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帶寬需求給衛(wèi)星通信 設(shè)計帶來新的壓力

發(fā)布時間:2020-07-15 來源:Duncan Bosworth 和 Wyatt Taylor 責任編輯:wenwei

【導讀】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,對衛(wèi)星通信系統(tǒng)的需求已達到頂峰。
 
對于商用噴氣機和大型客機而言,商用飛機的高帶寬數(shù)據(jù)訪問需求也增長顯著。我們發(fā)射了支持更高頻率的新衛(wèi)星,以實現(xiàn)這種帶寬增長。本文將考察這些技術(shù)趨勢,以及可通過市場上提供的可定制架構(gòu)實現(xiàn)所需性能并縮短上市時間的解決方案。
 
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,這將實現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)和視頻傳輸。無人機的大幅增加為SATCOM鏈路創(chuàng)造了一個新的舞臺。而且,商業(yè)航空航天市場中對數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)接入不斷增長的需求正在推動Ku頻段和Ka頻段不斷發(fā)展,以支持最高達1000 Mbps的數(shù)據(jù)速率。同時,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)投入也正在推動對開發(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)通常利用對地靜止軌道(GEO)衛(wèi)星—相對于地球表面靜止的衛(wèi)星。要實現(xiàn)對地靜止軌道,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,因此將數(shù)據(jù)傳輸至衛(wèi)星較為簡單。由于這些系統(tǒng)的發(fā) 射成本較高,因此它們專為長使用壽命而設(shè)計,非常穩(wěn)定,但有時也會有點過時。
 
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,地面上的用戶可能會有重大信號損失,同時還會影響信號鏈設(shè)計和元件選擇。地面到衛(wèi)星的距離較長還會造成用戶和衛(wèi)星之間的高延遲,這會影響部分數(shù)據(jù)和通信鏈路。
 
最近,人們提出了許多GEO衛(wèi)星的替代方案或補充系統(tǒng),無人飛行器和低地軌道(LEO)衛(wèi)星也正在考慮當中。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),但會影響覆蓋范圍,需要更多的衛(wèi)星或無人飛行器才能實現(xiàn)類似的全球覆蓋。
 
商用航空
 
飛機和商用噴氣機乘客在全球旅行時需要連接互聯(lián)網(wǎng)。航空公司正在力求增加駕駛艙的數(shù)據(jù)鏈路,而實現(xiàn)loT系統(tǒng)監(jiān)控和報告則需要具有數(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。
 
到目前為止,這種高帶寬數(shù)據(jù)鏈路主要在飛機落地時提供,并使用一個安裝在地面的系統(tǒng)實現(xiàn)與飛機的連接。如果要實現(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,例如國際海事通信衛(wèi)星的L頻段覆蓋。在未來,要達到所需的帶寬,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,但同時也對設(shè)計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)送信號鏈。這些系統(tǒng)往往需要兩個模擬上變頻和下變頻階段,有時候甚至三個,每個階段需要一個合成器、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)鏈路的此類信號鏈的現(xiàn)有飛機架構(gòu)和配電系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)匹配不太可能。
 
帶寬需求給衛(wèi)星通信 設(shè)計帶來新的壓力
圖1. 傳統(tǒng)Ka頻段/Ku頻段超外差接收和發(fā)送信號鏈
 
盡管這明顯是一個簡化原理圖,但通過假定每項功能使用分離元件實現(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?shù)腜CB材料,這會顯著影響成本。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)的時間相當短,必須使用傳送系統(tǒng)。
 
無人機也可能是此問題的一種解決方案,也可將某些平臺視為擴展互聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍的手段。無人機可提供低延遲高帶寬鏈路,類似于LEO,但現(xiàn)在還具備了相對靜止的優(yōu)勢。但是,這種方案的成本與覆蓋范圍對全球應(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)有許多新的先進解決方案可應(yīng)對這些難題,減小SWaP,或提供能夠部分重用或在系統(tǒng)之間進行使用的信號架構(gòu)。
 
對于MUOS等高帶寬UHF SATCOM,新的連續(xù)時間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,信號鏈減少至一個低噪聲放大器和一個簡單的無源濾波器。
 
帶寬需求給衛(wèi)星通信 設(shè)計帶來新的壓力
圖2. AD6676接收機子系統(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,它們可提供對這些系統(tǒng)而言極具吸引力的SWaP解決方案。
 
對于Ku頻段和Ka頻段系統(tǒng),全新、集成度更高的架構(gòu)提供SWaP和信號鏈簡化功能,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)換器時能夠節(jié)約的功耗,消除了兩個上變頻和下變頻階段、放大器和濾波器,以及ADC和DAC。
 
帶寬需求給衛(wèi)星通信 設(shè)計帶來新的壓力
圖3. 基于集成式中頻接收機的Ka頻段/Ku頻段接收和發(fā)送信號鏈
 
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,它可在這些平臺中提供明顯的共性,并且可最大限度提高軟件和固件的重用率。總SWaP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—為公共平臺設(shè)計提供了一種理想的解決方案。
 
最后,對于未來的LEO系統(tǒng),波束控制架構(gòu)對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,增強的信號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信號鏈在整個陣列中保持相同,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ADC或DAC設(shè)備的尺寸、時序和功率。設(shè)備間的任意時間或處理偏差都會對波束的質(zhì)量產(chǎn)生影響。AD9681等新設(shè)備可大幅簡化數(shù)字波束控制設(shè)計。使八個ADC均使用一個相同的電壓基準和時鐘源可提高波束質(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的需求對未來航空航天和防務(wù)SATCOM設(shè)計創(chuàng)造了新的挑戰(zhàn),同時還需要新的架構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計。無論目標是延長士兵電池壽命,與較小無人機負載相匹配,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。
 
 
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