作者：Brad Hall and Wyatt Taylor

Ka波段的傳統(tǒng)地面站衛(wèi)星通信系統(tǒng)依賴于室內(nèi)到室外的配置。室外機包括天線和一個塊下變頻接收器，用于輸出L波段的模擬信號。然后將信號傳遞到室內(nèi)機，其中包含濾波、數(shù)字化和處理系統(tǒng)。由于Ka波段的干擾信號通常很少，室外機專注于以犧牲線性度為代價來優(yōu)化噪聲系數(shù)。室內(nèi)到室外配置適用于地面站，但很難過渡到低尺寸、重量和功耗 （SWaP） 環(huán)境。幾個新市場正在推動對小尺寸Ka波段接入的需求。無人駕駛飛行器（UAV）和下馬士兵將受益于這些通信渠道。對于無人機和下馬士兵來說，無線電功耗直接轉(zhuǎn)化為電池壽命，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為任務(wù)長度。此外，過去特定于機載平臺的傳統(tǒng)Ka波段信道現(xiàn)在正在考慮進(jìn)行更廣泛的訪問。這意味著傳統(tǒng)上只需要下變頻單個Ka通道的機載平臺現(xiàn)在可能需要在多個通道上運行。本文將概述Ka波段面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)，并概述一種新架構(gòu)，該架構(gòu)將為這些應(yīng)用提供低SWaP無線電解決方案。

介紹

衛(wèi)星通信行業(yè)的最新趨勢顯示了X和K的推動u-波段至Ka波段傳輸。這種推動力主要是由于在此頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)更寬帶寬收發(fā)器的難易程度。同時，整個X-、K的發(fā)射機總數(shù)u- Ka波段正在增長。從歷史上看，Ka-中的發(fā)射器很少，但隨著這種趨勢的繼續(xù)，這個范圍內(nèi)的頻譜變得越來越擁擠。這給這些系統(tǒng)的收發(fā)器設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)，特別是對于尺寸和功率限制可實現(xiàn)選擇性的低SWaP市場。由于選擇性壓力的增加，靈敏度存在自然的權(quán)衡。在某些情況下，例如在光譜環(huán)境定義較少的移動平臺中，這種權(quán)衡是有意義的。在干擾非常可預(yù)測的其他平臺中，靈敏度仍將是最高優(yōu)先級。

室內(nèi)和室外概述

在典型的永久性衛(wèi)星通信安裝中，室外設(shè)備和室內(nèi)設(shè)備之間存在功能劃分。室外設(shè)備由Ka波段天線、低噪聲模塊（LNB）和下變頻級組成，下變頻級在發(fā)送到室內(nèi)機之前將Ka波段信號向下轉(zhuǎn)換為L波段。LNB和下變頻級通常組合成一個單元，其輸出使用同軸電纜或光纖將信號發(fā)送到室內(nèi)進(jìn)行進(jìn)一步處理。在天線處向下轉(zhuǎn)換為 1 GHz 至 2 GHz 信號可防止通過電纜連接到室內(nèi)機的額外損耗。室內(nèi)單元由L波段接收器和解調(diào)器組成。該單元負(fù)責(zé)進(jìn)一步過濾、數(shù)字化和處理信號。此外，它還與地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)接口，將信息發(fā)送到中央處理位置。

在發(fā)射側(cè)，波形生成發(fā)生在L波段的室內(nèi)設(shè)備中。信號通過同軸電纜或光纖發(fā)送到室外設(shè)備。室外設(shè)備包括一個塊上變頻器（BUC），它將信號從L波段傳輸?shù)終a波段，一個HPA，將信號放大到所需的發(fā)射電平，以及一個天線。如果天線在接收器和發(fā)射器之間共享，則還存在一個雙工器，用于將發(fā)射器信號與接收器信號隔離。

尺寸和功率

由于其永久安裝，固定安裝地點的組件通常不是為低SWaP而設(shè)計的。室外 LNB 可大至 10“ × 4” × 4“，具體取決于功能和過濾。這通常放置在盡可能靠近天線饋電的位置，以優(yōu)化系統(tǒng)噪聲系數(shù)。室外 BUC 通常具有相同的尺寸，而室外 HPA 可能非常大，具體取決于輸出功率要求。室內(nèi)設(shè)備由一個 19 英寸寬的機架式解調(diào)器組成，可以與其他機架式調(diào)制解調(diào)器或處理設(shè)備堆疊在一起。盡管該設(shè)備可以完成接收和發(fā)送衛(wèi)星通信信號的任務(wù)，但它并不總是以SWaP高效的方式完成。

低SWaP市場

隨著世界趨向于移動通信，以及即使在最偏遠(yuǎn)的地區(qū)也應(yīng)該提供通信和數(shù)據(jù)鏈路的期望越來越高，市場正朝著低SWaP解決方案的方向發(fā)展。

近年來，無人機在政府和商業(yè)目的方面的使用有所增加。無人機可能會在距離其基地數(shù)百英里的世界偏遠(yuǎn)地區(qū)使用，并將越來越依賴衛(wèi)星通信來發(fā)送收集的數(shù)據(jù)，并從其操作員那里接收命令。此外，我們看到商業(yè)世界開始提出越來越多的無人機用途，其中許多需要與衛(wèi)星和其他飛機進(jìn)行通信。所有這些都導(dǎo)致了歷史上很少的頻譜使用。隨著頻譜變得越來越擁擠，濾波、頻率規(guī)劃和靈活性變得越來越重要。

另一個低SWaP SATCOM持續(xù)增長的市場是手持設(shè)備和便攜式空間。對手持設(shè)備的需求正在增加，因為人們希望發(fā)送和接收的不僅僅是安全通信。人們希望快速發(fā)送數(shù)據(jù)，包括圖片、音頻文件、地圖和其他數(shù)據(jù)，以及捕獲更寬帶寬的信號。這種需求推動了瞬時帶寬的增加，同時保持外形尺寸與前幾代產(chǎn)品相同或更小，并降低了功耗，以避免攜帶沉重而昂貴的電池組。類似的SWaP限制存在于戰(zhàn)術(shù)車輛中，這些車輛受到自身動力可用性和較小空間的限制。

此外，擁有波形無關(guān)的系統(tǒng)具有潛在的優(yōu)勢，該系統(tǒng)可以配置為在任何給定的波形環(huán)境中執(zhí)行。在今天的一些軍事系統(tǒng)中，給定的飛機上需要三到五個不同的收發(fā)器系統(tǒng)，以促進(jìn)不同系統(tǒng)之間的通信。通過將它們組合到具有軟件可定義靈活性的波形無關(guān)系統(tǒng)中，尺寸可以減小 5×。

低SWaP的設(shè)計挑戰(zhàn)

隨著低SWaP市場的需求不斷增加，有許多挑戰(zhàn)需要克服。首先，僅濾波要求就推動了這些系統(tǒng)的大部分規(guī)模。隨著頻率范圍增加到Ka波段，在向下轉(zhuǎn)換為1 GHz中頻（IF）時，實現(xiàn)相同的抑制變得更加困難。這會增加所需的過濾器數(shù)量或過濾器尺寸。這些過濾器也不便宜，每個通常成本高達(dá) 200 美元或更多。在這方面，通過放寬一些濾波要求，更高的IF將是有益的。

此外，在低SWaP市場中，網(wǎng)絡(luò)的不同節(jié)點以網(wǎng)狀方式進(jìn)行通信，其中網(wǎng)絡(luò)的某些部分沒有地面基礎(chǔ)設(shè)施。如果沒有一個中心位置來完成處理，這意味著每個收發(fā)器必須能夠處理它接收的數(shù)據(jù)。雖然傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信市場在天線和處理器之間有突破，但在低SWaP市場中，希望將數(shù)字化和FPGA盡可能靠近天線。這種本地處理限制了應(yīng)在此類網(wǎng)絡(luò)上使用的帶寬量，因為處理更寬的帶寬需要更高的時鐘速率和更耗電的設(shè)備。在傳統(tǒng)的固定安裝Ka波段網(wǎng)絡(luò)中，可以使用高達(dá)1 GHz的瞬時帶寬。在低SWaP市場中，預(yù)計會出現(xiàn)更實用的100 MHz至200 MHz。

解決這些接收器挑戰(zhàn)的傳統(tǒng)方法是使用超外差架構(gòu)，它將Ka波段向下轉(zhuǎn)換為L波段，或者甚至可以在向下轉(zhuǎn)換為L波段之前有一個中間級。使用這種方法不會降低SWaP，因為濾波器大，器件數(shù)量多，器件高，器件高。由于所有這些限制，典型的超外差架構(gòu)開始在該應(yīng)用中顯示其老化。

高中頻架構(gòu)

針對這些市場的更好、更合適的架構(gòu)被稱為高中頻架構(gòu)。這種架構(gòu)利用了直接變頻收發(fā)器的最新技術(shù)進(jìn)展。在直接變頻收發(fā)器中，輸入的RF能量直接轉(zhuǎn)換為基帶，并分成單獨的I和Q流。這些產(chǎn)品將其頻率范圍提高到6 GHz，允許新的獨特用例。從歷史上看，這些部件的性能一直低于需要極高性能的軍事和商業(yè)系統(tǒng)。然而，最近的進(jìn)展表明，這項技術(shù)可以滿足高性能要求。

這些器件的一些最新進(jìn)展包括帶寬增加、線性度改善、集成數(shù)字信號處理功能和校準(zhǔn)改進(jìn)。與這些器件相關(guān)的典型帶寬范圍高達(dá)200 MHz，并且可根據(jù)不需要帶寬的情況進(jìn)行調(diào)整。這些器件的線性度得到改善，還可以在擁擠的光譜環(huán)境中提高性能。這對靈敏度略有影響，但在這樣的環(huán)境中，這種權(quán)衡是必要的。此外，集成DSP功能可減輕系統(tǒng)中FPGA的負(fù)擔(dān)，節(jié)省功耗并降低復(fù)雜性。這些部件上的集成FIR濾波器進(jìn)一步有助于解決擁擠環(huán)境中出現(xiàn)的許多通道選擇性問題。

這類器件的另一個進(jìn)步是集成了連續(xù)時間Σ-Δ型ADC（CTSD）。這種類型的ADC具有固有的抗混疊抑制功能，因此不再需要SAW濾波器，這有助于減少此類系統(tǒng)中的延遲。

在高中頻架構(gòu)中，Ka波段不是直接轉(zhuǎn)換為基帶，而是首先轉(zhuǎn)換為高中頻，然后饋入直接變頻接收器。由于這些轉(zhuǎn)換器的頻率范圍增加，該IF可以放置在5 GHz和6 GHz之間。該IF頻率從1 GHz（在當(dāng)今的典型系統(tǒng)中）增加到5 GHz，通過將鏡像頻率范圍置于比以前更遠(yuǎn)的地方，大大簡化了前端濾波器的濾波。簡化前端濾波是減小此類系統(tǒng)尺寸的一個因素。

采用AD9371的系統(tǒng)示例

這種系統(tǒng)的示例如圖1所示。該系統(tǒng)由 17 GHz 和 21 GHz 之間的接收器通道和 27 GHz 和 31 GHz 之間的獨立發(fā)射器通道組成。 從接收器通道開始，輸入的RF能量首先用Ka波段LNA放大，然后向下濾波，允許17 GHz至21 GHz通過混頻器。混頻器以 100 MHz 塊將 17 GHz 至 21 GHz 頻段轉(zhuǎn)換為 5 GHz 中頻，可調(diào)諧 LO 范圍為 22 GHz 至 26 GHz。前端濾波器可解決 27 GHz 至 31 GHz 范圍內(nèi)的鏡像抑制、LO 抑制以及帶外信號的一般抑制，這些信號可能導(dǎo)致來自 m × n 個鏡像的雜散信號通過混頻器。該過濾器很可能需要定制，但對該過濾器的需求降低意味著其尺寸、重量和成本將低于傳統(tǒng)系統(tǒng)。

圖1.采用AD9371的接收機和發(fā)射器衛(wèi)星通信系統(tǒng)示例

一旦RF前端轉(zhuǎn)換為5 GHz的高IF，在發(fā)送到AD9371之前，還需要進(jìn)行放大和濾波。高中頻所需的濾波很輕，可以使用現(xiàn)成的廉價小型LTCC濾波器輕松實現(xiàn)。這里的主要問題是確保沒有中頻諧波沖擊AD9371。

在發(fā)射端，AD9371可用于在5 GHz時產(chǎn)生和輸出高達(dá)+4 dBm的波形。中頻放置在接收器上的頻率為5.3 GHz，而不是5.1 GHz，以減少兩個通道之間發(fā)生串?dāng)_的可能性。然后對輸出進(jìn)行濾波以降低諧波電平，然后饋入上變頻混頻器，以轉(zhuǎn)換高達(dá)27 GHz至31 GHz的前端。這可以通過與接收器側(cè)相同的LO來實現(xiàn)，范圍為22 GHz至26 GHz。

此外，使用直接變頻收發(fā)器可在頻率規(guī)劃方面具有更大的靈活性。盡管此處顯示了一個例子，但有許多可能的頻段可以使用相同的架構(gòu)。AD9371能夠快速輕松地改變其IF頻率，從而為系統(tǒng)提供了靈活性，以避免有問題的雜散響應(yīng)，或軟件定義無線電預(yù)期的性能優(yōu)化。

結(jié)論

世界各地對通過通信和數(shù)據(jù)連接的需求推動了衛(wèi)星通信收發(fā)器的數(shù)量不斷增加。近年來，X-和K的擁堵日益嚴(yán)重u-波段已將低SWaP系統(tǒng)越來越多地推向Ka波段。無論是無人機、手持無線電還是戰(zhàn)術(shù)車載衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)量的增加，顯然都需要創(chuàng)新方法來減少SWaP，同時保持高性能指標(biāo)。在高中頻架構(gòu)中，我們展示了一個合適的平臺，可以在這些頻段實現(xiàn)更高的選擇性，同時利用當(dāng)今集成直接變頻收發(fā)器的小尺寸和低功耗。將AD9371用作IF收發(fā)器可使整個收發(fā)器的尺寸減小一個數(shù)量級，為解決下一代衛(wèi)星通信難題提供多種解決方案。

審核編輯：郭婷