無需進(jìn)行RF頻率轉(zhuǎn)換的Ka波段衛(wèi)星通信

電信衛(wèi)星的運(yùn)營商希望能夠在世界任何地方，任何時間為他們的客戶提供靈活的數(shù)據(jù)和廣播服務(wù)。瞬息萬變的全球性事件，例如突發(fā)新聞，飛機(jī)的持續(xù)監(jiān)控或全球時區(qū)的不同需求，對衛(wèi)星傳輸信號的覆蓋范圍，形狀，大小和功率提出了實時，每日或季節(jié)性要求，以及其中包含的通信信道的帶寬和容量。

當(dāng)前的衛(wèi)星設(shè)計方法由于特定于任務(wù)和個人客戶的RF需求，幾乎每種新應(yīng)用都需要更改接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的規(guī)格。這給關(guān)鍵程序增加了不必要的，非經(jīng)常性的重新設(shè)計和重新鑒定成本，以及工作量，操作員抱怨開發(fā)有效載荷的成本過高，交付時間過長。如今，全球衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)受到傳統(tǒng)RF頻率轉(zhuǎn)換的靈活性，復(fù)雜性，功耗，質(zhì)量，尺寸和成本的困擾。對于提供多達(dá)50個頻道的對地靜止地球軌道（GEO）電信衛(wèi)星的主要供應(yīng)商而言，模擬超外差轉(zhuǎn)換器增加了有效載荷總成本的40％以上。

競爭大型全球招標(biāo)的衛(wèi)星制造商希望為運(yùn)營商提供靈活的通信服務(wù)，以適應(yīng)實時用戶需求和不斷變化的鏈路要求。盡管航空電子技術(shù)取得了重大進(jìn)步，有效載荷為客戶提供了更大的帶寬和更高的數(shù)據(jù)吞吐量，但應(yīng)答器的設(shè)計通常已經(jīng)保持了幾十年。OEM受當(dāng)前收發(fā)器技術(shù)的限制，并通過在軌硬件的可重新配置性提高任務(wù)靈活性，為運(yùn)營商提供增加的收入和效率，從而激發(fā)了OEM的積極性?，F(xiàn)在，一些主要設(shè)備包括其他硬件，這些硬件可以在需要時切入和切出。這種方法導(dǎo)致有效載荷的質(zhì)量，功耗，成本和效率低下都隨著航天器所有者所要求的靈活性水平而增加。圖1說明了具有機(jī)載數(shù)字處理功能的多通道電信應(yīng)答器的體系結(jié)構(gòu)。

圖1該圖顯示了傳統(tǒng)數(shù)字衛(wèi)星有效載荷的體系結(jié)構(gòu)。

寬帶空間級ADC于10年前推出，提供了直接數(shù)字化L和S波段載波的能力。對于以這些頻率進(jìn)行通信的衛(wèi)星，帶通欠采樣技術(shù)使接收器可以直接數(shù)字化RF上行鏈路，從而無需傳統(tǒng)的超外差下變頻器。這導(dǎo)致轉(zhuǎn)發(fā)器的物理尺寸更小，質(zhì)量更輕，功耗更低，成本更低。

大約在同一時間，也推出了首個寬帶空間級DAC，提供了將數(shù)字基帶直接上轉(zhuǎn)換為C波段的功能。歸零模擬輸出的使用減少了較高奈奎斯特區(qū)中的正弦滾降，從而允許以這些頻率訪問圖像。對于UHF，L，S和C波段衛(wèi)星，無需傳統(tǒng)的RF上變頻器就可使用EV12DS130 MUX-DAC發(fā)送器，從而提供體積更小，質(zhì)量更輕，功耗更低，成本更低的轉(zhuǎn)發(fā)器（圖2）。

圖2寬帶空間級ADC和DAC支持?jǐn)?shù)字有效負(fù)載的直接轉(zhuǎn)換。

不僅請來了EV10AS180A和EV12DS130消除了傳統(tǒng)的RF頻率轉(zhuǎn)換的需要，他們允許衛(wèi)星通信利用軟件定義無線電（SDR）為運(yùn)營商提供更高水平的靈活性，例如，有能力改變RF頻率規(guī)劃的優(yōu)勢在-響應(yīng)實時用戶需求而運(yùn)行。對于應(yīng)答器制造商而言，SDR通過出售可通過通信，對地觀測，導(dǎo)航和IoT/ M2M應(yīng)用程序重復(fù)使用的單一，通用，多任務(wù)有效載荷，使他們減少了非重復(fù)工程（NRE）和重復(fù)成本。。

L和S波段的傳統(tǒng)衛(wèi)星通信變得很擁擠，并且為了利用更大的信息帶寬，運(yùn)營商轉(zhuǎn)向了Ku，K和Ka波段。為了支持這些更高的頻率，第一個寬帶，空間級ADC和DAC通過直接數(shù)字化和重構(gòu)IF載波來減少整個RF頻率轉(zhuǎn)換級的數(shù)量（圖3）。

圖3這是K波段數(shù)字有效負(fù)載的當(dāng)前架構(gòu)。

為了支持向Ka頻段的過渡，Teledyne e2v于2019年開始進(jìn)行研究，以研究新型K頻段（18至27 GHz）ADC的潛力，該ADC使用24 GHz前端，跟蹤和保持放大器以及四路ADC交錯實現(xiàn)四個數(shù)字化儀核心。開發(fā)了一個原型并進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，與基帶操作相比，針對更高的頻率優(yōu)化INL校準(zhǔn)以及最小化各個ADC之間的失調(diào)失配可以最大化動態(tài)K頻段性能（圖4）。

圖4圖為概念驗證的K波段ADC，圖為測得的性能。資料來源：Teledyne e2v

該研究的最終目標(biāo)是開發(fā)第一個用于衛(wèi)星通信的Ka波段ADC和DAC，以消除傳統(tǒng)的模擬頻率轉(zhuǎn)換。這將為運(yùn)營商提供更高的在軌靈活性和實時RF敏捷性。2020年的進(jìn)一步研發(fā)發(fā)現(xiàn)，從第一個原型可以實現(xiàn)的性能存在局限性，并增加了信噪比（SNR），無雜散動態(tài)范圍（SFDR）以及從K到Ka頻段的頻率，需要進(jìn)行一些根本性的改變。

在過去的五十年中，摩爾定律一直在推動半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，提高性能并降低每一種較小的幾何形狀的功耗。通過利用CMOS縮放的更快的速度和更低的功耗優(yōu)勢，使用直接轉(zhuǎn)換ADC和DAC的L，S和C波段的SDR成為可能。但是，在28 nm以下，由于工藝寄生效應(yīng)，F(xiàn)max從360 GHz的峰值下降，而最新的超深亞微米節(jié)點(diǎn)太小，不足以支持Ka波段混合信號轉(zhuǎn)換器的開發(fā)。此外，在這些幾何形狀下的制造成本是天文數(shù)字，對于體積相對較小的航天工業(yè)來說，在商業(yè)上是不可行的。90 nm SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）的Fmax當(dāng)前為600 GHz。

為了提高較高奈奎斯特區(qū)的動態(tài)性能并從K變?yōu)镵a頻段，需要使用與概念驗證ADC所用的不同的外形尺寸。系統(tǒng)級封裝（SiP）通過允許將多個不同的管芯放置在單個公共基板上，從而實現(xiàn)了顯著的RF小型化。微波頻率下的封裝寄生效應(yīng)，特別是引線鍵合引線器件的寄生效應(yīng)，以及材料的選擇限制了Ka波段的性能。傳統(tǒng)的RF MMIC使用LTCC基板，研究表明，使用更快的有機(jī)基板可改善在更高頻率下的操作。

2020年，開發(fā)了第二個原型，該原型結(jié)合了兩個CMOS，交錯式四通道ADC和一個SiGe 30 GHz跟蹤保持放大器。如圖5所示，將在較高頻率下具有較低寄生效應(yīng)的倒裝芯片安裝在低介電常數(shù)有機(jī)基板上，并放置在緊湊的33×19 mm SiP中。在K頻段測量了改進(jìn)的性能。

圖5K波段ADC的第二個原型顯示了改進(jìn)的性能。資料來源：Teledyne e2v

在2019年和2020年進(jìn)行研究之后，Teledyne e2v計劃在2021年下半年發(fā)布用于太空應(yīng)用的首個Ka波段ADC的樣品.SiP產(chǎn)品將包括40 GHz前端，跟蹤和保持放大器以便直接采樣Ka波段載波。

為了補(bǔ)充Ka波段ADC的發(fā)展，還將提供12位，12 GSPS，25 GHz DAC，以實現(xiàn)軟件定義的微波（SDM）衛(wèi)星通信。所述EV12DD700四倍的取樣頻率下，再構(gòu)成帶寬和頻率，一個基帶的數(shù)字輸入可以直接上變頻相比原來，空間級SDR DAC，所述EV12DS130到的范圍內(nèi)。新型EV12DD700包含一種新穎的2RF模式，可以訪問K波段較高奈奎斯特區(qū)中的圖像。

該雙通道器件還提供×4，×8和×16插值比，以降低輸入數(shù)據(jù)速率；還提供可編程數(shù)字抗正弦濾波器，以平坦化頻域中兩個通道的輸出響應(yīng)?？梢灾亟▽嶋H和復(fù)雜的I / Q數(shù)據(jù)，并且每個DAC均可獨(dú)立調(diào)整增益，內(nèi)插因子和數(shù)字上變頻（DUC）本地振蕩器頻率。集成的DDS可以生成斜坡，CW音調(diào)或線性調(diào)頻信號，并且還支持快速跳頻以保護(hù)和保護(hù)下行鏈路。與DAC的歸零歸零上轉(zhuǎn)換模式不同，使用DUC可以使用較少的串行鏈路將瞬時帶寬減小的基帶輸入轉(zhuǎn)換為較高的奈奎斯特區(qū)域。

圖6圖為EV12DD700 DAC，圖為其直接上變頻模式。資料來源：Teledyne e2v

為了支持衛(wèi)星通信，特別是波束成形應(yīng)用，ADC和DAC都具有使多個通道上的增益和相位延遲同步的功能，以確保確定性的延遲和處理。上電后，SYNC輸入脈沖將兩個器件的時鐘路徑內(nèi)的所有分頻器復(fù)位，以確保電路確定性地重啟。SYNCO輸出連接到另一個設(shè)備以進(jìn)行多設(shè)備鎖定。

ADC和DAC的數(shù)字接口使用12 Gbps高速串行鏈路和ESIstream協(xié)議實現(xiàn)。這是基于14b / 16b編碼的，每個幀都包含加擾的數(shù)據(jù)以確保時序過渡以及兩位額外的開銷：一個用于控制直流平衡的差異，另一個用于切換同步監(jiān)視器。與上述ADC / DAC SYNC和SYNCO信號結(jié)合使用時，這些鏈路支持多設(shè)備同步和確定性延遲。免費(fèi)ESIstream IP可用于空間級FPGA！

以下YouTube視頻演示了Ka-bandADC和DAC原型的功能。

第一次，Ka波段ADC和DAC的前景提供了將SDR擴(kuò)展到SDM進(jìn)行衛(wèi)星通信的潛力。這將使運(yùn)營商能夠響應(yīng)于實時用戶需求和鏈路要求，改變射頻頻率計劃和在機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)器運(yùn)行。通過重新配置單個有效載荷的規(guī)范和功能，技術(shù)演示衛(wèi)星將能夠提供電信，地球觀測，物聯(lián)網(wǎng)和導(dǎo)航服務(wù)，并降低新的多任務(wù)概念的風(fēng)險。

RF的敏捷性和靈活性將使運(yùn)營商能夠響應(yīng)不斷變化的通信和市場需求，從昂貴的航天器資產(chǎn)中獲得最大的回報。重新配置和重復(fù)使用相同的應(yīng)答器硬件的能力具有很大的破壞性，將減少NRE和重復(fù)成本，將延長硬件的任務(wù)壽命，并降低訪問衛(wèi)星通信的總體價格。使用Ka波段ADC和DAC將為RF有效負(fù)載帶來主要的SWaP優(yōu)勢！

改變有效載荷的RF上行/下行載波頻率，瞬時處理帶寬，波形和調(diào)制類型以及通過重新配置FPGA在軌提供的基本服務(wù)的能力，代表了衛(wèi)星通信領(lǐng)域改變游戲規(guī)則的進(jìn)步?！?SoftSats”將支持許多新的任務(wù)類型和應(yīng)答器體系結(jié)構(gòu)，我想了解您將如何利用這種獨(dú)特的技術(shù)來開發(fā)未來的應(yīng)用程序。例如，您是否仍將收發(fā)器放置在主有效載荷內(nèi)？您是否考慮將Ka波段ADC和DAC放置在接收天線和發(fā)射天線處，分別直接處理上行鏈路和下行鏈路載波，然后使用高速電或光鏈路連接到板載數(shù)字處理器，如圖7所示？

圖7此圖顯示了分布式衛(wèi)星接收器體系結(jié)構(gòu)。資料來源：Teledyne e2v

Ka波段ADC和DAC的首批樣品將于今年上市，其中包括采購和鑒定選項以及輻射硬度數(shù)據(jù)，將在不久后發(fā)布。

為了向航天工業(yè)提供進(jìn)一步的集成和機(jī)載處理優(yōu)勢，還將以緊湊的外形尺寸將微波ADC和DAC與合格的FPGA相結(jié)合來提供SiP（圖8）。第一個產(chǎn)品將以Xilinx的XQRKU060器件為基準(zhǔn)，如下圖所示，并計劃在總體路線圖中增加空間級FPGA。

圖8計劃中的產(chǎn)品概念將RF ADC和DAC與Xilinx的XQRKU060 FPGA結(jié)合在一起。

直到下個月，第一個告訴我DAC的RF和2RF模式之間差異的人將贏得“火箭科學(xué)家世界巡回賽” T恤衫。祝賀意大利的洛倫佐（Lorenzo），他是第一個回答我上一篇文章中謎語的人。

Rajan Bedi博士是Spacechips的首席執(zhí)行官和創(chuàng)始人，該公司設(shè)計和制造了一系列先進(jìn)的L至Ku頻段，超高通量板載處理器和應(yīng)答器，用于電信，地球觀測，導(dǎo)航，互聯(lián)網(wǎng)和M2M / IoT衛(wèi)星。Spacechips的設(shè)計咨詢服務(wù)開發(fā)定制的衛(wèi)星和航天器子系統(tǒng)，并建議客戶如何使用和選擇正確的組件，以及如何設(shè)計，測試，組裝和制造太空電子產(chǎn)品。

編輯：hfy