衛(wèi)星通信的帶寬需求給設(shè)計(jì)帶來新的壓力

過去二十年來，商用航空領(lǐng)域一直依賴衛(wèi)星通信協(xié)調(diào)民用航空乘客出行。隨著數(shù)據(jù)流量和物聯(lián)網(wǎng)(loT)應(yīng)用的增長(zhǎng)，對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的需求已達(dá)到頂峰。

對(duì)于商用噴氣機(jī)和大型客機(jī)而言，商用飛機(jī)的高帶寬數(shù)據(jù)訪問需求也增長(zhǎng)顯著。我們發(fā)射了支持更高頻率的新衛(wèi)星，以實(shí)現(xiàn)這種帶寬增長(zhǎng)。本文將考察這些技術(shù)趨勢(shì)，以及可通過市場(chǎng)上提供的可定制架構(gòu)實(shí)現(xiàn)所需性能并縮短上市時(shí)間的解決方案。

SATCOM介紹和歷史

不斷提高數(shù)據(jù)速率的需求正在推動(dòng)SATCOM領(lǐng)域中的許多新發(fā)展。SATCOM鏈路的數(shù)據(jù)速率將從kbps提高至Mbps，這將實(shí)現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)和視頻傳輸。無人機(jī)的大幅增加為SATCOM鏈路創(chuàng)造了一個(gè)新的舞臺(tái)。而且，商業(yè)航空航天市場(chǎng)中對(duì)數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)接入不斷增長(zhǎng)的需求正在推動(dòng)Ku頻段和Ka頻段不斷發(fā)展，以支持最高達(dá)1000 Mbps的數(shù)據(jù)速率。同時(shí)，支持傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路、最大限度減小尺寸、重量和功耗(SWaP)和減少系統(tǒng)開發(fā)投入也正在推動(dòng)對(duì)開發(fā)靈活架構(gòu)和最大限度提高系統(tǒng)重用率的需求。

SATCOM系統(tǒng)通常利用對(duì)地靜止軌道(GEO)衛(wèi)星—相對(duì)于地球表面靜止的衛(wèi)星。要實(shí)現(xiàn)對(duì)地靜止軌道，衛(wèi)星必須具有非常高的海拔高度—與地球表面的距離超過30 km。這樣的高軌道的好處在于，覆蓋大面積的地面只需要很少的衛(wèi)星，而且由于知道其固定坐標(biāo)，因此將數(shù)據(jù)傳輸至衛(wèi)星較為簡(jiǎn)單。由于這些系統(tǒng)的發(fā) 射成本較高，因此它們專為長(zhǎng)使用壽命而設(shè)計(jì)，非常穩(wěn)定，但有時(shí)也會(huì)有點(diǎn)過時(shí)。

由于海拔高度較高且存在輻射，因此往往需要采用額外的設(shè)備屏蔽或衛(wèi)星屏蔽措施。而且，由于衛(wèi)星離得太遠(yuǎn)，地面上的用戶可能會(huì)有重大信號(hào)損失，同時(shí)還會(huì)影響信號(hào)鏈設(shè)計(jì)和元件選擇。地面到衛(wèi)星的距離較長(zhǎng)還會(huì)造成用戶和衛(wèi)星之間的高延遲，這會(huì)影響部分?jǐn)?shù)據(jù)和通信鏈路。

最近，人們提出了許多GEO衛(wèi)星的替代方案或補(bǔ)充系統(tǒng)，無人飛行器和低地軌道(LEO)衛(wèi)星也正在考慮當(dāng)中。借助低軌道，這些系統(tǒng)可減小基于GEO的系統(tǒng)方面的挑戰(zhàn)，但會(huì)影響覆蓋范圍，需要更多的衛(wèi)星或無人飛行器才能實(shí)現(xiàn)類似的全球覆蓋。

商用航空

飛機(jī)和商用噴氣機(jī)乘客在全球旅行時(shí)需要連接互聯(lián)網(wǎng)。航空公司正在力求增加駕駛艙的數(shù)據(jù)鏈路，而實(shí)現(xiàn)loT系統(tǒng)監(jiān)控和報(bào)告則需要具有數(shù)百甚至數(shù)千Mbps數(shù)據(jù)鏈路的高數(shù)據(jù)速率SATCOM平臺(tái)。

到目前為止，這種高帶寬數(shù)據(jù)鏈路主要在飛機(jī)落地時(shí)提供，并使用一個(gè)安裝在地面的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)的連接。如果要實(shí)現(xiàn)橫跨大陸的覆蓋，SATCOM是唯一能夠?qū)崿F(xiàn)連接的有效方法，例如國(guó)際海事通信衛(wèi)星的L頻段覆蓋。在未來，要達(dá)到所需的帶寬，工作頻率必須移至Ku頻段或Ka頻段。這些這些高頻率可提供所需的帶寬，但仍然存在許多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，而且系統(tǒng)必須支持傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路。

Ku頻段/Ka頻段和LEO系統(tǒng)

國(guó)際海事衛(wèi)星組織正在為用戶提供使用具有Ka頻段數(shù)據(jù)鏈路的GEO衛(wèi)星的功能，以應(yīng)對(duì)前面提及的一部分挑戰(zhàn)。從架構(gòu)的角度來說，這提供了一種解決帶寬不足問題的方案，但同時(shí)也對(duì)設(shè)計(jì)工程師引入了一些新的挑戰(zhàn)。圖1描述了在Ka頻段和Ku頻段工作的典型超外差接收和發(fā)送信號(hào)鏈。這些系統(tǒng)往往需要兩個(gè)模擬上變頻和下變頻階段，有時(shí)候甚至三個(gè)，每個(gè)階段需要一個(gè)合成器、放大系統(tǒng)和增大系統(tǒng)SWaP的濾波系統(tǒng)。但是，要在包含適用于所有可能數(shù)據(jù)鏈路的此類信號(hào)鏈的現(xiàn)有飛機(jī)架構(gòu)和配電系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)匹配不太可能。

圖1. 傳統(tǒng)Ka頻段/Ku頻段超外差接收和發(fā)送信號(hào)鏈

盡管這明顯是一個(gè)簡(jiǎn)化原理圖，但通過假定每項(xiàng)功能使用分離元件實(shí)現(xiàn)，SWaP的含義清楚明了。元件數(shù)量大、功耗大和隔離難題多意味著印刷電路板(PCB)將非常大。而且由于高頻布線，可能需要更多RF適當(dāng)?shù)腜CB材料，這會(huì)顯著影響成本。除了需要繼續(xù)支持L頻段的工作頻率外，SWaP和設(shè)計(jì)工作難題也很復(fù)雜。

LEO衛(wèi)星可能緩解了一些壓力。這類衛(wèi)星在低得多的海拔工作—與地球表面的距離約為1 km—但在此海拔，它們并非靜止，而是迅速掠過地球表面，一個(gè)軌道周期約為30分鐘。低海拔可降低發(fā)射成本，而且由于環(huán)境沒有那么惡劣，需要的屏蔽和防護(hù)也更少。最重要的是，低海拔也意味著傳播延遲更小。但是LEO系統(tǒng) 的主要困難在于，衛(wèi)星在用戶范圍內(nèi)的時(shí)間相當(dāng)短，必須使用傳送系統(tǒng)。

無人機(jī)也可能是此問題的一種解決方案，也可將某些平臺(tái)視為擴(kuò)展互聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍的手段。無人機(jī)可提供低延遲高帶寬鏈路，類似于LEO，但現(xiàn)在還具備了相對(duì)靜止的優(yōu)勢(shì)。但是，這種方案的成本與覆蓋范圍對(duì)全球應(yīng)用而言具有挑戰(zhàn)性。

解決SATCOM困境

盡管上文所述的SATCOM難題看起來非常棘手，但現(xiàn)在已經(jīng)有許多新的先進(jìn)解決方案可應(yīng)對(duì)這些難題，減小SWaP，或提供能夠部分重用或在系統(tǒng)之間進(jìn)行使用的信號(hào)架構(gòu)。

對(duì)于MUOS等高帶寬UHF SATCOM，新的連續(xù)時(shí)間Σ-Δ型(CTSD)帶通模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)可提供RF采樣解決方案。例如，AD6676是一款整合了ADC、模擬增益控制(AGC)和數(shù)字下變頻的中頻接收機(jī)子系統(tǒng)。CTSD ADC可用噪底交換帶寬，提供系統(tǒng)靈活性和固有帶通濾波響應(yīng)，從而降低外部濾波要求。由于AD6676能夠直接采集MUOS下行線路，消除了前端混合階段和合成器，信號(hào)鏈減少至一個(gè)低噪聲放大器和一個(gè)簡(jiǎn)單的無源濾波器。

圖2. AD6676接收機(jī)子系統(tǒng)架構(gòu)

但是，由于MUOS采用全雙工模式，功率放大器(PA)的功耗也變得至關(guān)重要。手持型SATCOM無線電需要在1 W和10 W之間的功率水平傳輸，新的氮化鎵(GaN)放大器設(shè)備，例如HMC1099，能夠 提供更高的功率效率，結(jié)合數(shù)字預(yù)失真(DPD)等其他線性化技術(shù)后，它們可提供對(duì)這些系統(tǒng)而言極具吸引力的SWaP解決方案。

對(duì)于Ku頻段和Ka頻段系統(tǒng)，全新、集成度更高的架構(gòu)提供SWaP和信號(hào)鏈簡(jiǎn)化功能，以及支持重要系統(tǒng)在L頻段和Ka頻段之間重用的功能。圖3描述了AD9361 RF收發(fā)器在用作中頻轉(zhuǎn)換器時(shí)能夠節(jié)約的功耗，消除了兩個(gè)上變頻和下變頻階段、放大器和濾波器，以及ADC和DAC。

圖3. 基于集成式中頻接收機(jī)的Ka頻段/Ku頻段接收和發(fā)送信號(hào)鏈

RF收發(fā)器通常用作一種靈活的直接變頻無線電，這使其能夠用作L頻段解決方案的一部分。按照這種方式使用時(shí)，它可在這些平臺(tái)中提供明顯的共性，并且可最大限度提高軟件和固件的重用率?？係WaP同樣有所減小，大部分應(yīng)用中僅消耗1.1 W的功率，而且能夠封裝在10 mm ×10 mm的空間中。

此外，新的PLL和VCO設(shè)備，例如ADF5355，能夠提供超寬帶、高性能、低SWaP頻率源。ADF5355采用5 mm ×5 mm封裝，能夠提供低功耗、高性能LO源，這些來源能夠從VHF一直掃描到13.6 GHz—為公共平臺(tái)設(shè)計(jì)提供了一種理想的解決方案。

最后，對(duì)于未來的LEO系統(tǒng)，波束控制架構(gòu)對(duì)確保鏈路的效率至關(guān)重要。盡管使用HMC247等數(shù)字式移相器的模擬波束形成解決方案可提供今天的解決方案，由于轉(zhuǎn)換器技術(shù)變得越來越集成化，增強(qiáng)的信號(hào)處理過程變得更易在低功耗設(shè)備中使用， 數(shù)字波束形成轉(zhuǎn)變成了一種非常有吸引力的架構(gòu)。在這種方法中，RF信號(hào)鏈在整個(gè)陣列中保持相同，波束在數(shù)字域中形成。數(shù)字波束控制的主要困難在于管理多個(gè)ADC或DAC設(shè)備的尺寸、時(shí)序和功率。設(shè)備間的任意時(shí)間或處理偏差都會(huì)對(duì)波束的質(zhì)量產(chǎn)生影響。AD9681等新設(shè)備可大幅簡(jiǎn)化數(shù)字波束控制設(shè)計(jì)。使八個(gè)ADC均使用一個(gè)相同的電壓基準(zhǔn)和時(shí)鐘源可提高波束質(zhì)量，而集成式設(shè)備則可減小封裝尺寸并降低功耗。

總結(jié)

近幾十年來，SATCOM在商用和軍用通信和數(shù)據(jù)系統(tǒng)中扮演的角色越來越重要。但是，全球?qū)挷粩嘣鲩L(zhǎng)的需求對(duì)未來航空航天和防務(wù)SATCOM設(shè)計(jì)創(chuàng)造了新的挑戰(zhàn)，同時(shí)還需要新的架構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。無論目標(biāo)是延長(zhǎng)士兵電池壽命，與較小無人機(jī)負(fù)載相匹配，還是在下一航班中提供互聯(lián)網(wǎng)，SATCOM無線電的SWaP都將變得越來越重要。新的高線性度中頻子系統(tǒng)、多通道高分辨率ADC、集成式RF收發(fā)器以及VCO和PLL組合將向下一代SATCOM無線電提供低SWaP解決方案。