无需RF变频重构Ka波段卫星通信的方法

shuszhao · 发表于 2021-6-25 08:59:40

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电信卫星的运营商希望能够在世界任何地方、任何时间为其客户提供灵活的数据和广播服务。瞬息万变的全球性事件——例如突发新闻、飞机的持续监控或全球时区的不同需求——都对卫星传输信号的覆盖范围、形状、大小和功率，以及其中所包含的通信信道的带宽和容量提出了实时、每日或季节性的要求。
目前的卫星设计方法由于特定于任务和个人客户的RF需求，几乎每种新应用都需要更改接收机和发射机的规格。这给关键项目增加了不必要的、非经常性的重新设计和重新鉴定成本和工作量，运营商也抱怨开发有效载荷的成本过高，交付时间过长。如今，全球卫星产业受到传统RF变频灵活性差、复杂性高，以及功耗、质量、尺寸和成本等各方面的困扰。对于提供多达50个通道的对地静止地球轨道(GEO)电信卫星的主要供应商而言，模拟超外差转换器使有效载荷的总成本增加了40%以上。
竞争大型全球招标的卫星制造商希望为运营商提供灵活的通信服务，从而适应实时的用户需求和不断变化的链路要求。尽管航空电子技术取得了重大进步，其有效载荷为客户提供了更大的带宽和更高的数据吞吐量，但转发器的设计几十年来总体保持不变。OEM厂商受当前收发器技术所限制，其积极性受通过在轨硬件的可重新配置性提高任务灵活性，而为运营商提供增加的收入和效率所激发。现在，一些典型配置包括了其他硬件，可以在需要时将其切入和切出。这种方法导致有效载荷的质量、功耗、成本和效率低下性都随着航天器所有者所要求的灵活性水平而增加。图1说明了具有机载数字处理功能的多通道电信转发器的体系结构。

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图1：传统数字卫星有效载荷的架构。
宽带空间级ADC于10年前推出，据此就能对L和S波段载波实现直接数字化。对于以这些频率进行通信的卫星，带通欠采样技术使接收机能够对RF上行链路进行直接数字化，从而无需使用传统的超外差下变频器。这导致转发器的物理尺寸更小、质量更轻、功耗更低，以及成本更低。
大约在同一时间，首个宽带空间级DAC也获得了推出，据此就能将数字基带直接上变频为C波段。归零模拟输出的使用减少了较高奈奎斯特区中的sinc滚降，从而就可以以这些频率访问图像。对UHF、L、S和C波段卫星来说，无需传统的RF上变频器就可以使用EV12DS130 MUX-DAC发送器，从而提供了体积更小、质量更轻、功耗更低、成本更低的转发器(图2)。

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图2：宽带空间级ADC和DAC支持数字有效载荷的直接变频。
EV10AS180A和EV12DS130不仅消除了传统RF变频的需要，还使卫星通信能够利用软件定义无线电(SDR)的优势，为运营商提供更高的灵活性，例如能够响应实时用户需求而在轨更改RF频率计划。对转发器制造商而言，SDR能够通过出售可供通信、对地观测、导航和IoT/M2M应用重复使用的单个通用多任务有效载荷，使他们减少非重复性工程(NRE)和重复性工程成本。
L和S波段的传统卫星通信变得很拥挤，为了利用更大的信息带宽，运营商转向了Ku、K和Ka波段。为了支持这些更高的频率，首个宽带、空间级ADC和DAC获得采用，据此就可分别通过直接数字化和重构IF载波来减少整个RF变频级的数量(图3)。

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图3：K波段数字有效载荷的目前架构。
为了支持向Ka频段的过渡，Teledyne e2v于2019年开始进行研究，探讨了新型K频段(18至27GHz)ADC的潜力，他们使用一个24GHz前端、跟踪与保持放大器以及一个交错四个ADC核心的四通道ADC对其进行了实现。他们开发了一个原型并进行了测试，结果表明，与基带工作相比，针对更高的频率优化INL校准，以及最大程度地降低单个ADC之间的失调失配，可以使动态K波段性能实现最大化(图4)。

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图4：概念验证K波段ADC(上)，以及测得的性能(下)。(图片来源：Teledyne e2v)
该研究的最终目标是开发首个用于卫星通信的Ka波段ADC和DAC，据此消除传统的模拟变频。这将为运营商提供更高的在轨灵活性和实时RF敏捷性。2020年的进一步研发发现，从首个原型可实现的性能存在局限性。要想增加信噪比(SNR)、无杂散动态范围(SFDR)以及从K频段到Ka频段的频率，需要进行一些根本性的改变。
在过去的五十年中，摩尔定律一直在推动半导体行业的发展，利用各种更小的几何结构提高性能并降低功耗。通过利用CMOS小型化所获得的更快的速度和更低的功耗的优势，使用直接变频ADC和DAC实现L、S和C波段的SDR成为了可能。但是，在28nm以下，由于工艺寄生效应，Fmax从360GHz的峰值发生下降，而最新的超深亚微米节点太小，而不足以支持Ka波段混合信号转换器的开发。此外，在这些几何结构下的制造成本是天文数字，对于体积相对较小的航天工业来说，在商业上是不可行的。90nm SiGe异质结双极晶体管(HBT)的Fmax目前为600GHz。
为了提高较高奈奎斯特区的动态性能并从K频段变为Ka频段，需要使用与概念验证ADC所用所不同的外形尺寸。系统级封装(SiP)由于可将多个不同的裸片放置在单个公共衬底上，因此实现了显著的RF小型化。微波频率下的封装寄生效应(尤其对于引线键合的有引脚器件)，以及材料的选择，都限制了Ka波段的性能。传统的RF MMIC使用LTCC衬底，研究表明，使用更快的有机衬底可改善在更高频率下的工作。
2020年，第二个原型获得开发，它结合了两个CMOS交错式四通道ADC和一个SiGe 30GHz跟踪保持放大器。如图5所示，它将在较高频率下具有较低寄生效应的倒装裸片安装在低介电常数的有机衬底上，然后放置在33mm×19mm的小尺寸SiP中。其在K频段测得了改进的性能。

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图5：第二个K波段ADC的原型(上)获得了性能改进(下)。(图片来源：Teledyne e2v)
在2019年和2020年进行研究之后，Teledyne e2v计划在2021年下半年发布用于太空应用的首个Ka波段ADC的样品。这款SiP产品将包括40GHz前端跟踪和保持放大器，以便能直接采样Ka波段载波。
为了补充Ka波段ADC的发展，还将提供12位、12GSPS、25GHz DAC，从而实现软件定义微波(SDM)的卫星通信。与最初的空间级SDR DAC EV12DS130相比，EV12DD700将采样频率、重构带宽，以及可将基带数字输入直接上变频的频率范围提高为原来的四倍。新型EV12DD700包含一种新颖的2RF模式，据此就可访问K波段较高奈奎斯特区中的图像。
这种双通道器件还提供了×4、×8和×16插值比，据此就可降低输入数据速率；它还提供了可编程数字反sinc滤波器，用于平坦化频域中两个通道的输出响应。实数和复数I/Q数据可以重建，并且每个DAC均可对增益、内插因子和数字上变频(DUC)本振频率进行独立调整。集成的DDS可以生成斜坡、CW音调或线性调频(chirp)信号，并且还支持快速跳频而对下行链路提供保护。与DAC的归零上变频模式不同，使用DUC的话，可以使用较少的串行链路将瞬时带宽减小的基带输入转换到较高的奈奎斯特区域。

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图6：EV12DD700 DAC(左)及其直接上变频模式(右)。(图片来源：Teledyne e2v)
为了支持卫星通信，特别是波束成形应用，ADC和DAC都具有使多个通道上的增益和相位延迟同步的功能，这样就可确保确定性的延迟以及处理。上电后，SYNC输入脉冲将两个器件的时钟路径内的所有分频器复位，以便确保电路确定性地重启。SYNCO输出则连接到另一个器件以进行多器件锁定。
ADC和DAC的数字接口使用12Gbps高速串行链路和ESIstream协议实现。这是基于14b/16b编码的，每个帧都包含加扰的数据以确保定时过渡以及两位开销：一位用于控制直流平衡的差异，另一位用于触发同步监视。与上述ADC/DAC SYNC和SYNCO信号结合使用时，这些链路支持多器件同步和确定性延迟。现在已有免费ESIstream IP可用于空间级FPGA！
此处YouTube视频演示了Ka波段ADC和DAC原型的功能。
第一次，Ka波段ADC和DAC的前景提供了将SDR扩展到SDM进行卫星通信的潜力。这将使运营商能够改变RF频率计划和在轨转发器运行，而对实时用户需求和链路要求做出响应。通过重新配置单个有效载荷的规范和功能，技术演示卫星将能够提供电信、地球观测、物联网和导航服务，并降低新的多任务概念的风险。
RF的敏捷性和弹性将使运营商能够响应不断变化的通信和市场需求，从昂贵的航天器资产中获得最大的回报。重新配置和重复使用相同的转发器硬件的能力具有很大的破坏性，将减少NRE和重复成本，将延长硬件的任务寿命，并降低访问卫星通信的总体价格。使用Ka波段ADC和DAC将为RF有效载荷带来主要的SWaP优势！
能够改变有效载荷的RF上行/下行载波频率、瞬时处理的带宽、波形和调制类型，以及通过重新配置FPGA在轨提供的基本服务，这代表卫星通信领域取得了颠覆性的进步。“SoftSats”将会赋能许多新的任务类型和转发器体系结构，我也想了解一下各位如何在未来的应用中利用这种独特的技术。例如，您是否仍将收发器放置在主有效载荷内？您是否考虑将Ka波段ADC和DAC放置在接收和发射天线处，分别直接处理上行链路和下行链路载波，然后使用高速电链路或光链路连接到机载数字处理器，如图7所示？

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图7：分布式卫星接收器架构。(图片来源：Teledyne e2v)
Ka波段ADC和DAC的首批样品将于今年上市，另有采购和鉴定选项以及辐射硬度数据，将在不久后发布。
为了向航天工业提供进一步的集成和机载处理优势，还将以小尺寸外形将微波ADC和DAC与合格的FPGA相结合来提供SiP(图8)。第一个产品会以Xilinx的XQRKU060器件为基准，并计划在总体路线图中增加空间级FPGA。

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图8：计划中的产品概念将RF ADC和DAC与Xilinx的XQRKU060 FPGA结合在一起。
Rajan Bedi博士是Spacechips的首席执行官和创始人，该公司设计和制造了一系列先进的L频段至Ku频段、超高吞吐量机载处理器和转发器，用于电信、地球观测、导航、互联网和 M2M/IoT卫星。Spacechips的设计咨询服务负责开发定制的卫星和航天器子系统，并建议客户如何使用和选择合适的元器件，以及如何设计、测试、组装和制造太空电子产品。