作者 Brad Hall Wyatt Taylor ADI航空航天与防务部分(美国北卡罗来纳州格林斯博罗)
摘要：本文将概述Ka波段运用面对的规划应战，并阐明一种支撑此类运用完结低SWaP无线电处理方案的新架构。
传统Ka波段地上站卫星通讯体系依靠于室内到室外装备。室外单元包含天线和块下变频接纳机，接纳机输出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、数字化和处理体系。Ka波段的搅扰信号一般较少，因而，室外单元的主要使命是以线性度为价值来优化噪声系数。室内到室外装备很适宜地上站，但难以融合到小尺度、分量轻、低功耗(SWaP)的环境中。若干新式商场推进了对小尺度Ka波段接入的需求。无人机(UAV)和步卒若能接入此类信道，将大大获益。关于无人机和步卒，无线电功耗直接决议电池寿数，然后决议使命时长。此外，曩昔专门用于空中渠道的传统Ka波段信道，现在正被考虑用于供给更广泛的接入。这意味着，传统上仅需求下变频单个Ka信道的空中渠道，现在或许需求作业在多个信道上。本文将概述Ka波段运用面对的规划应战，并阐明一种支撑此类运用完结低SWaP无线电处理方案的新架构。
简介
卫星通讯职业的最新趋势显现，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规模内很简单完结带宽更宽的收发器。与此一起，X、Ku和Ka波段中的发射机总数在不断添加。曩昔，Ka波段中的发射机数量十分少，但跟着这种趋势的开展，此规模内的频谱会变得越来越拥堵。这给此类体系的收发器规划提出了应战，尤其是针对低SWaP商场，这些商场的尺度和功耗要求会约束可到达的选择率。因为选择率压力越来越大，人们自然会折中考虑，下降选择率要求。某些状况下，例如频谱环境不那么清晰的移动渠道中，这种折中是有意义的。但在其他能够十分精确地猜测搅扰的渠道中，选择率仍将是最高优先方针。
室内和室外概述
在典型的永久性卫星通讯设备中，室外设备和室内设备在功用上是分隔的。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和下变频级一般合并为一个单元，其输出端运用同轴电缆或光纤将信号发送到室内以供进一步处理。在天线端下变频至1 GHz到2 GHz信号可防止衔接到室内单元的电缆产生额定损耗。室内单元由L波段接纳机和解调器组成。此单元担任对信号做进一步滤波、数字化和处理。此外，它与地上传输网络相连，以便将信号发送到中心处理地址。
在发射侧，波形产生产生在室内L波段设备中。信号经过同轴电缆或光纤发送到室外设备。室外设备包含如下器材：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，用以将信号扩大到所需的发射功率水平;以及一根天线。假如接纳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纳机信号阻隔开来。
尺度和功耗
因为是永久设备，固定装置地址中的器材一般不是针对低SWaP而规划。依据其特性和滤波要求，室外LNB或许有10" × 4" × 4"那么大。它一般尽或许接近天线馈线放置，以优化体系噪声系数。室外BUC一般有相同的尺度，而室外HPA或许十分大，详细尺度取决于输出功率要求。室内设备包含一个19英寸宽机架装置解调器，它能够同其他机架装置调制解调器或处理设备叠放在一同。此设备担任完结接纳和发射卫星通讯信号的使命，但其SWaP功率或许不是很高。
低SWaP商场
跟着全球移动通讯开展的深化，以及人们期望即便在最偏远地区也有通讯和数据链路可用，商场对下降SWaP的呼声越来越高。
小尺度卫星通讯处理方案
近年来，政府和商业对无人机的运用越来越多。无人机可用在间隔其基地超越数百英里的偏远地区，日益依靠卫星通讯来发送收集到的数据及接纳操作员指令。此外，咱们看到商业国际开发的无人机用处越来越多，其间许多既需求与卫星通讯，也需求与其他航空器通讯。这导致运用的频谱更高，而曾经对高频谱的运用十分少。跟着频谱变得越来越拥堵，滤波、频率规划和灵敏性变得越来越重要。
低SWaP卫星通讯持续增长的另一个商场是手持式和便携式范畴。除安全通讯外，人们还期望产生和接纳其他更多内容，这导致对手持设备的需求不断添加。人们渴求快速发送数据，包含相片、音频文件、地图和其他数据，以及捕获带宽更宽的信号。这要求前进瞬时带宽，而外形尺度则坚持不变或比上一代更小，并且要下降功耗，防止带着粗笨贵重的电池包。战术车辆本身的功率有限，空间较小，故而存在相似的SWaP约束。
别的，与波形无关的体系有许多潜在优点，能够进行装备以使其在任何给定波形环境中发挥作用。在当今的一些军用体系中，航空器上需求三到五个不同的收发器体系以协助不同体系彼此通讯。将这些体系合并成一个与波形无关且具有软件界说灵敏性的体系，能够让卫星尺度缩小5倍。
低SWaP的规划应战
跟着来自低SWaP商场的需求不断添加，还有许多应战需求战胜。举例来说，单单滤波这一项要求就会使此类体系的尺度添加不少。跟着频率规模前进到Ka波段，当下变频到1 GHz中频(IF)时，越来越难以完结相同的按捺功用。这就需求添加滤波器数量或增大滤波器尺度。并且这些滤波器并不廉价，每个一般要花费200美元或更多。就此而言，较高中频会很有利，因为这样能够下降滤波器要求。
此外，在低SWaP商场中，网络的不同节点以网格办法通讯，部分网络没有地上基础设备。因为没有一个中心方位来履行处理，因而，各收发器有必要能够处理收到的数据。传统卫星通讯商场的天线与处理器之间是别离的，但在低SWaP商场，人们期望数字化处理和FPGA尽或许接近天线。这种本地处理为此类网络应运用多少带宽设置了约束，因为要处理的带宽越宽，则所需的时钟速率和器材功耗越高。在传统固定装置的Ka波段网络中，能够运用高达1 GHz的瞬时带宽;在低SWaP商场中，100 MHz到200 MHz更符合实际。
为了处理这些接纳机应战，传统办法是选用超外差架构，其会将Ka波段下变频至L波段，鄙人变频到L波段之前或许还有一个中间级。这种办法需求运用大滤波器，器材数量多且功耗高，无法支撑低SWaP要求。鉴于上述约束，典型超外差架构开端在此类运用中势微。
高中频架构
针对此类商场，更好且更适宜的架构是高中频架构。这种架构运用了直接变频收发器相关技能的最新进展。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两个独自的流。此类产品已将其频率规模前进到6 GHz，然后支撑新的共同运用场景。曩昔，这些器材的功用满意不了要求超高功用的军用和商用体系的需求。但最新进展标明，运用这种技能能够满意高功用需求。
这些器材的一些最新前进包含：带宽更高、线性度更好、集成数字信号处理功用更多、校准更轻松。这些器材的典型带宽高达200 MHz，并且能够针对不需求高带宽的状况进行调整。在频谱拥堵的环境中，此类器材的高线性度还有助于前进功用。这会使灵敏度略有下降，但在这种环境中，此类折中是必要的。此外，集成DSP功用可下降体系中FPGA的担负，节约功耗，削减复杂性。这些器材集成的FIR滤波器可进一步协助处理拥堵环境中常见的许多通道选择率问题。
此类器材的另一个前进是集成了接连时刻Σ-Δ型ADC (CTSD)。抗混叠滤波是这类ADC的固有功用，因而不再需求SAW滤波器，这有助于下降此类体系的推迟。
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纳机。因为此类转换器的频率规模得到前进，该中频能够放在5 GHz到6 GHz之间。中频频率从1 GHz(当今的典型体系)前进到5 GHz，使得镜像频率规模比曾经离得更远，故而前端滤波要求大大下降。前端滤波简化是缩小此类体系尺度的一个要素。
选用AD9371的体系示例
图1显现了此类体系的一个比如。该体系由一个17 GHz到21 GHz的接纳机通道和一个27 GHz到31 GHz的独立发射机通道组成。从接纳机通道开端，输入RF能量先由Ka波段LNA扩大，再进行滤波，以让17 GHz到21 GHz信号经过混频器。混频器运用一个22 GHz到26 GHz规模的可调谐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规模中的镜像按捺、LO按捺和带外信号的一般按捺，防止来自m × n镜像的杂散信号经过混频器。此滤波器很或许需求定制，但因为对此滤波器的要求下降，所以其尺度、分量和本钱会比传统体系要低。
一旦将RF前端转换到5 GHz的高中频，就会进行进一步扩大和滤波，然后发送到AD9371。高中频所需的滤波比较弱，运用现成的廉价小型LTCC滤波器即可轻松完结。这儿的要害点是要保证无中频谐波影响AD9371。
在发射侧，AD9371可用来产生并输出最高+4 dBm的5 GHz波形。IF坐落5.3 GHz的频率，不同于接纳机上的5.1 GHz，这是为了下降两个通道之间产生串扰的或许性。然后对输出滤波以下降谐波水平，接着馈入上变频混频器，变频到27 GHz至31 GHz前端。这能够运用与接纳机侧相同的22 GHz至26 GHz规模的LO来完结。
此外，选用直接变频收发器可为频率规划供给更大的灵敏性。这儿仅给出了一个比如，但还有许多或许的频段能够运用相同的架构。AD9371能够方便轻松地改动其IF频率，使得体系能够灵敏地防止有问题的杂散呼应，或许像人们对软件界说无线电的预期那样进行功用优化。
结语
国际各地都需求凭借通讯和数据完结衔接，这使得卫星通讯收发器的数量越来越多。近年来，X和Ku波段日益拥堵，故而推进低SWaP体系向Ka波段开展。无人机、手持式无线电或战术车辆上装置的卫星通讯网络的激增，强烈要求经过立异办法来下降SWaP，一起坚持高功用目标。在高中频架构中，咱们已展现了一个适宜的渠道来在这些频段中完结更高的选择率，其运用了现在可用的集成直接变频收发器的小尺度和低功耗特性。AD9371用作中频收发器可将收发器的全体尺度缩小一个数量级，然后为处理下一代卫星通讯难题供给很多处理方案。
本文来源于《电子产品国际》2017年第7期第76页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
