寬帶空間級ADC于10年前推出，據(jù)此就能對L和S波段載波實現(xiàn)直接數(shù)字化。對于以這些頻率進行通信的衛(wèi)星，帶通欠采樣技術(shù)使接收機能夠?qū)F上行鏈路進行直接數(shù)字化，從而無需使用傳統(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，以及成本更低。
電信衛(wèi)星的運營商希望能夠在世界任何地方、任何時間為其客戶提供靈活的數(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、飛機的持續(xù)監(jiān)控或全球時區(qū)的不同需求——都對衛(wèi)星傳輸信號的覆蓋范圍、形狀、大小和功率，以及其中所包含的通信信道的帶寬和容量提出了實時、每日或季節(jié)性的要求。
目前的衛(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和發(fā)射機的規(guī)格。這給關(guān)鍵項目增加了不必要的、非經(jīng)常性的重新設(shè)計和重新鑒定成本和工作量，運營商也抱怨開發(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變頻靈活性差、復(fù)雜性高，以及功耗、質(zhì)量、尺寸和成本等各方面的困擾。對于提供多達50個通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)換器使有效載荷的總成本增加了40%以上。
競爭大型全球招標的衛(wèi)星制造商希望為運營商提供靈活的通信服務(wù)，從而適應(yīng)實時的用戶需求和不斷變化的鏈路要求。盡管航空電子技術(shù)取得了重大進步，其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，但轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)計幾十年來總體保持不變。OEM廠商受當前收發(fā)器技術(shù)所限制，其積極性受通過在軌硬件的可重新配置性提高任務(wù)靈活性，而為運營商提供增加的收入和效率所激發(fā)。現(xiàn)在，一些典型配置包括了其他硬件，可以在需要時將其切入和切出。這種方法導(dǎo)致有效載荷的質(zhì)量、功耗、成本和效率低下性都隨著航天器所有者所要求的靈活性水平而增加。圖1說明了具有機載數(shù)字處理功能的多通道電信轉(zhuǎn)發(fā)器的體系結(jié)構(gòu)。
圖1：傳統(tǒng)數(shù)字衛(wèi)星有效載荷的架構(gòu)。
寬帶空間級ADC于10年前推出，據(jù)此就能對L和S波段載波實現(xiàn)直接數(shù)字化。對于以這些頻率進行通信的衛(wèi)星，帶通欠采樣技術(shù)使接收機能夠?qū)F上行鏈路進行直接數(shù)字化，從而無需使用傳統(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，以及成本更低。
大約在同一時間，首個寬帶空間級DAC也獲得了推出，據(jù)此就能將數(shù)字基帶直接上變頻為C波段。歸零模擬輸出的使用減少了較高奈奎斯特區(qū)中的sinc滾降，從而就可以以這些頻率訪問圖像。對UHF、L、S和C波段衛(wèi)星來說，無需傳統(tǒng)的RF上變頻器就可以使用EV12DS130 MUX-DAC發(fā)送器，從而提供了體積更小、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支持數(shù)字有效載荷的直接變頻。
EV10AS180A和EV12DS130不僅消除了傳統(tǒng)RF變頻的需要，還使衛(wèi)星通信能夠利用軟件定義無線電(SDR)的優(yōu)勢，為運營商提供更高的靈活性，例如能夠響應(yīng)實時用戶需求而在軌更改RF頻率計劃。對轉(zhuǎn)發(fā)器制造商而言，SDR能夠通過出售可供通信、對地觀測、導(dǎo)航和IoT/M2M應(yīng)用重復(fù)使用的單個通用多任務(wù)有效載荷，使他們減少非重復(fù)性工程(NRE)和重復(fù)性工程成本。
L和S波段的傳統(tǒng)衛(wèi)星通信變得很擁擠，為了利用更大的信息帶寬，運營商轉(zhuǎn)向了Ku、K和Ka波段。為了支持這些更高的頻率，首個寬帶、空間級ADC和DAC獲得采用，據(jù)此就可分別通過直接數(shù)字化和重構(gòu)IF載波來減少整個RF變頻級的數(shù)量(圖3)。
圖3：K波段數(shù)字有效載荷的目前架構(gòu)。
為了支持向Ka頻段的過渡，Teledyne e2v于2019年開始進行研究，探討了新型K頻段(18至27GHz)ADC的潛力，他們使用一個24GHz前端、跟蹤與保持放大器以及一個交錯四個ADC核心的四通道ADC對其進行了實現(xiàn)。他們開發(fā)了一個原型并進行了測試，結(jié)果表明，與基帶工作相比，針對更高的頻率優(yōu)化INL校準，以及最大程度地降低單個ADC之間的失調(diào)失配，可以使動態(tài)K波段性能實現(xiàn)最大化(圖4)。
圖4：概念驗證K波段ADC(上)，以及測得的性能(下)。(圖片來源：Teledyne e2v)
該研究的最終目標是開發(fā)首個用于衛(wèi)星通信的Ka波段ADC和DAC，據(jù)此消除傳統(tǒng)的模擬變頻。這將為運營商提供更高的在軌靈活性和實時RF敏捷性。2020年的進一步研發(fā)發(fā)現(xiàn)，從首個原型可實現(xiàn)的性能存在局限性。要想增加信噪比(SNR)、無雜散動態(tài)范圍(SFDR)以及從K頻段到Ka頻段的頻率，需要進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，利用各種更小的幾何結(jié)構(gòu)提高性能并降低功耗。通過利用CMOS小型化所獲得的更快的速度和更低的功耗的優(yōu)勢，使用直接變頻ADC和DAC實現(xiàn)L、S和C波段的SDR成為了可能。但是，在28nm以下，由于工藝寄生效應(yīng)，F(xiàn)max從360GHz的峰值發(fā)生下降，而最新的超深亞微米節(jié)點太小，而不足以支持Ka波段混合信號轉(zhuǎn)換器的開發(fā)。此外，在這些幾何結(jié)構(gòu)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。90nm SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)的Fmax目前為600GHz。
為了提高較高奈奎斯特區(qū)的動態(tài)性能并從K頻段變?yōu)镵a頻段，需要使用與概念驗證ADC所用所不同的外形尺寸。系統(tǒng)級封裝(SiP)由于可將多個不同的裸片放置在單個公共襯底上，因此實現(xiàn)了顯著的RF小型化。微波頻率下的封裝寄生效應(yīng)(尤其對于引線鍵合的有引腳器件)，以及材料的選擇，都限制了Ka波段的性能。傳統(tǒng)的RF MMIC使用LTCC襯底，研究表明，使用更快的有機襯底可改善在更高頻率下的工作。
2020年，第二個原型獲得開發(fā)，它結(jié)合了兩個CMOS交錯式四通道ADC和一個SiGe 30GHz跟蹤保持放大器。如圖5所示，它將在較高頻率下具有較低寄生效應(yīng)的倒裝裸片安裝在低介電常數(shù)的有機襯底上，然后放置在33mm×19mm的小尺寸SiP中。其在K頻段測得了改進的性能。
圖5：第二個K波段ADC的原型(上)獲得了性能改進(下)。(圖片來源：Teledyne e2v)
在2019年和2020年進行研究之后，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。這款SiP產(chǎn)品將包括40GHz前端跟蹤和保持放大器，以便能直接采樣Ka波段載波。
為了補充Ka波段ADC的發(fā)展，還將提供12位、12GSPS、25GHz DAC，從而實現(xiàn)軟件定義微波(SDM)的衛(wèi)星通信。與最初的空間級SDR DAC EV12DS130相比，EV12DD700將采樣頻率、重構(gòu)帶寬，以及可將基帶數(shù)字輸入直接上變頻的頻率范圍提高為原來的四倍。新型EV12DD700包含一種新穎的2RF模式，據(jù)此就可訪問K波段較高奈奎斯特區(qū)中的圖像。
這種雙通道器件還提供了×4、×8和×16插值比，據(jù)此就可降低輸入數(shù)據(jù)速率；它還提供了可編程數(shù)字反sinc濾波器，用于平坦化頻域中兩個通道的輸出響應(yīng)。實數(shù)和復(fù)數(shù)I/Q數(shù)據(jù)可以重建，并且每個DAC均可對增益、內(nèi)插因子和數(shù)字上變頻(DUC)本振頻率進行獨立調(diào)整。集成的DDS可以生成斜坡、CW音調(diào)或線性調(diào)頻(chirp)信號，并且還支持快速跳頻而對下行鏈路提供保護。與DAC的歸零上變頻模式不同，使用DUC的話，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)換到較高的奈奎斯特區(qū)域。
圖6：EV12DD700 DAC(左)及其直接上變頻模式(右)。(圖片來源：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，這樣就可確保確定性的延遲以及處理。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，以便確保電路確定性地重啟。SYNCO輸出則連接到另一個器件以進行多器件鎖定。
ADC和DAC的數(shù)字接口使用12Gbps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)以確保定時過渡以及兩位開銷：一位用于控制直流平衡的差異，另一位用于觸發(fā)同步監(jiān)視。與上述ADC/DAC SYNC和SYNCO信號結(jié)合使用時，這些鏈路支持多器件同步和確定性延遲。現(xiàn)在已有免費ESIstream IP可用于空間級FPGA！
此處YouTube視頻演示了Ka波段ADC和DAC原型的功能。
第一次，Ka波段ADC和DAC的前景提供了將SDR擴展到SDM進行衛(wèi)星通信的潛力。這將使運營商能夠改變RF頻率計劃和在軌轉(zhuǎn)發(fā)器運行，而對實時用戶需求和鏈路要求做出響應(yīng)。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的敏捷性和彈性將使運營商能夠響應(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)使用相同的轉(zhuǎn)發(fā)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有效載荷帶來主要的SWaP優(yōu)勢！
能夠改變有效載荷的RF上行/下行載波頻率、瞬時處理的帶寬、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)，這代表衛(wèi)星通信領(lǐng)域取得了顛覆性的進步。“SoftSats”將會賦能許多新的任務(wù)類型和轉(zhuǎn)發(fā)器體系結(jié)構(gòu)，我也想了解一下各位如何在未來的應(yīng)用中利用這種獨特的技術(shù)。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，然后使用高速電鏈路或光鏈路連接到機載數(shù)字處理器，如圖7所示？
圖7：分布式衛(wèi)星接收器架構(gòu)。(圖片來源：Teledyne e2v)
Ka波段ADC和DAC的首批樣品將于今年上市，另有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)提供進一步的集成和機載處理優(yōu)勢，還將以小尺寸外形將微波ADC和DAC與合格的FPGA相結(jié)合來提供SiP(圖8)。第一個產(chǎn)品會以Xilinx的XQRKU060器件為基準，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。
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的L頻段至Ku頻段、超高吞吐量機載處理器和轉(zhuǎn)發(fā)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)負責開發(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合適的元器件，以及如何設(shè)計、測試、組裝和制造太空電子產(chǎn)品。
（本文授權(quán)編譯自EDN美國版，原文參考鏈接：Reconfigurable Ka-band satellite communication without RF frequency conversion。由趙明燦編譯。）
本文轉(zhuǎn)載自《電子技術(shù)設(shè)計》網(wǎng)站
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