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pk10计划网什么是卫星通讯原理?小尺寸卫星通信解决方案

  传统Ka波段地面站卫星通信系统依赖于室内到室外配置。室外单元包含天线和块下变频接收机,接收机输出L波段的模拟信号。该信号随后被传送到室内单元,室内单元包含滤波、数字化和处理系统。Ka波段的干扰信号通常较少,因此室外单元的主要任务是以线性度为代价来优化噪声系数。室内到室外配置很适合地面站,但难以融合到小尺寸、重量轻、低功耗(SWaP)的环境中。若干新兴市场推动了对小尺寸Ka波段接入的需求。无人机(UAV)和步兵若能接入此类信道,将大大受益。对于无人机和步兵,无线电功耗直接决定电池寿命,进而决定任务时长。此外,过去专门用于空中平台的传统Ka波段信道,现在正被考虑用于提供更广泛的接入。这意味着,传统上仅需要下变频单个Ka信道的空中平台,现在可能需要工作在多个信道上。本文将概述Ka波段应用面临的设计挑战,并说明一种支持此类应用实现低SWaP无线电解决方案的新架构。卫星通信行业的最新趋势显示,信号传输正从X波段和Ku波段推进到Ka波段。这在很大程度上是因为该频率范围内很容易实现带宽更宽的收发器。与此同时,X、Ku和Ka波段中的发射机总数在不断增加。过去,Ka波段中的发射机数量非常少,但随着这种趋势的发展,此范围内的频谱会变得越来越拥堵。这给此类系统的收发器设计提出了挑战,尤其是针对低SWaP市场,这些市场的尺寸和功耗要求会限制可达到的选择率。由于选择率压力越来越大,人们自然会折中考虑,降低选择率要求。某些情况下,例如频谱环境不那么明确的移动平台中,这种折中是有意义的。但在其他可以非常精确地预测干扰的平台中,选择率仍将是最高优先目标。在典型的永久性卫星通信设施中,室外设备和室内设备在功能上是分开的。室外设备由Ka波段天线、低噪声块(LNB)和下变频级组成,其将Ka波段信号下变频为L波段信号,然后发送到室内单元。LNB和下变频级通常合并为一个单元,其输出端利用同轴电缆或光纤将信号发送到室内以供进一步处理。在天线 GHz信号可防止连接到室内单元的电缆产生额外损耗。室内单元由L波段接收机和解调器组成。此单元负责对信号做进一步滤波、数字化和处理。此外,它与地面传输网络相连,以便将信号发送到中央处理地点。在发射侧,波形产生发生在室内L波段设备中。信号通过同轴电缆或光纤发送到室外设备。室外设备包含如下器件:一个块上变频器(BUC),用以将信号从L波段变频至Ka波段;一个HPA,用以将信号放大到所需的发射功率水平;以及一根天线。如果接收机和发射机共用该天线,则还会有一个双工器,用以将发射机信号和接收机信号隔离开来。由于是永久设施,固定安装地点中的器件通常不是针对低SWaP而设计。根据其特性和滤波要求,室外LNB可能有10 × 4 × 4那么大。它通常尽可能靠近天线馈线放置,以优化系统噪声系数。室外BUC通常有相同的尺寸,而室外HPA可能非常大,具体尺寸取决于输出功率要求。室内设备包含一个19英寸宽机架安装解调器,它可以同其他机架安装调制解调器或处理设备叠放在一起。此设备负责完成接收和发射卫星通信信号的任务,但其SWaP效率可能不是很高。虽然全球移动通信发展的深化,以及人们期望即便在最偏远地区也有通信和数据链路可用,市场对降低SWaP的呼声越来越高。近年来,政府和商业对无人机的使用越来越多。无人机可用在距离其基地超过数百英里的偏远地区,日益依赖卫星通信来发送收集到的数据及接收操作员指令。此外,我们看到商业世界开发的无人机用途越来越多,其中许多既需要与卫星通信,也需要与其他航空器通信。这导致使用的频谱更高,而以前对高频谱的使用非常少。随着频谱变得越来越拥挤,滤波、频率规划和灵活性变得越来越重要。低SWaP卫星通信持续增长的另一个市场是手持式和便携式领域。除安全通信外,人们还希望发生和接收其他更多内容,这导致对手持设备的需求不断增加。人们渴求快速发送数据,包括照片、音频文件、地图和其他数据,以及捕获带宽更宽的信号。这要求提高瞬时带宽,而外形尺寸则保持不变或比上一代更小,并且要降低功耗以免携带笨重昂贵的电池。战术车辆自身的功率有限,空间较小,故而存在类似的SWaP限制。另外,与波形无关的系统有很多潜在好处,可以进行配置以使其在任何给定波形环境中发挥作用。在当今的一些军用系统中,航空器上需要三到五个不同的收发器系统以帮助不同系统相互通信。将这些系统合并成一个与波形无关且具有软件定义灵活性的系统,可以让尺寸缩小5倍。来自低SWaP市场的需求不断增加,但还有许多挑战需要克服。举例来说,单单滤波这一项要求就会使此类系统的尺寸增加不少。随着频率范围提高到Ka波段,当下变频到1 GHz中频(IF)时,越来越难以实现同样的抑制性能。这就需要增加滤波器数量或增大滤波器尺寸。而且这些滤波器并不便宜,每个通常要花费200美元或更多。就此而言,较高中频会很有利,因为这样可以降低滤波器要求。此外,在低SWaP市场中,网络的不同节点以网格方式通信,部分网络没有地面基础设施。由于没有一个中央位置来执行处理,因此各收发器必须能够处理收到的数据。传统卫星通信市场的天线与处理器之间是分离的,但在低SWaP市场,人们希望数字化处理和FPGA尽可能靠近天线。这种本地处理为此类网络应使用多少带宽设置了限制,因为要处理的带宽越宽,则所需的时钟速率和器件功耗越高。在传统固定安装的Ka波段网络中,可以使用高达1 GHz的瞬时带宽。在低SWaP市场中,100 MHz到200 MHz更符合实际。为了解决这些接收机挑战,传统办法是采用超外差架构,其会将Ka波段下变频至L波段,在下变频到L波段之前可能还有一个中间级。这种方法需要使用大滤波器,器件数量多且功耗高,无法支持低SWaP要求。鉴于上述限制,典型超外差架构开始在此类应用中式微。针对此类市场,更好且更合适的架构是高中频架构。这种架构利用了直接变频收发器相关技术的最新进展。在直接变频收发器中,输入RF能量直接变频到基带,并分割为I和Q两个单独的流。此类产品已将其频率范围提高到6 GHz,从而支持新的独特使用场景。过去,这些器件的性能满足不了要求超高性能的军用和商用系统的需要。但最新进展表明,利用这种技术可以满足高性能需求。这些器件的一些最新进步包括:带宽更高、线性度更好、集成数字信号处理功能更多、校准更轻松。这些器件的典型带宽高达200 MHz,而且可以针对不需要高带宽的情况进行调整。在频谱拥挤的环境中,此类器件的高线性度还有助于提高性能。这会使灵敏度略有降低,但在这种环境中,此类折中是必要的。此外,集成DSP功能可降低系统中FPGA的负担,节省功耗,减少复杂性。这些器件集成的FIR滤波器可进一步帮助解决拥挤环境中常见的许多通道选择率问题。此类器件的另一个进步是集成了连续时间Σ-Δ型ADC (CTSD)。抗混叠滤波是这类ADC的固有功能,因此不再需要SAW滤波器,这有助于降低此类系统的延迟。在高中频架构中,Ka波段不是直接变频为基带,而是先转换到高中频,然后馈入直接变频接收机。由于此类转换器的频率范围得到提高,该中频可以放在5 GHz到6 GHz之间。中频频率从1GHz(当今的典型系统)提高到5 GHz,使得镜像频率范围比以前离得更远,故而前端滤波要求大大降低。前端滤波简化是缩小此类系统尺寸的一个因素。图1显示了此类系统的一个例子。该系统由一个17 GHz到21 GHz的接收机通道和一个27 GHz到31 GHz的独立发射机通道组成。从接收机通道开始,输入RF能量先由Ka波段LNA放大,再进行滤波以让17 GHz到21 GHz信号通过混频器。混频器利用一个22 GHz到26 GHz范围的可调谐LO将17 GHz到21 GHz频段以100 MHz一段下变频至5 GHz IF。前端滤波器处理27 GHz到31 GHz范围中的镜像抑制、LO抑制和带外信号的一般抑制,防止来自m × n镜像的杂散信号通过混频器。此滤波器很可能需要定制,但由于对此滤波器的要求降低,所以其尺寸、重量和成本会比传统系统要低。

pk10计划网  Brad Hall是ADI公司航空航天与防务部门(位于美国北卡罗来纳州格林斯博罗)的射频系统应用工程师,于2015年加入ADI公司。在此之前,他是信号情报系统的射频硬件设计工程师。他2006年毕业于马里兰大学,获电气工程学士学位。

pk10计划网  Wyatt Taylor是ADI公司工业和仪器仪表部门(位于北卡罗莱纳州格林斯博罗)的一名RF工程师, 主要致力于集成式收发器和软件定义无线电(SDR)应用。 之前,Wyatt曾是泰雷兹通信公司和Digital Receiver Technology Inc.的一名RF设计工程师。他于2005年和2006年分别获得了弗吉尼亚理工大学的电机工程学学士和硕士学位。 Wyatt (WTaylor)是ADI公司免费的在线技术支持社区中文技术论坛的一名成员。

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(编辑:南平新闻网)

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