小型卫星通信解决方案

作者：Brad Hall and Wyatt Taylor

Ka波段的传统地面站卫星通信系统依赖于室内到室外的配置。室外机包括天线和一个块下变频接收器，用于输出L波段的模拟信号。然后将信号传递到室内机，其中包含滤波、数字化和处理系统。由于Ka波段的干扰信号通常很少，室外机专注于以牺牲线性度为代价来优化噪声系数。室内到室外配置适用于地面站，但很难过渡到低尺寸、重量和功耗 （SWaP） 环境。几个新市场正在推动对小尺寸Ka波段接入的需求。无人驾驶飞行器（UAV）和下马士兵将受益于这些通信渠道。对于无人机和下马士兵来说，无线电功耗直接转化为电池寿命，进而转化为任务长度。此外，过去特定于机载平台的传统Ka波段信道现在正在考虑进行更广泛的访问。这意味着传统上只需要下变频单个Ka通道的机载平台现在可能需要在多个通道上运行。本文将概述Ka波段面临的设计挑战，并概述一种新架构，该架构将为这些应用提供低SWaP无线电解决方案。

介绍

卫星通信行业的最新趋势显示了X和K的推动u-波段至Ka波段传输。这种推动力主要是由于在此频率范围内实现更宽带宽收发器的难易程度。同时，整个X-、K的发射机总数u- Ka波段正在增长。从历史上看，Ka-中的发射器很少，但随着这种趋势的继续，这个范围内的频谱变得越来越拥挤。这给这些系统的收发器设计带来了挑战，特别是对于尺寸和功率限制可实现选择性的低SWaP市场。由于选择性压力的增加，灵敏度存在自然的权衡。在某些情况下，例如在光谱环境定义较少的移动平台中，这种权衡是有意义的。在干扰非常可预测的其他平台中，灵敏度仍将是最高优先级。

室内和室外概述

在典型的永久性卫星通信安装中，室外设备和室内设备之间存在功能划分。室外设备由Ka波段天线、低噪声模块（LNB）和下变频级组成，下变频级在发送到室内机之前将Ka波段信号向下转换为L波段。LNB和下变频级通常组合成一个单元，其输出使用同轴电缆或光纤将信号发送到室内进行进一步处理。在天线处向下转换为 1 GHz 至 2 GHz 信号可防止通过电缆连接到室内机的额外损耗。室内单元由L波段接收器和解调器组成。该单元负责进一步过滤、数字化和处理信号。此外，它还与地面传输网络接口，将信息发送到中央处理位置。

在发射侧，波形生成发生在L波段的室内设备中。信号通过同轴电缆或光纤发送到室外设备。室外设备包括一个块上变频器（BUC），它将信号从L波段传输到Ka波段，一个HPA，将信号放大到所需的发射电平，以及一个天线。如果天线在接收器和发射器之间共享，则还存在一个双工器，用于将发射器信号与接收器信号隔离。

尺寸和功率

由于其永久安装，固定安装地点的组件通常不是为低SWaP而设计的。室外 LNB 可大至 10“ × 4” × 4“，具体取决于功能和过滤。这通常放置在尽可能靠近天线馈电的位置，以优化系统噪声系数。室外 BUC 通常具有相同的尺寸，而室外 HPA 可能非常大，具体取决于输出功率要求。室内设备由一个 19 英寸宽的机架式解调器组成，可以与其他机架式调制解调器或处理设备堆叠在一起。尽管该设备可以完成接收和发送卫星通信信号的任务，但它并不总是以SWaP高效的方式完成。

低SWaP市场

随着世界趋向于移动通信，以及即使在最偏远的地区也应该提供通信和数据链路的期望越来越高，市场正朝着低SWaP解决方案的方向发展。

近年来，无人机在政府和商业目的方面的使用有所增加。无人机可能会在距离其基地数百英里的世界偏远地区使用，并将越来越依赖卫星通信来发送收集的数据，并从其操作员那里接收命令。此外，我们看到商业世界开始提出越来越多的无人机用途，其中许多需要与卫星和其他飞机进行通信。所有这些都导致了历史上很少的频谱使用。随着频谱变得越来越拥挤，滤波、频率规划和灵活性变得越来越重要。

另一个低SWaP SATCOM持续增长的市场是手持设备和便携式空间。对手持设备的需求正在增加，因为人们希望发送和接收的不仅仅是安全通信。人们希望快速发送数据，包括图片、音频文件、地图和其他数据，以及捕获更宽带宽的信号。这种需求推动了瞬时带宽的增加，同时保持外形尺寸与前几代产品相同或更小，并降低了功耗，以避免携带沉重而昂贵的电池组。类似的SWaP限制存在于战术车辆中，这些车辆受到自身动力可用性和较小空间的限制。

此外，拥有波形无关的系统具有潜在的优势，该系统可以配置为在任何给定的波形环境中执行。在今天的一些军事系统中，给定的飞机上需要三到五个不同的收发器系统，以促进不同系统之间的通信。通过将它们组合到具有软件可定义灵活性的波形无关系统中，尺寸可以减小 5×。

低SWaP的设计挑战

随着低SWaP市场的需求不断增加，有许多挑战需要克服。首先，仅滤波要求就推动了这些系统的大部分规模。随着频率范围增加到Ka波段，在向下转换为1 GHz中频（IF）时，实现相同的抑制变得更加困难。这会增加所需的过滤器数量或过滤器尺寸。这些过滤器也不便宜，每个通常成本高达 200 美元或更多。在这方面，通过放宽一些滤波要求，更高的IF将是有益的。

此外，在低SWaP市场中，网络的不同节点以网状方式进行通信，其中网络的某些部分没有地面基础设施。如果没有一个中心位置来完成处理，这意味着每个收发器必须能够处理它接收的数据。虽然传统的卫星通信市场在天线和处理器之间有突破，但在低SWaP市场中，希望将数字化和FPGA尽可能靠近天线。这种本地处理限制了应在此类网络上使用的带宽量，因为处理更宽的带宽需要更高的时钟速率和更耗电的设备。在传统的固定安装Ka波段网络中，可以使用高达1 GHz的瞬时带宽。在低SWaP市场中，预计会出现更实用的100 MHz至200 MHz。

解决这些接收器挑战的传统方法是使用超外差架构，它将Ka波段向下转换为L波段，或者甚至可以在向下转换为L波段之前有一个中间级。使用这种方法不会降低SWaP，因为滤波器大，器件数量多，器件高，器件高。由于所有这些限制，典型的超外差架构开始在该应用中显示其老化。

高中频架构

针对这些市场的更好、更合适的架构被称为高中频架构。这种架构利用了直接变频收发器的最新技术进展。在直接变频收发器中，输入的RF能量直接转换为基带，并分成单独的I和Q流。这些产品将其频率范围提高到6 GHz，允许新的独特用例。从历史上看，这些部件的性能一直低于需要极高性能的军事和商业系统。然而，最近的进展表明，这项技术可以满足高性能要求。

这些器件的一些最新进展包括带宽增加、线性度改善、集成数字信号处理功能和校准改进。与这些器件相关的典型带宽范围高达200 MHz，并且可根据不需要带宽的情况进行调整。这些器件的线性度得到改善，还可以在拥挤的光谱环境中提高性能。这对灵敏度略有影响，但在这样的环境中，这种权衡是必要的。此外，集成DSP功能可减轻系统中FPGA的负担，节省功耗并降低复杂性。这些部件上的集成FIR滤波器进一步有助于解决拥挤环境中出现的许多通道选择性问题。

这类器件的另一个进步是集成了连续时间Σ-Δ型ADC（CTSD）。这种类型的ADC具有固有的抗混叠抑制功能，因此不再需要SAW滤波器，这有助于减少此类系统中的延迟。

在高中频架构中，Ka波段不是直接转换为基带，而是首先转换为高中频，然后馈入直接变频接收器。由于这些转换器的频率范围增加，该IF可以放置在5 GHz和6 GHz之间。该IF频率从1 GHz（在当今的典型系统中）增加到5 GHz，通过将镜像频率范围置于比以前更远的地方，大大简化了前端滤波器的滤波。简化前端滤波是减小此类系统尺寸的一个因素。

采用AD9371的系统示例

这种系统的示例如图1所示。该系统由 17 GHz 和 21 GHz 之间的接收器通道和 27 GHz 和 31 GHz 之间的独立发射器通道组成。 从接收器通道开始，输入的RF能量首先用Ka波段LNA放大，然后向下滤波，允许17 GHz至21 GHz通过混频器。混频器以 100 MHz 块将 17 GHz 至 21 GHz 频段转换为 5 GHz 中频，可调谐 LO 范围为 22 GHz 至 26 GHz。前端滤波器可解决 27 GHz 至 31 GHz 范围内的镜像抑制、LO 抑制以及带外信号的一般抑制，这些信号可能导致来自 m × n 个镜像的杂散信号通过混频器。该过滤器很可能需要定制，但对该过滤器的需求降低意味着其尺寸、重量和成本将低于传统系统。

图1.采用AD9371的接收机和发射器卫星通信系统示例

一旦RF前端转换为5 GHz的高IF，在发送到AD9371之前，还需要进行放大和滤波。高中频所需的滤波很轻，可以使用现成的廉价小型LTCC滤波器轻松实现。这里的主要问题是确保没有中频谐波冲击AD9371。

 

	性能
获得	37分贝
增益调整范围	30分贝
噪声系数	4分贝
IIP3	–3.5 分贝
PSAT（全增益）	–35 分贝
带宽	100兆赫
直流电源（包括 LO 发电机）	3.3 瓦

 

在发射端，AD9371可用于在5 GHz时产生和输出高达+4 dBm的波形。中频放置在接收器上的频率为5.3 GHz，而不是5.1 GHz，以减少两个通道之间发生串扰的可能性。然后对输出进行滤波以降低谐波电平，然后馈入上变频混频器，以转换高达27 GHz至31 GHz的前端。这可以通过与接收器侧相同的LO来实现，范围为22 GHz至26 GHz。

 

	性能
输出功率	21分贝
输出调整范围	42分贝
本底噪声	–151 分贝/赫兹
OIP3	32 分贝
带宽	100兆赫
直流电源（包括 LO 发电机）	4 瓦

 

此外，使用直接变频收发器可在频率规划方面具有更大的灵活性。尽管此处显示了一个例子，但有许多可能的频段可以使用相同的架构。AD9371能够快速轻松地改变其IF频率，从而为系统提供了灵活性，以避免有问题的杂散响应，或软件定义无线电预期的性能优化。

结论

世界各地对通过通信和数据连接的需求推动了卫星通信收发器的数量不断增加。近年来，X-和K的拥堵日益严重u-波段已将低SWaP系统越来越多地推向Ka波段。无论是无人机、手持无线电还是战术车载卫星通信网络数量的增加，显然都需要创新方法来减少SWaP，同时保持高性能指标。在高中频架构中，我们展示了一个合适的平台，可以在这些频段实现更高的选择性，同时利用当今集成直接变频收发器的小尺寸和低功耗。将AD9371用作IF收发器可使整个收发器的尺寸减小一个数量级，为解决下一代卫星通信难题提供多种解决方案。

审核编辑：郭婷