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以AD9371系統示例小尺寸衛星,講述如何進行移動通信

2017年09月28日 17:49 作者: 用戶評論(0

  小尺寸衛星很難在室外進行融合,那是因為室外的環境只適合地面站,這種小尺寸、重量輕、低功耗的產品會是無處安放。但我們又在想若干新興市場推動了對小尺寸Ka波段接入的需求,無人機(UAV)和步兵若也能接入此類信道,那會是大大受益。

  傳統Ka波段地面站衛星通信系統依賴于室內到室外配置。室外單元包含天線和塊下變頻接收機,接收機輸出L波段的模擬信號。該信號隨后被傳送到室內單元,室內單元包含濾波、數字化和處理系統。Ka波段的干擾信號通常較少,因此,室外單元的主要任務是以線性度為代價來優化噪聲系數。室內到室外配置很適合地面站,但難以融合到小尺寸、重量輕、低功耗(SWaP)的環境中。若干新興市場推動了對小尺寸Ka波段接入的需求。無人機(UAV)和步兵若能接入此類信道,將大大受益。對于無人機和步兵,無線電功耗直接決定電池壽命,進而決定任務時長。此外,過去專門用于空中平臺的傳統Ka波段信道,現在正被考慮用于提供更廣泛的接入。這意味著,傳統上僅需要下變頻單個Ka信道的空中平臺,現在可能需要工作在多個信道上。本文將概述Ka波段應用面臨的設計挑戰,并說明一種支持此類應用實現低SWaP無線電解決方案的新架構。

  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。這在很大程度上是因為該頻率范圍內很容易實現帶寬更寬的收發器。與此同時,X、Ku和Ka波段中的發射機總數在不斷增加。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SWaP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。

以AD9371系統示例小尺寸衛星,講述如何進行移動通信

  室內和室外概述

  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。在天線端下變頻至1 GHz到2 GHz信號可防止連接到室內單元的電纜產生額外損耗。室內單元由L波段接收機和解調器組成。此單元負責對信號做進一步濾波、數字化和處理。此外,它與地面傳輸網絡相連,以便將信號發送到中央處理地點。

  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。如果接收機和發射機共用該天線,則還會有一個雙工器,用以將發射機信號和接收機信號隔離開來。

  尺寸和功耗

  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。它通常盡可能靠近天線饋線放置,以優化系統噪聲系數。室外BUC通常有相同的尺寸,而室外HPA可能非常大,具體尺寸取決于輸出功率要求。室內設備包含一個19英寸寬機架安裝解調器,它可以同其他機架安裝調制解調器或處理設備疊放在一起。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。

  低SWaP市場

  隨著全球移動通信發展的深化,以及人們期望即便在最偏遠地區也有通信和數據鏈路可用,市場對降低SWaP的呼聲越來越高。

  小尺寸衛星通信解決方案

  近年來,政府和商業對無人機的使用越來越多。無人機可用在距離其基地超過數百英里的偏遠地區,日益依賴衛星通信來發送收集到的數據及接收操作員指令。此外,我們看到商業世界開發的無人機用途越來越多,其中許多既需要與衛星通信,也需要與其他航空器通信。這導致使用的頻譜更高,而以前對高頻譜的使用非常少。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。

  

以AD9371系統示例小尺寸衛星,講述如何進行移動通信

  低SWaP衛星通信持續增長的另一個市場是手持式和便攜式領域。除安全通信外,人們還希望發生和接收其他更多內容,這導致對手持設備的需求不斷增加。人們渴求快速發送數據,包括照片、音頻文件、地圖和其他數據,以及捕獲帶寬更寬的信號。這要求提高瞬時帶寬,而外形尺寸則保持不變或比上一代更小,并且要降低功耗,以免攜帶笨重昂貴的電池包。戰術車輛自身的功率有限,空間較小,故而存在類似的SWaP限制。

  另外,與波形無關的系統有很多潛在好處,可以進行配置以使其在任何給定波形環境中發揮作用。在當今的一些軍用系統中,航空器上需要三到五個不同的收發器系統以幫助不同系統相互通信。將這些系統合并成一個與波形無關且具有軟件定義靈活性的系統,可以讓衛星尺寸縮小5倍。

  低SWaP的設計挑戰

  隨著來自低SWaP市場的需求不斷增加,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(IF)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。而且這些濾波器并不便宜,每個通常要花費200美元或更多。就此而言,較高中頻會很有利,因為這樣可以降低濾波器要求。

  此外,在低SWaP市場中,網絡的不同節點以網格方式通信,部分網絡沒有地面基礎設施。由于沒有一個中央位置來執行處理,因此,各收發器必須能夠處理收到的數據。傳統衛星通信市場的天線與處理器之間是分離的,但在低SWaP市場,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網絡應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。

  為了解決這些接收機挑戰,傳統辦法是采用超外差架構,其會將Ka波段下變頻至L波段,在下變頻到L波段之前可能還有一個中間級。這種方法需要使用大濾波器,器件數量多且功耗高,無法支持低SWaP要求。鑒于上述限制,典型超外差架構開始在此類應用中勢微。

  高中頻架構

  針對此類市場,更好且更合適的架構是高中頻架構。這種架構利用了直接變頻收發器相關技術的最新進展。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。但最新進展表明,利用這種技術可以滿足高性能需求。

  這些器件的一些最新進步包括:帶寬更高、線性度更好、集成數字信號處理功能更多、校準更輕松。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。

  此類器件的另一個進步是集成了連續時間Σ-Δ型ADC (CTSD)。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。

  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1 GHz(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,故而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。

  采用AD9371的系統示例

  圖1顯示了此類系統的一個例子。該系統由一個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。

  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弱,利用現成的廉價小型LTCC濾波器即可輕松完成。這里的關鍵點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。

  結語

  世界各地都需要借助通信和數據實現連接,這使得衛星通信收發器的數量越來越多。近年來,X和Ku波段日益擁擠,故而推動低SWaP系統向Ka波段發展。無人機、手持式無線電或戰術車輛上安裝的衛星通信網絡的激增,強烈要求通過創新方法來降低SWaP,同時保持高性能指標。在高中頻架構中,我們已展示了一個合適的平臺來在這些頻段中實現更高的選擇率,其利用了目前可用的集成直接變頻收發器的小尺寸和低功耗特性。AD9371用作中頻收發器可將收發器的整體尺寸縮小一個數量級,從而為解決下一代衛星通信難題提供大量解決方案。

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( 發表人:黃昊宇 )

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