RFIC在高容量、低延遲LEO衛(wèi)星用戶和地面終端方面的進(jìn)步

本文介紹了推動低地球軌道（LEO）衛(wèi)星部署的主要市場趨勢。它將討論LEO衛(wèi)星系統(tǒng)的基本操作，并介紹一些半導(dǎo)體RFIC的進(jìn)步，這些進(jìn)展使下一代Ku和Ka波段LEO用戶和地面終端成為可能。

LEO連接——成功之路

衛(wèi)星通信 （satcom） 是一種傳輸語音、視頻和數(shù)據(jù)的既定手段，用于在稱為地球靜止赤道軌道 （GEO）、中地球軌道 （MEO） 和 LEO 的主流軌道上的各種用例中。衛(wèi)星通信被視為通信GPS的有效手段，用于導(dǎo)航，天氣信息，電視廣播，語音，數(shù)據(jù)，也用于成像和基于科學(xué)的應(yīng)用。然而，圍繞LEO衛(wèi)星星座計(jì)劃新一波承諾的高速互聯(lián)網(wǎng)連接。這將為下一代互聯(lián)網(wǎng)通信提供低延遲、高容量的寬帶連接。

LEO衛(wèi)星將在5G蜂窩連接的持續(xù)推出中發(fā)揮重要作用。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)越來越多地參與3GPP標(biāo)準(zhǔn)化，它們在未來網(wǎng)絡(luò)中的預(yù)期作用正在開發(fā)中。2017年，3GPP標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)內(nèi)啟動了活動，以了解衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)在5G連接中的可行性。通過 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)的第 15、16、17 和 18 版，開發(fā)了多項(xiàng)活動來支持這些網(wǎng)絡(luò)的集成。LEO衛(wèi)星可以為服務(wù)不足的地區(qū)提供廣域覆蓋，為移動中的人們提供服務(wù)的連續(xù)性，連接到機(jī)器對機(jī)器（M2M）/物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備，并以具有成本效益的方式成為5G的顯著升級路徑。

下一代LEO系統(tǒng)將在地球表面上方500公里至2000公里的軌道上運(yùn)行，并將為過去的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提供技術(shù)上優(yōu)越的解決方案。如此接近地球意味著它們將提供更低的延遲連接，這對于消費(fèi)者或商業(yè)用例（例如，互聯(lián)網(wǎng)游戲或?qū)崟r(shí)控制工業(yè)/醫(yī)療設(shè)備）非常重要。低地球軌道衛(wèi)星應(yīng)提供大約50毫秒的延遲（下一代技術(shù)將改善到<20毫秒），而GEO則為700毫秒。

低地球軌道衛(wèi)星的一個關(guān)鍵推動因素是，由于軌道較低，它們的輻射暴露要低得多。這很重要，因?yàn)檫@意味著可以放寬昂貴且有時(shí)令人望而卻步的抗輻射測試。這將產(chǎn)生規(guī)模經(jīng)濟(jì)，因?yàn)榻ㄔ斓偷厍蜍壍佬l(wèi)星的成本現(xiàn)在大大降低。更少的輻射意味著半導(dǎo)體工藝的更廣泛可用性，因此意味著可以使用的組件。

鑒于軌道較低，預(yù)計(jì)部署的衛(wèi)星數(shù)量要多得多。此類衛(wèi)星的平均壽命將比以前的用例短得多;也許在 5 到 8 年之間，之后這些衛(wèi)星將脫離軌道并需要更換。低地球軌道衛(wèi)星必須具有成本效益才能發(fā)射和重新發(fā)射替代品。

所有這些趨勢都引起了行業(yè)監(jiān)管機(jī)構(gòu)的注意，因?yàn)長EO寬帶連接業(yè)務(wù)案例開始看起來很強(qiáng)勁。如果我們還記得在 1990 年代，這家互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)是幾家公司的目標(biāo)，但不幸的是，由于部署成本高和需求有限，它失敗了?？爝M(jìn)到今天，我們看到半導(dǎo)體技術(shù)的顯著進(jìn)步提供了前所未有的性能和集成度。再加上在更多農(nóng)村或服務(wù)不足的環(huán)境中對高速、低延遲互聯(lián)網(wǎng)連接的指數(shù)級需求，以及將衛(wèi)星通信集成到 5G 標(biāo)準(zhǔn)中，未來的 LEO 星座將處于一個更好的成功平臺上。

在撰寫本文時(shí)，預(yù)計(jì)用戶可以實(shí)現(xiàn) 100 Mbps 的最大下行鏈路數(shù)據(jù)速度，未來可能會擴(kuò)展到 150 Mbps，這是多用戶、全時(shí)視頻流的理想選擇。

LEO面臨的一個挑戰(zhàn)是衛(wèi)星的不斷移動性質(zhì) - 星座確實(shí)需要完全部署才能成為最小可行的服務(wù)。這意味著初始支出很高，因?yàn)榈偷厍蜍壍佬l(wèi)星的數(shù)量更多，因?yàn)樗鼈兊能壍垒^低。但即便如此，這似乎并不是現(xiàn)在成功的障礙，對投資者來說，無處不在的覆蓋的商業(yè)案例是強(qiáng)有力的。

低地球軌道衛(wèi)星系統(tǒng)如何工作？

LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)由三個主要組件組成，如圖1所示。

圖1.LEO衛(wèi)星通信的地面空間場景示例。

用戶終端/用戶設(shè)備 （UE）

這些是用戶和衛(wèi)星之間的直接鏈接，并且往往是低成本的，易于設(shè)置的終端位于家庭中，但也可以是移動終端（例如，海事，移動中的衛(wèi)星通信，戰(zhàn)術(shù)便攜式無線電）。用戶終端利用高水平的 IC 集成來簡化物料清單 （BOM）、降低成本并保持較小的外形尺寸。

地面站/網(wǎng)關(guān)

這些是通常通過光纖連接到服務(wù)器（互聯(lián)網(wǎng)連接的數(shù)據(jù)中心）的地面連接，它們將衛(wèi)星連接到地面。它們部署在地球上的固定位置。

衛(wèi)星

衛(wèi)星群稱為星座，它們繞地球運(yùn)行，同時(shí)提供連接終端和網(wǎng)關(guān)的鏈接。

LEO衛(wèi)星在太空中移動，通常一顆衛(wèi)星將在90分鐘到110分鐘的時(shí)間內(nèi)繞地球運(yùn)行，稱為軌道周期。因此，連接到衛(wèi)星的用戶只會在該衛(wèi)星的范圍內(nèi)停留很短的時(shí)間（最多 20 分鐘）。因此，普通用戶在正常運(yùn)行期間將連接到多顆衛(wèi)星。因此，必須將系統(tǒng)的用戶移交給進(jìn)入范圍的其他衛(wèi)星，其方式類似于人在行駛中的汽車中使用手機(jī)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的一個基站移交給另一個基站。這對如何控制波束以保持與最合適衛(wèi)星的最佳鏈接提出了嚴(yán)格的要求。

另一個有趣的演變是衛(wèi)星系統(tǒng)在超出地面站范圍時(shí)如何保持運(yùn)行。在圖1中，我們展示了一些可能影響地面站鏈路速度的惡劣天氣。傳統(tǒng)上，衛(wèi)星使用彎曲的管道，這意味著衛(wèi)星必須始終找到與地球或其他方式（飛機(jī)）的鏈接路徑，以作為返回太空中另一顆衛(wèi)星的跳躍，然后可以在地面站的范圍內(nèi)。一種新技術(shù)是通過衛(wèi)星間鏈路，在空間中使用光學(xué)或V和E波段連接來連接衛(wèi)星。

用戶終端上/下變頻器的進(jìn)步

用戶終端正在推動IC集成的顯著提高，ADI公司正在利用硅工藝技術(shù)的性能和集成能力來滿足這一需求。這些解決方案需要最高水平的IC集成度，以實(shí)現(xiàn)最小外形的無線電終端，同時(shí)保持最低的功耗并嚴(yán)格遵守每個無線電的最佳成本。

上/下變頻器（UDC）是用戶終端中的基礎(chǔ)產(chǎn)品，它們將調(diào)制解調(diào)器IF或基帶信息直接連接到Ku頻段或Ka頻段。

RFIC UDC 的頻率覆蓋目標(biāo)是：

Ku 頻段：~10.7 GHz 至 ~14.5 GHz

下行鏈路（衛(wèi)星到地面）：10.7 GHz 至 12.7 GHz

上行鏈路（地面到衛(wèi)星）：14 GHz 至 14.5 GHz

Ka 頻段：~18 GHz 至 ~31 GHz

下行鏈路（衛(wèi)星到地面）：17.7 GHz 至 21 GHz

上行鏈路（地面到衛(wèi)星）：27 GHz 至 31 GHz

下行鏈路和上行鏈路的頻率是分開的，因此從衛(wèi)星到用戶終端的通信使用兩個獨(dú)立的頻段。因此，RFIC公司必須為每個用戶終端設(shè)計(jì)單獨(dú)的頻段上下轉(zhuǎn)換器。

根據(jù)上行鏈路與下行鏈路的不同，用戶終端鏈路通常覆蓋 125 MHz 至 250 MHz 的信道帶寬 （BW），網(wǎng)關(guān)覆蓋 250 MHz 至 500 MHz。但是，某些部署在用戶和網(wǎng)關(guān)鏈路之間具有共享帶寬功能，因此信道帶寬可以在其運(yùn)行的頻率中重新配置。

低地球軌道衛(wèi)星不斷移動，如圖1所示。因此，端子內(nèi)的上/下變頻器頻率合成器必須實(shí)現(xiàn)快速鎖定時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)不間斷連接。頻率合成器用于輔助頻率上變頻和下變頻。它們在使終端能夠在運(yùn)行期間連接和重新連接到不同的衛(wèi)星方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，因?yàn)榭罩蓄l率在從一顆衛(wèi)星到另一顆衛(wèi)星的操作頻段（即Ka和Ku頻段）內(nèi)不斷變化。

ADI開發(fā)了一系列針對用戶終端的Ku和Ka頻段UDC，以解決尺寸、重量、面積、功耗和成本（SWaP-C）問題。這些UDC包含廣泛的RF和IF信號調(diào)理，例如濾波器、放大器、衰減器、PLLVCO和功率檢測。所有IC的設(shè)計(jì)都考慮到了用戶終端的信號鏈性能。ADMV4630/ADMV4640是Ku頻段UDC，支持衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器的IF接口，如圖2和圖3所示，IC性能亮點(diǎn)如表所示。

圖2.高度集成的Ku頻段上變頻器，帶有直接來自衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器的IF接口。

圖3.高度集成的Ku頻段下變頻器，具有直接與衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器的IF接口。

針對更高頻率的Ka頻段，ADI開發(fā)了ADMV4530/ADMV4540 UDC（圖4和圖5），支持需要I/Q基帶接口的衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器。請注意，ADMV4530上變頻器是一款雙模器件，也可支持IF接口。這些解決方案采用硅設(shè)計(jì)，可提供最高水平的集成度，以管理這些大批量終端應(yīng)用中的集成壓力。

圖4.高度集成的Ka頻段上變頻器，具有直接來自衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器的I/Q和IF接口。

圖5.高度集成的Ka頻段下變頻器，具有直接連接到衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器的I/Q接口。

更高性能的終端 UDC

終端市場中的一些應(yīng)用是性能驅(qū)動的，對其尺寸和最低成本設(shè)計(jì)目標(biāo)的限制較少。他們可以自由使用離散的RFIC解決方案。將元件保存在單獨(dú)的封裝中，可以混合使用包括MESFET、pHEMT、BiCMOS和CMOS IC在內(nèi)的工藝技術(shù)，以優(yōu)化任何設(shè)計(jì)要求。分立式設(shè)計(jì)允許多種類型的性能與尺寸權(quán)衡，從而在設(shè)計(jì)過程中提供最大的靈活性。設(shè)計(jì)人員可以創(chuàng)建更高性能的無線電，提供更高的輸出功率并支持更寬的帶寬。此外，還可以實(shí)現(xiàn)更高的接收器靈敏度，以改善動態(tài)范圍和雜散性能。應(yīng)該注意的是，地面站/網(wǎng)關(guān)也屬于此類解決方案。網(wǎng)關(guān)的尺寸更大，當(dāng)然不是由終端級別的相同集成需求驅(qū)動的。網(wǎng)關(guān)利用不同的工藝技術(shù)為市場帶來性能最優(yōu)化的解決方案。在ADI，我們將繼續(xù)擴(kuò)展分立式解決方案產(chǎn)品組合，以應(yīng)對各種用例。圖6所示為分立式高性能解決方案。

圖6.分立式HMC798A Ka頻段用戶終端的功能圖。

使用電子可控天線降低用戶終端的成本

公司正致力于通過消除傳統(tǒng)上與安裝設(shè)備并定位衛(wèi)星位置的專業(yè)承包商相關(guān)的昂貴安裝成本來降低用戶終端的部署成本。這是通過將天線與在單個室外機(jī)（ODU）中處理通信鏈路所需的所有電子設(shè)備（例如移相元件，RFIC UDC）相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的。ODU是駐留在家庭外部并瞄準(zhǔn)天空的天線陣列。室內(nèi)機(jī)（IDU）連接到ODU，并用作傳統(tǒng)路由器（有線或無線），為用戶提供互聯(lián)網(wǎng)連接（例如，PC或電話）。

如前所述，LEO星座將有許多衛(wèi)星進(jìn)出地面終端視野，因此使用電子可控天線（ESA）的效率要高得多，因?yàn)樗梢酝ㄟ^電子方式引導(dǎo)發(fā)射和接收能量束來實(shí)現(xiàn)高方向性衛(wèi)星的方向。因此，當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)出用戶終端的視野時(shí)，通過衛(wèi)星之間的近乎瞬時(shí)的切換，保持從一顆衛(wèi)星到另一顆衛(wèi)星的最佳鏈路。事實(shí)上，當(dāng)您想到軌道周期和在正常運(yùn)行過程中需要連接的衛(wèi)星數(shù)量時(shí)，ESA幾乎是一項(xiàng)要求。

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，ADI開發(fā)了Ku波段波束形成集成電路（BFIC）技術(shù)。ADMV4680是一款專為用戶終端設(shè)計(jì)的硅解決方案，允許半雙工通道獨(dú)立控制信號的增益和相位。值得注意的是，該IC的尺寸僅為8.2 mm2如圖7所示。

開發(fā)BFIC技術(shù)以最大限度地降低整體無線電成本的核心是系統(tǒng)和陣列專業(yè)知識。機(jī)械裝配和PCB設(shè)計(jì)（包括堆疊和層數(shù)）是無線電成本驅(qū)動因素的一部分。當(dāng)BFIC的開發(fā)考慮了機(jī)械和PCB設(shè)計(jì)時(shí)，將產(chǎn)生最低的總體無線電成本。在ADI，我們與客戶密切合作，并擁有內(nèi)部PCB專家來幫助您。事實(shí)上，IC設(shè)計(jì)和最終配置是系統(tǒng)權(quán)衡研究的一部分。

圖7.高度集成的半雙工 Ku 波段 4 通道波束成形 IC。

采用ESA跟蹤LEO衛(wèi)星并優(yōu)化鏈路速度可實(shí)現(xiàn)低成本設(shè)置，通常這些設(shè)置是即插即用的。ESA和向更集成的ODU的遷移從根本上簡化了部署并降低了系統(tǒng)成本。ESA還實(shí)現(xiàn)了更扁平的面板和美觀的設(shè)計(jì)。

值得注意的是，在最高性能終端應(yīng)用中，使用雙拋物面轉(zhuǎn)向天線。在這些情況下，成本和美學(xué)不是主要驅(qū)動因素，整體性能是重點(diǎn)。當(dāng)涉及到消費(fèi)者和注重成本的小型企業(yè)解決方案時(shí)，ESA是迄今為止實(shí)現(xiàn)最低無線電成本同時(shí)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)的最佳方式。

結(jié)論

LEO互聯(lián)網(wǎng)連接是一個令人興奮的新領(lǐng)域，當(dāng)今大多數(shù)政府和互聯(lián)網(wǎng)提供商都在考慮太空競賽。隨著世界繼續(xù)變得更加互聯(lián)，LEO將通過進(jìn)一步加強(qiáng)3GPP標(biāo)準(zhǔn)從太空到農(nóng)村地區(qū)的連接，在5G中發(fā)揮重要作用。用戶終端上的RFIC集成要求變得越來越具有挑戰(zhàn)性，ADI公司將繼續(xù)開發(fā)該領(lǐng)域的解決方案和路線圖IC。

審核編輯：郭婷