小尺寸衛星通訊解決方案

作者: Brad Hall 與Wyatt Taylor


傳統Ka頻段地面站衛星通訊系統依賴室內到室外配置,室外單元包含天線和模塊下變頻接收器,接收器輸出L頻段的類比訊號。該訊號隨後被傳送至室內單元,室內單元包含濾波、數位化和處理系統。Ka頻段的干擾訊號通常較少,因此室外單元的主要任務是以線性度為代價來優化雜訊係數。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。若干新興市場推動著對於小尺寸Ka頻段存取的需求。無人機(UAV)和步兵若能存取此類通道,則將大幅受益。對於無人機和步兵,無線電功耗直接決定著電池的壽命,進而也決定著任務時間。此外,過去專門用於空中平台的傳統Ka頻段通道,現在正被考慮用於提供更廣泛的存取。這意味著,傳統僅需要下變頻單一Ka通道的空中平台,現在可能需要運作在多個通道上。本文將概述Ka頻段應用面臨的設計挑戰,並說明一種支援此類應用實現低SWaP無線電解決方案的新架構。

簡介

根據衛星通訊業界的最新趨勢顯示,訊號傳輸正從X頻段和Ku頻段推進到Ka頻段。在某種程度上,這是因為該頻率範圍內很容易建置頻寬更寬廣的收發器。與此同時,X、Ku和Ka頻段中的發射器總數也正在不斷增加。過去,Ka頻段中的發射機數量非常少,但隨著這種趨勢的發展,此範圍內的頻譜將會變得越來越擁擠。這也為此類系統的收發器設計帶來了挑戰,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。由於選擇率壓力越來越大,人們自然會權衡考慮,進而降低選擇率要求。在某些情況下,例如頻譜環境不那麼明確的行動平台中,這種折衷是有意義的。但在其他可以非常精確地預測干擾的平台中,選擇率仍將是最高的優先目標。

室內和室外概述

在典型的永久性衛星通訊設施中,室外設備和室內設備在功能上是分開的。室外設備由Ka頻段天線、低雜訊模塊(LNB)和下變頻級組成,其將Ka頻段訊號下變頻為L頻段訊號,然後發送至室內單元。LNB和下變頻級通常合併為一個單元,其輸出端利用同軸電纜或光纖將訊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訊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頻段接收器和解調器組成。此單元負責對訊號做進一步濾波、數位化和處理。此外,它與地面傳輸網路相連,以便將訊號發送到中央處理地點。

在發射側,波形產生發生在室內L頻段設備中。訊號透過同軸電纜或光纖發送到室外設備。室外設備包含如下元件:一個模塊上變頻器(BUC),用以將訊號從L頻段變頻至Ka頻段;一個HPA,用以將訊號放大到所需的發射功率水準、以及一根天線。如果接收器和發射器共用該天線,則還會有一個雙工器,用以將發射機訊號和接收器訊號隔離開來。

尺寸和功耗

由於是永久設施,固定安裝地點中的元件通常不是針對低SWaP而設計。根據其特性和濾波要求,室外LNB可能有10" × 4" × 4"那麼大。它通常盡可能靠近天線饋線放置,以優化系統雜訊係數。室外BUC通常有相同的尺寸,而室外HPA可能非常大,具體尺寸則取決於輸出功率要求。室內設備包含一個19英寸寬機架安裝解調器,它可以與其他機架安裝數據機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訊訊號的任務,但其SWaP效率可能不是很高。

低SWaP市場

隨著全球行動通訊發展的深化,以及人們期望即便在最偏遠地區也能夠有通訊和資料連結可用,市場對降低SWaP的呼聲也隨之越來越高。

近年來,政府和商業對無人機的使用越來越普遍。無人機可用在距離其基地超過數百英里的偏遠地區,日益依賴衛星通訊來發送收集到的資料及接收操作員指令。此外,我們看到商業世界中所開發的無人機用途越來越廣泛,其中許多既需要與衛星通訊,也需要與其他航空器通訊。而這也導致了使用的頻譜更高,而先前對高頻譜的使用則非常少。隨著頻譜變得越來越擁擠,濾波、頻率規劃和彈性正變得越來越重要。

低SWaP衛星通訊持續成長的另一個市場,是掌上型和可攜式領域。除安全通訊外,人們還希望發生和接收其他更多內容,這導致對手持裝置的需求不斷增加。人們渴求快速發送資料,包括照片、影片檔、地圖和其他資料,以及擷取頻寬更寬的訊號。這要求提高暫態頻寬,而外形尺寸則保持不變、或甚至比上一代更小,同時要降低功耗,以免需隨身攜帶著笨重昂貴的電池。戰略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,以使不同系統相互通訊。將這些系統合併成一個與波形無關且具有軟體定義彈性的系統,可以讓尺寸縮小5倍。

低SWaP的設計挑戰

來自低SWaP市場的需求不斷增加,但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。隨著頻率範圍提高到Ka頻段,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。而這就需要增加濾波器數量、或是增大濾波器尺寸,而且這些濾波器並不便宜,每個通常需要花費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,網路的不同節點以網格方式通訊,部分網路沒有地面基礎設施。由於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資料。傳統衛星通訊市場的天線與處理器之間是分離的,但在低SWaP市場,人們希望數位化處理和FPGA盡可能靠近天線。這種本地端的處理為此類網路應使用多少頻寬設置了限制,因為要處理的頻寬越寬,則所需的時脈速率和元件功耗越高。在傳統固定安裝的Ka頻段網路中,可以使用高達1 GHz的暫態頻寬。在低SWaP市場中,100 MHz到200 MHz更符合實際。

為了解決這些接收器挑戰,傳統辦法是採用超外差架構,其會將Ka頻段下變頻至L頻段,在下變頻到L頻段之前可能還有一個中間級。這種方法需要使用大濾波器,元件數量多且功耗高,無法支援低SWaP要求。有鑑於上述的限制,使得典型超外差架構也開始在此類應用中逐漸式微。

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。這種架構發揮了直接變頻收發器相關技術的最新進展優勢。在直接變頻收發器中,輸入RF能量直接變頻到基頻,並分割為I和Q兩個單獨的串流。此類產品已將其頻率範圍提高到6 GHz,從而支援新的獨特使用場景。過去,這些元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。但根據最新進展顯示,利用這種技術可以滿足高性能需求。

這些元件的一些最新進步包括:頻寬更高、線性度更好、整合數位訊號處理功能更多、校準更輕鬆。這些元件的典型頻寬高達200 MHz,而且可以針對不需要高頻寬的情況進行調整。在頻譜擁擠的環境中,此類元件的高線性度還有助於提高性能。這會使靈敏度略為降低,但在這種環境中,此類折衷是必要的。此外,整合DSP功能可降低系統中FPGA的負擔,節省功耗,減少複雜性。這些元件整合的FIR濾波器可進一步協助解決擁擠環境中常見的許多通道選擇率問題。

此類元件的另一個進展,是整合了連續時間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,這有助於降低此類系統的延遲。

在高中頻架構中,Ka頻段不是直接變頻為基頻,而是先轉換到高中頻,然後饋入直接變頻接收器。由於此類轉換器的頻率範圍得到提高,該中頻可以放在5 GHz到6 GHz之間。中頻頻率從1GHz(當今的典型系統)提高到5 GHz,使得鏡像頻率範圍比以前離得更遠,故而可大幅降低前端濾波的需求。前端濾波簡化是縮小此類系統尺寸的一個因素。

採用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的接收器通道和一個27 GHz到31 GHz的獨立發射機通道所組成。從接收器通道開始,輸入RF能量先由Ka頻段LNA放大,再進行濾波以讓17 GHz到21 GHz訊號通過混頻器。混頻器利用一個22 GHz到26 GHz範圍的可調諧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範圍中的鏡像抑制、LO抑制和帶外訊號的一般抑制,防止來自m × n鏡像的雜散訊號透過混頻器。此濾波器很可能需要客製,但由於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。

圖1. 採用AD9371的接收器和發射機衛星通訊系統示例

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,然後發送到 AD9371。高中頻所需的濾波比較弱,利用現成的經濟小型LTCC濾波器即可輕鬆完成。這裡的主要重點是要確保無中頻諧波影響AD9371。

表1: 接收器性能
Performance
Gain 37 dB
Gain Adjust Range 30 dB
Noise Figure 4 dB
IIP3 –3.5 dBm
Psat (Full Gain) –35 dBm
Bandwidth 100 MHz
DC Power (including LO gen) 3.3 W

在發射側,AD9371可用來產生並輸出最高+4 dBm的5 GHz波形。IF位於5.3 GHz的頻率,不同於接收器上的5.1 GHz,這是為了降低兩個通道之間發生串擾的可能性。然後對輸出濾波以降低諧波水準,接著饋入上變頻混頻器,變頻到27 GHz至31 GHz前端。這可以利用與接收器側相同的22 GHz至26 GHz範圍的LO來完成。

表2 : 發射器性能
Performance
Output Power 21 dBm
Output Adjust Range 42 dB
Noise Floor –151 dBc/Hz
OIP3 32 dBm
Bandwidth 100 MHz
DC Power (including LO gen) 4 W

此外,採用直接變頻收發器可為頻率規劃提供更大的彈性。這裡僅提供一個例子,但還有許多可能的頻段可以使用相同的架構。AD9371能夠快捷輕鬆地改變其IF頻率,使得系統可以靈活地避免具有問題的雜散回應,或者像人們對軟體定義無線電的預期般來進行性能的優化。

結語

世界各地都需要借助通訊和資料實現連接,這使得衛星通訊收發器的數量越趨增加。近年來,X和Ku頻段日益擁擠,故而推動低SWaP系統向Ka頻段發展。無人機、掌上型無線電或戰車上安裝的衛星通訊網路的激增,強烈要求透過創新方法來降低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台來在這些頻段中實現更高的選擇率,其利用了目前可用的整合型直接變頻收發器之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訊難題提供大量解決方案。

Authors

Brad Hall

Brad Hall

Brad Hall is an RF Systems Applications engineer with Analog Devices working in the Aerospace and Defense Business Unit in Greensboro, North Carolina. He joined Analog Devices in 2015. Previously he worked as an RF hardware design engineer working on signals intelligence systems. He received his BSEE from University of Maryland in 2006.

Wyatt Taylor

Wyatt Taylor

Wyatt Taylor is a senior RF systems engineer with Analog Devices, Inc., located in Greensboro, North Carolina. He is focused on Aerospace and Defense radio applications, with a particular emphasis on integrated RF transceivers, small form factor microwave design, and software-defined radio (SDR). Formerly, Wyatt was an RF design engineer at Thales Communications Inc., and Digital Receiver Technology, Inc., in the Maryland area. Wyatt received his MSEE and BSEE from Virginia Tech in Blacksburg, Va., in 2006 and 2005 respectively.