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ADI公司供稿 向小型化發(fā)展是全球衛星產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)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(zhì)量在500kg以下，相比于大型航天器具有研制時(shí)間短、開(kāi)發(fā)/發(fā)射費用低、機動(dòng)靈活、組網(wǎng)能力強等優(yōu)勢，小衛星在政府和商業(yè)航天領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣泛。 衛星通信行業(yè)的最新趨勢顯示，信號傳輸正從X波段和Ku波段推進(jìn)到Ka波段。過(guò)去，Ka波段中的發(fā)射機數量非常少，但隨著(zhù)這種趨勢的發(fā)展，此范圍內的頻譜會(huì )變得越來(lái)越擁堵。這給此類(lèi)系統的收發(fā)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(chǎng)，這些市場(chǎng)的尺寸和功耗要求會(huì )限制可達到的選擇率。由于選擇率壓力越來(lái)越大，人們自然會(huì )折中考慮，降低選擇率要求。某些情況下，例如頻譜環(huán)境不那么明確的移動(dòng)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(yōu)先目標。 新興移動(dòng)衛星通信帶來(lái)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(kāi)的。室外設備由Ka波段天線(xiàn)、低噪聲塊(LNB)和下變頻級組成，其將Ka波段信號下變頻為L(cháng)波段信號，然后發(fā)送到室內單元。LNB和下變頻級通常合并為一個(gè)單元，其輸出端利用同軸電纜或光纖將信號發(fā)送到室內以供進(jìn)一步處理。在發(fā)射側，波形產(chǎn)生發(fā)生在室內L波段設備中。信號通過(guò)同軸電纜或光纖發(fā)送到室外設備。室外設備包含如下器件：一個(gè)塊上變頻器(BUC)，用以將信號從L波段變頻至Ka波段；一個(gè)HPA，用以將信號放大到所需的發(fā)射功率水平；以及一根天線(xiàn)。 由于是永久設施，固定安裝地點(diǎn)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(gè)19英寸寬機架安裝解調器。此設備負責完成接收和發(fā)射衛星通信信號的任務(wù)，但其SWaP效率可能不是很高。 隨著(zhù)政府和商業(yè)無(wú)人機使用越來(lái)越多以及便攜式領(lǐng)域應用設備對衛星通信功能的需求增長(cháng)，傳統的固定安裝基礎設施的衛星通信已經(jīng)滿(mǎn)足不了要求，而且要求更高的瞬時(shí)帶寬以滿(mǎn)足圖形以及語(yǔ)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(lái)說(shuō)，單單濾波這一項要求就會(huì )使此類(lèi)系統的尺寸增加不少。隨著(zhù)頻率范圍提高到Ka波段，當下變頻到1 GHz中頻時(shí)，越來(lái)越難以實(shí)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(huì )增加這些濾波器帶來(lái)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(xiàn)，這種本地處理為此類(lèi)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(shí)鐘速率和器件功耗越高。在傳統固定安裝的Ka波段網(wǎng)絡(luò )中，可以使用高達1 GHz的瞬時(shí)帶寬。在低SWaP市場(chǎng)中，100 MHz到200 MHz更符合實(shí)際。針對此類(lèi)市場(chǎng)，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(fā)器相關(guān)技術(shù)。在直接變頻收發(fā)器中，輸入RF能量直接變頻到基帶，并分割為I和Q兩個(gè)單獨的流。此類(lèi)產(chǎn)品已將其頻率范圍提高到6 GHz，從而支持新的獨特使用場(chǎng)景。 過(guò)去，這些器件的性能滿(mǎn)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(shù)的新突破已經(jīng)可以滿(mǎn)足這些高性能需求，特別是實(shí)現了更高帶寬、更好線(xiàn)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(jìn)行調整。在頻譜擁擠的環(huán)境中，此類(lèi)器件的高線(xiàn)性度還有助于提高性能。這會(huì )使靈敏度略有降低，但在這種環(huán)境中，此類(lèi)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(jìn)一步幫助解決擁擠環(huán)境中常見(jiàn)的許多通道選擇率問(wèn)題。此類(lèi)器件還集成了連續時(shí)間Σ-Δ型ADC，抗混疊濾波是這類(lèi)ADC的固有功能，因此不再需要SAW濾波器，這有助于降低此類(lèi)系統的延遲。 基于A(yíng)DI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(lèi)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(jiǎn)化是縮小此類(lèi)系統尺寸的一個(gè)因素。）ADI公司前幾年推出的捷變頻收發(fā)器AD9371就是此類(lèi)高中頻架構的一個(gè)典型案例，這是一款高度集成的寬帶RF收發(fā)器，提供雙通道發(fā)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A(yíng)D9371的系統案例，此系統由一個(gè)17 GHz到21 GHz的接收機通道和一個(gè)27 GHz到31 GHz的獨立發(fā)射機通道組成。從接收機通道開(kāi)始，輸入RF能量先由Ka波段LNA放大，再進(jìn)行濾波以讓17 GHz到21 GHz信號通過(guò)混頻器�；祛l器利用一個(gè)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(lái)自m × n鏡像的雜散信號通過(guò)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(huì )比傳統系統要低。 
圖. 采用AD9371的接收機和發(fā)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(huì )進(jìn)行進(jìn)一步放大和濾波，然后發(fā)送到AD9371。高中頻所需的濾波比較簡(jiǎn)單，利用現成的廉價(jià)小型LTCC濾波器即可輕松完成。這里的主要關(guān)注是要確保無(wú)中頻諧波影響AD9371。在發(fā)射側，AD9371可用來(lái)產(chǎn)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(gè)通道之間發(fā)生串擾的可能性。然后對輸出濾波以降低諧波水平，接著(zhù)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(lái)完成。 此外，采用直接變頻收發(fā)器可為頻率規劃提供更大的靈活性。這里僅給出了一個(gè)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(wèn)題的雜散響應，或者像人們對軟件定義無(wú)線(xiàn)電的預期那樣進(jìn)行性能優(yōu)化。 總結 盡管通用移動(dòng)通信獲得迅猛發(fā)展，但對隨時(shí)隨地實(shí)現通信和數據連接的需求來(lái)說(shuō)依然有盲區，小尺寸衛星通信市場(chǎng)由此快速發(fā)展，。此外，隨著(zhù)X和Ku波段日益擁擠，推動(dòng)低SWaP系統向Ka波段發(fā)展。利用利用集成式收發(fā)器AD9371的高中頻架構，用GSPS ADC取代集成收發(fā)器以提高瞬時(shí)帶寬，并有效滿(mǎn)足低SWaP要求。 |
