现代小型化卫星通信设计方案

随着移动通信的不断发展，移动通信技术已经发展到第五代，第六代技术也呼之欲出，它的各项标准正在紧锣密鼓地制定中。相比于前五代技术，第六代移动通信在信号覆盖方面，将不仅仅依赖于地面基站，同时还会使用到卫星，也就是我们所说的 “天地一体化”。未来通信技术的发展趋势将推动 RF 系统实现更宽带宽、更高性能、更低功耗，同时提高频率范围且尺寸小型化的力量越来越强大。

当前卫星通信设备需求日益递增，加上体积成本和功耗方面的原因，传统的卫星通信设备已然不能满足要求，需要成本更低，体积更小，功耗更低的设备来替代。本文将从传统方案和现代小型化方案两个方面加以阐述，为大家介绍 ADI 最新集成化方案。

传统超外差接收与发射方案

传统超外差接收与发射方案，可以提供很高的指标 (如 IP3 OP3、P1dB、隔离等)，但同时也带来了更高的成本功耗以及较大的尺寸，不利于大范围高密度部署。传统超外差收发系统，如下图 (图1) 所示：

图1 传统超外差收发系统

传统方案的具体通信链路，如下图 (图2) 所示： 

图2 传统超外差接收和发射信号链

ADI 集成化方案

随着软件无线电技术的发展，无线通信系统更加集成化、小型化。ADI 研发出独有的第一代 Transceiver 芯片 AD936X 系列，和更高带宽的第二代 AD937X 系列，以及能支持 5G 的第三代 ADRV900X 和 ADRV902X 系列。不仅如此，第一代产品还新开发了升级版 ADRV9002/3/4 系列，提升工艺性能的同时还能降低了功耗。

KA 频段卫星通信解决方案

ADI Transceiver 完美解决了 Sub-6G 的通信问题，当然 6G 以上乃至更高的卫星频段，ADI 同样有非常集成化的解决方案。以 Transceiver 为基础可以向上扩频到 X, KA .KU 频段，以下先讲解 KA 频段卫星通信解决方案。采用 AD9371 的接收机和发射机卫星通信系统，如下图 (图3) 所示，整个方案 Sub-6G 模块可以固定，只需要切换射频前端就能实现不同频段的扩频通信。

图3 采用 AD9371 的接收机和发射机卫星通信系统

ADI 通过不断创新研发，推出了一系列集成本振的射频前端变频模组，比如 RX: ADMV4420、TX: ADMV4530 (KA 频段)，以及最新的 KU 频段的 (TX) ADMV4630 和 (RX) ADMV4640。它们进一步简化了射频前端的设计难度，同时降低了功耗和成本。

(TX) ADMV4630 的基本指标参数

IF to Ku band upconverter with integrated PLL

RF output frequency range: 14.0GHz to 14.5GHz

Internal LO frequency range: 8.7GHz to 10.7GHz

IF input frequency range: 3GHz to 5GHz 

Noise floor density: <−140 dBm/Hz

Matched 50Ω single-ended RF output and IF input

On-chip power detector

On-chip ADC

Provides transmitter synthesizer lock detect

Programmable at 20MHz via 4-wire SPI interface

Transmitter mute function

40-lead, 6mm × 6mm LFCSP package 

ADMV4630 原理框架，如下图 (图4) 所示：

图4 ADMV4630 原理框图

(RX) ADMV4640 的基本指标参数

X/Ku band to IF downconverter with integrated PLL

RF input frequency range: 10.7GHz to 12.7GHz

Internal LO frequency range: 8.7GHz to 10.7GHz

IF output frequency range: 1.4GHz to 2.2GHz

Noise figure: 5.2dB, minimum attenuation, LNA low gain mode

Matched, 50Ω, single-ended RF input and IF output

On-chip temperature sensor

On-chip ADC

Receiver synthesizer lock detect pin

Programmable at 20MHz via 4-wire SPI interface

Receiver standby function

40-lead, 6mm × 6mm LFCSP package 

ADMV4640 原理框架，如下图 (图5) 所示：

图5 ADMV4640 原理框图

KU 波段小型化通信系统方案

变频产生的交调、互调，以及本振泄露等无用或干扰信号，在最终信号处理之前都需要被滤除，否则将对通信系统产生灾难性的后果。针对这个问题 ADI 研发出可调谐带通滤波器如 ADMV8526 和 HMC892A，相比于传统陶瓷和腔体滤波器，它拥有更加灵活的配置和中心频率可变的优点，同时大大减小了尺寸。有了这些集成化的产品，通信系统就能实现小型化。

图6 KU波段小型化通信系统方案

ADMV8526 和 HMC892A 解决了传统滤波器的体积问题，同时中心频率可以灵活切换。ADMV8526 原理框架，如下图 (图7) 所示：

图7 ADMV8526 原理框图

ADMV8526 的基本指标参数

Digitally tunable, octave, band-pass tuning

3dB bandwidth: 9% ± 2%

Rejection (20dB): 16% away from fCENTER

Single chip replacement for discrete filter banks

Compact 10mm × 10mm × 1.99mm LGA package

除此之外， ADI 还在电源上极具创新，开发出了业界噪声最低、PSRR 最好的 LDO 产品 LT3042/3045，进一步提升了 LO 的相位噪声。与此同时，ADI 开发出了第三代的 Silent Switch 技术，使得 DC/DC 转换器的性能近乎于 LDO 的指标，进一步简化了传统射频系统供电的电源树，代表产品为 LT8625S/LT8627S 系列。

图8 LT8625S 输出噪声指标

Silent Switcher3 架构

超低 RMS 噪声 (10Hz 至 100kHz): 4μVRMS

超低散粒噪声: 4nV/√Hz (10kHz 时)

在任何 PCB 上具有超低 EMI 辐射

内部旁路电容可降低辐射 EMI

高频高效率

LT8625S 的基本性能参数

具有高增益误差放大器的超快速瞬态响应

输入电压范围: 2.7V 至 18V

连续输出电流: 8A (最大值)

最短快速导通时间: 15ns

精密基准电压源: 整个温度范围为 ±0.8% (远程检测)

PolyPhase 操作: 最多 12 个相位

强制连续模式能力

可调及可同步频率范围: 300kHz 至 4MHz

可编程电源良好

小型 20 引脚 4mm × 3mm LQFN 封装

总结

本文介绍了传统超外差接收与发射方案和现代小型化卫星通信方案，ADI 最新集成化方案。随着技术的不断发展，ADI 的产品也在不断进步，为广大工程师带来更多更好的解决方案，引领行业不断向前发展。

编辑：黄飞