接變頻無線電，這使其能夠用作L頻段解決方案的一部分。按照這種方式使用時，它可在這些平臺中提供明顯的共性，并且可最大限度提高軟件和固件的重用率?？係WaP同樣有所減小，大部分應用中僅消耗1.1 W的功率，而且能夠封裝在10 mm × 10 mm的空間中。

此外，新的PLL和VCO設備，例如ADF5355，能夠提供超寬帶、高性能、低SWaP頻率源。ADF5355采用5 mm × 5 mm封裝，能夠提供低功耗、高性能LO源，這些來源能夠從VHF一直掃描到13.6 GHz—為公共平臺設計提供了一種理想的解決方案。

最后，對于未來的LEO系統，波束控制架構對確保鏈路的效率至關重要。盡管使用HMC247等數字式移相器的模擬波束形成解決方案可提供今天的解決方案，由于轉換器技術變得越來越集成化，增強的信號處理過程變得更易在低功耗設備中使用，數字波束形成轉變成了一種非常有吸引力的架構。在這種方法中，RF信號鏈在整個陣列中保持相同，波束在數字域中形成。數字波束控制的主要困難在于管理多個ADC或DAC設備的尺寸、時序和功率。設備間的任意時間或處理偏差都會對波束的質量產生影響。AD9681等新設備可大幅簡化數字波束控制設計。使八個ADC均使用一個相同的電壓基準和時鐘源可提高波束質量，而集成式設備則可減小封裝尺寸并降低功耗。

總結

近幾十年來，SATCOM在商用和軍用通信和數據系統中扮演的角色越來越重要。但是，全球對帶寬不斷增長的需求對未來航空航天和防務SATCOM設計創造了新的挑戰，同時還需要新的架構和系統設計。無論目標是延長士兵電池壽命，與較小無人機負載相匹配，還是在下一航班中提供互聯網，SATCOM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、集成式RF收發器以及VCO和PLL組合將向下一代SATCOM無線電提供低SWaP解決方案