向小型化發(fā)展是衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展方向之一。按照國際上普遍接受的標(biāo)準(zhǔn)，所謂小衛(wèi)星一般質(zhì)量在500kg以下，相比于大型航天器具有研制時間短、開發(fā)/發(fā)射費用低、機(jī)動靈活、組網(wǎng)能力強等優(yōu)勢，小衛(wèi)星在政府和商業(yè)航天領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。
衛(wèi)星通信行業(yè)的趨勢顯示，信號傳輸正從X波段和Ku波段推進(jìn)到Ka波段。過去，Ka波段中的發(fā)射機(jī)數(shù)量非常少，但隨著這種趨勢的發(fā)展，此范圍內(nèi)的頻譜會變得越來越擁堵。這給此類系統(tǒng)的收發(fā)器設(shè)計提出了挑戰(zhàn)，尤其是針對低尺寸、重量和功耗(SWaP)的市場，這些市場的尺寸和功耗要求會限制可達(dá)到的選擇率。由于選擇率壓力越來越大，人們自然會折中考慮，降低選擇率要求。某些情況下，例如頻譜環(huán)境不那么明確的移動平臺中，這種折中是有意義的。但在其他可以非常地預(yù)測干擾的平臺中，選擇率仍將是優(yōu)先目標(biāo)。
新興移動衛(wèi)星通信帶來更低的SWaP要求
在典型的性衛(wèi)星通信設(shè)施中，室外設(shè)備和室內(nèi)設(shè)備在功能上是分開的。室外設(shè)備由Ka波段天線、低噪聲塊(LNB)和下變頻級組成，其將Ka波段信號下變頻為L波段信號，然后發(fā)送到室內(nèi)單元。LNB和下變頻級通常合并為一個單元，其輸出端利用同軸電纜或光纖將信號發(fā)送到室內(nèi)以供進(jìn)一步處理。在發(fā)射側(cè)，波形產(chǎn)生發(fā)生在室內(nèi)L波段設(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)備包含如下器件：一個塊上變頻器(BUC)，用以將信號從L波段變頻至Ka波段;一個HPA，用以將信號放大到所需的發(fā)射功率水平;以及一根天線。
由于是設(shè)施，固定安裝地點中的器件通常不是針對低SWaP而設(shè)計。根據(jù)其特性和濾波要求，室外LNB可能有10" × 4" × 4"那么大。室外BUC通常有相同的尺寸，而室外HPA可能非常大，室內(nèi)設(shè)備包含一個19英寸寬機(jī)架安裝解調(diào)器。此設(shè)備負(fù)責(zé)完成接收和發(fā)射衛(wèi)星通信信號的任務(wù)，但其SWaP效率可能不是很高。
隨著政府和商業(yè)無人機(jī)使用越來越多以及便攜式領(lǐng)域應(yīng)用設(shè)備對衛(wèi)星通信功能的需求增長，傳統(tǒng)的固定安裝基礎(chǔ)設(shè)施的衛(wèi)星通信已經(jīng)滿足不了要求，而且要求更高的瞬時帶寬以滿足圖形以及語言等大數(shù)據(jù)的傳輸，而外形尺寸則保持不變甚至比上一代更小，并且要降低功耗以免攜帶笨重昂貴的電池。SWaP限制需求日益增強。
利用高中頻架構(gòu)克服低SWaP設(shè)計挑戰(zhàn)
低SWaP的需求不斷增加，但還有許多挑戰(zhàn)需要克服。舉例來說，單單濾波這一項要求就會使此類系統(tǒng)的尺寸增加不少。隨著頻率范圍提高到Ka波段，當(dāng)下變頻到1 GHz中頻時，越來越難以實現(xiàn)同樣的抑制性能。這就需要增加濾波器數(shù)量或增大濾波器尺寸，但由此會增加這些濾波器帶來的額不菲成本。
在低SWaP應(yīng)用中人們希望數(shù)字化處理和FPGA盡可能靠近天線，這種本地處理為此類使用多少帶寬設(shè)置了限制，因為要處理的帶寬越寬，則所需的時鐘速率和器件功耗越高。在傳統(tǒng)固定安裝的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，100 MHz到200 MHz更符合實際。針對此類市場，更好且更合適的架構(gòu)是高中頻架構(gòu)。這種架構(gòu)利用了的直接變頻收發(fā)器相關(guān)技術(shù)。在直接變頻收發(fā)器中，輸入RF能量直接變頻到基帶，并分割為I和Q兩個單獨的流。此類產(chǎn)品已將其頻率范圍提高到6 GHz，從而支持新的獨特使用場景。
過去，這些器件的性能滿足不了要求超高性能的軍用和商用系統(tǒng)的需要，而近幾年這種技術(shù)的新突破已經(jīng)可以滿足這些高性能需求，特別是實現(xiàn)了更高帶寬、更好線性度、更多集成數(shù)字信號處理功能、更容易校準(zhǔn)。這些器件的典型帶寬高達(dá)200 MHz，而且可以針對不需要高帶寬的情況進(jìn)行調(diào)整。在頻譜擁擠的環(huán)境中，此類器件的高線性度還有助于提高性能。這會使靈敏度略有降低，但在這種環(huán)境中，此類折中是必要的。此外，集成DSP功能可降低系統(tǒng)中FPGA的負(fù)擔(dān)，節(jié)省功耗，減少復(fù)雜性。這些器件集成的FIR濾波器可進(jìn)一步幫助解決擁擠環(huán)境中常見的許多通道選擇率問題。此類器件還集成了連續(xù)時間Σ-Δ型ADC，抗混疊濾波是這類ADC的固有功能，因此不再需要SAW濾波器，這有助于降低此類系統(tǒng)的延遲。
基于ADI公司AD9371的高中頻架構(gòu)應(yīng)用分析
在高中頻架構(gòu)中，Ka波段不是直接變頻為基帶，而是先轉(zhuǎn)換到高中頻，然后饋入直接變頻接收機(jī)。由于此類轉(zhuǎn)換器的頻率范圍得到提高，該中頻可以放在5 GHz到6 GHz之間。中頻頻率從1GHz(當(dāng)今的典型系統(tǒng))提高到5 GHz，使得鏡像頻率范圍比以前離得更遠(yuǎn)，從而將前端濾波要求大大降低(前端濾波簡化是縮小此類系統(tǒng)尺寸的一個因素。)ADI公司前幾年推出的捷變頻收發(fā)器AD9371就是此類高中頻架構(gòu)的一個典型，這是一款高度集成的寬帶RF收發(fā)器，提供雙通道發(fā)射器和接收器、集成式頻率合成器和測試和數(shù)字信號處理功能。
圖中顯示了基于AD9371的系統(tǒng)，此系統(tǒng)由一個17 GHz到21 GHz的接收機(jī)通道和一個27 GHz到31 GHz的獨立發(fā)射機(jī)通道組成。從接收機(jī)通道開始，輸入RF能量先由Ka波段LNA放大，再進(jìn)行濾波以讓17 GHz到21 GHz信號通過混頻器?；祛l器利用一個22 GHz到26 GHz范圍的可調(diào)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范圍中的鏡像抑制、LO抑制和帶外信號的一般抑制，防止來自m × n鏡像的雜散信號通過混頻器。此濾波器很可能需要定制，但由于對此濾波器的要求降低，所以其尺寸、重量和成本會比傳統(tǒng)系統(tǒng)要低。
基于ADI AD9371高中頻架構(gòu)滿足低SWaP要求與設(shè)計挑戰(zhàn)
圖. 采用AD9371的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)示例
一旦將RF前端轉(zhuǎn)換到5 GHz的高中頻，就會進(jìn)行進(jìn)一步放大和濾波，然后發(fā)送到AD9371。高中頻所需的濾波比較簡單，利用現(xiàn)成的廉價小型LTCC濾波器即可輕松完成。這里的主要關(guān)注是要確保無中頻諧波影響AD9371。在發(fā)射側(cè)，AD9371可用來產(chǎn)生并輸出+4 dBm的5 GHz波形。IF位于5.3 GHz的頻率，不同于接收機(jī)上的5.1 GHz，這是為了降低兩個通道之間發(fā)生串?dāng)_的可能性。然后對輸出濾波以降低諧波水平，接著饋入上變頻混頻器，變頻到27 GHz至31 GHz前端。這可以利用與接收機(jī)側(cè)相同的22 GHz至26 GHz范圍的LO來完成。
此外，采用直接變頻收發(fā)器可為頻率規(guī)劃提供更大的靈活性。這里僅給出了一個例子，但還有許多可能的頻段可以使用相同的架構(gòu)。AD9371能夠快捷輕松地改變其IF頻率，使得系統(tǒng)可以靈活地避免有問題的雜散響應(yīng)，或者像人們對軟件定義無線電的預(yù)期那樣進(jìn)行性能優(yōu)化。
總結(jié)
盡管通用移動通信獲得迅猛發(fā)展，但對隨時隨地實現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)連接的需求來說依然有盲區(qū)，小尺寸衛(wèi)星通信市場由此快速發(fā)展，。此外，隨著X和Ku波段日益擁擠，推動低SWaP系統(tǒng)向Ka波段發(fā)展。利用利用集成式收發(fā)器AD9371的高中頻架構(gòu)，用GSPS ADC取代集成收發(fā)器以提高瞬時帶寬，并有效滿足低SWaP要求。