隨著全球連接需求的增長,，許多衛(wèi)星通信(satcom)系統(tǒng)日益采用Ka頻段,，對(duì)數(shù)據(jù)速率的要求也水漲船高。目前,，高性能信號(hào)鏈已經(jīng)能支持?jǐn)?shù)千兆瞬時(shí)帶寬,，一個(gè)系統(tǒng)中可能有成百上千個(gè)收發(fā)器，超高吞吐量數(shù)據(jù)速率已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí),。

另外,，許多系統(tǒng)已經(jīng)開始從機(jī)械定位型靜態(tài)拋物線天線轉(zhuǎn)向有源相控陣天線。在增強(qiáng)的技術(shù)和更高集成度的推動(dòng)下,，元件尺寸得以大幅減小,，已能滿足Ka頻段的需求。通過在沿干擾信號(hào)方向的天線方向圖中形成零位,，相控陣技術(shù)還能提高降干擾性能,。

下面將簡要描述現(xiàn)有收發(fā)器架構(gòu)中存在的一些折衷選項(xiàng)，以及不同類型的架構(gòu)在不同類型的系統(tǒng)中的適用性,。本分析將分解介紹衛(wèi)星系統(tǒng)的部分關(guān)鍵技術(shù)規(guī)格,，以及如何從這些系統(tǒng)級(jí)技術(shù)規(guī)格獲得收發(fā)器信號(hào)鏈層各組件的規(guī)格。

從系統(tǒng)級(jí)分析向下分解技術(shù)規(guī)格

從宏觀層面來看,，衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要維持一定的載噪比(CNR),，此為鏈路預(yù)算計(jì)算的結(jié)果。維持該CNR可以保證一定的誤碼率(BER),。需要的CNR取決于多種因素，如糾錯(cuò),、信息編碼,、帶寬和調(diào)制類型。確定CNR要求之后,，就可以依據(jù)高層系統(tǒng)要求向下分解得到各個(gè)接收器與發(fā)射器的技術(shù)規(guī)格,。一般地，首先得到的是收發(fā)器的增益-系統(tǒng)噪聲溫度(G/T)品質(zhì)因數(shù)和發(fā)射器的有效全向輻射功率(EIRP),。

對(duì)于接收器,，要從G/T得到低層接收器信號(hào)鏈規(guī)格，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要知道天線增益和系統(tǒng)噪聲溫度,，該值為天線指向與接收器噪聲溫度的函數(shù),，如等式1所示?；诖?，可以用等式2得到接收器溫度。

然后可以用等式3計(jì)算接收器信號(hào)鏈的噪聲指數(shù)：

獲知接收器噪聲指數(shù)以后,，可以進(jìn)行級(jí)聯(lián)分析,，確保信號(hào)鏈?zhǔn)欠穹线@些必要技術(shù)規(guī)格的要求,，以及是否需要進(jìn)行調(diào)整。

對(duì)于接收器,，首先基于接收器的距離（地到衛(wèi)星或衛(wèi)星到地的距離）和接收器靈敏度確定需要的EIRP,。獲知EIRP要求之后，需要在發(fā)射信號(hào)鏈的輸出功率與天線增益之間做出折衷,。對(duì)于高增益天線,，可以減小發(fā)射器的功耗和尺寸，但其代價(jià)是增加天線尺寸,。EIRP通過等式4計(jì)算,。

只要謹(jǐn)慎選擇信號(hào)鏈所用組件，就能維持輸出功率不變,，并且不會(huì)導(dǎo)致其他重要參數(shù)下降,，例如干擾其他系統(tǒng)的輸出噪聲和帶外射頻能量。

發(fā)射器和接收器的其他重要技術(shù)規(guī)格包括：

· 瞬時(shí)帶寬：信號(hào)鏈在任意時(shí)間點(diǎn)可以數(shù)字化的頻譜帶寬

· 功率處理：信號(hào)鏈在不導(dǎo)致性能下降的條件下要處理的最大信號(hào)功率

· 通道間的相位相干性：針對(duì)新興的波束賦形系統(tǒng),，確保通道間相位的可預(yù)測性可以簡化波束賦形信號(hào)的處理和校準(zhǔn)

· 雜散性能：確保接收器和發(fā)射器不會(huì)在不期望的頻率下產(chǎn)生射頻能量,，以免影響該系統(tǒng)或其他系統(tǒng)的性能

圖1. 架構(gòu)比較：(a) 高中頻（集成TRx），(b) 雙變頻超外差架構(gòu)（帶GSPS ADC）

  (c) 單變頻超外差架構(gòu)（帶GSPS ADC）,，(d) 直接變頻（帶I/Q混頻器）

在信號(hào)鏈的設(shè)計(jì)過程中,，務(wù)必記住這些和其他技術(shù)規(guī)格，以確保設(shè)計(jì)出能滿足任何給定應(yīng)用需求的高性能系統(tǒng),，無論是寬帶多載波聚合集線器還是單個(gè)窄帶手持式衛(wèi)星通信終端,。

通用架構(gòu)比較

確定高層技術(shù)規(guī)格以后即可決定采用哪種信號(hào)鏈架構(gòu)。前面列出過并且可能對(duì)架構(gòu)產(chǎn)生重大影響的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)規(guī)格是瞬時(shí)帶寬,。該規(guī)格會(huì)影響接收器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和發(fā)射器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC),。為了實(shí)現(xiàn)高瞬時(shí)帶寬，必須以更高的速率對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采樣,，結(jié)果一般會(huì)推高整個(gè)信號(hào)鏈的功耗,，但是，如果從單位功耗(W/GHz)來看,，則會(huì)降低功耗,。

對(duì)于帶寬不足100 Mhz的系統(tǒng)，許多情況下最好采用類似于圖1a的基礎(chǔ)架構(gòu),。該架構(gòu)將標(biāo)準(zhǔn)下變頻級(jí)與集成式直接變頻收發(fā)器芯片結(jié)合起來,。集成的收發(fā)器可實(shí)現(xiàn)超高的集成度，從而大幅減小尺寸和功耗,。

為了達(dá)到1.5 Ghz的帶寬,，可以將經(jīng)典的雙變頻超外差架構(gòu)與最先進(jìn)的ADC技術(shù)結(jié)合起來；如圖1b所示。這是一種成熟的高性能架構(gòu),，集成的變頻級(jí)用于濾除無用的雜散信號(hào),。根據(jù)收到的頻段，用一個(gè)下變頻級(jí)將接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換成中頻(IF),，然后用另一個(gè)下變頻級(jí)將最終的中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成ADC可以數(shù)字化的低頻信號(hào),。最終中頻越低，ADC性能越高,，但其代價(jià)是會(huì)增加濾波要求,。一般地，受組件數(shù)量增加影響,，該架構(gòu)是本文所提四個(gè)選項(xiàng)中尺寸最大,、功耗最高的架構(gòu)。

與其類似的選項(xiàng)如圖1c所示,，圖中是一個(gè)單次變頻級(jí),，用于將信號(hào)轉(zhuǎn)換成高中頻，再由GSPS ADC采樣,。該架構(gòu)利用了ADC能數(shù)字化的更多射頻帶寬,，幾乎不會(huì)導(dǎo)致性能下降。市場上最新的GSPS ADC可以對(duì)最高9 Ghz的射頻頻率直接采樣,。在本選項(xiàng)中,，中頻中心在4 Ghz和5 Ghz之間，可在信號(hào)鏈濾波要求與ADC要求之間達(dá)到最佳平衡,。

最后一個(gè)選項(xiàng)如圖1d所示,。該架構(gòu)的瞬時(shí)帶寬增幅甚至更大，但其代價(jià)是非常復(fù)雜,，并且有可能導(dǎo)致性能下滑,。這是一種直接變頻架構(gòu)，采用一個(gè)無源I/Q混頻器,，后者可以在基帶上輸出兩個(gè)相互偏移90°的中頻。然后用一個(gè)雙通道GSPS ADC對(duì)各I和Q路進(jìn)行數(shù)字化,。在這種情況下,，可以獲得最高達(dá)3 Ghz的瞬時(shí)帶寬。該選項(xiàng)的主要挑戰(zhàn)是在信號(hào)通過混頻器,、低通濾波器和ADC驅(qū)動(dòng)器傳播時(shí),，要在I和Q路徑之間維持正交平衡。根據(jù)具體的CNR要求,，這種折衷可能是可以接受的,。

以上從宏觀層面簡要介紹了這些接收器架構(gòu)的工作原理。列表并未窮盡所有情況，也可以把各種選項(xiàng)綜合起來使用,。雖然比較未涉及發(fā)射信號(hào)鏈,，但圖1中的每個(gè)選項(xiàng)都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的發(fā)射信號(hào)鏈，其折衷情況也相似,。

Ka頻段衛(wèi)星通信接收器示例

以上討論了各種架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和不足,，接下來，我們可以將這些知識(shí)運(yùn)用到真實(shí)的信號(hào)鏈?zhǔn)纠?dāng)中,。目前,，許多衛(wèi)星通信系統(tǒng)都運(yùn)行在Ka頻段，以減小天線尺寸,、提高數(shù)據(jù)速率,。在高吞吐量衛(wèi)星系統(tǒng)中，這一點(diǎn)尤其重要,。以下是采用不同架構(gòu)的示例,，我們將對(duì)其進(jìn)行更加詳細(xì)的比較。

對(duì)于要求100 Mhz以下瞬時(shí)帶寬的系統(tǒng),，如甚小孔徑終端(VSAT),，可以采用集成收發(fā)器芯片的高中頻架構(gòu)(AD9371)，如圖2所示,。該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)低噪聲指數(shù),，并且由于具有高集成度，所以其設(shè)計(jì)尺寸最小?，F(xiàn)將其性能總結(jié)于表1中,。

圖2. 高中頻（集成TRx），帶寬最高100 MHz

作為衛(wèi)星通信系統(tǒng)多個(gè)用戶的集線器,，這些系統(tǒng)可能要同時(shí)處理多個(gè)載波信號(hào),。這種情況下，每個(gè)接收器的帶寬或帶寬/功率就變得非常重要,。圖3所示信號(hào)鏈采用一款高速ADC,，即AD9208，這是最近發(fā)布的一款高采樣速率ADC,，可以數(shù)字化最高1.5 Ghz的瞬時(shí)帶寬,。在本例中，為了實(shí)現(xiàn)1 Ghz的瞬時(shí)帶寬,，中頻被置于4.5 GHz,。這里可實(shí)現(xiàn)的帶寬取決于位于ADC之前的抗混疊濾波器的濾波要求，但一般局限于奈奎斯特區(qū)的~75%（采樣速率的一半）,。

圖3. 用GSPS ADC單下變頻至高中頻

在要求最高瞬時(shí)帶寬并且可能以犧牲CNR為代價(jià)的系統(tǒng)中,，可以采用圖4所示信號(hào)鏈,。該信號(hào)鏈采用一個(gè)I/Q混頻器，即HMC8191HMC8191,，其鏡像抑制性能為~25 dBc,。在這種情況下，鏡像抑制性能受到I和Q輸出通道間幅度和相位平衡的限制,。在不采用更先進(jìn)的正交誤差校正(QEC)技術(shù)的情況下,，這是該信號(hào)鏈的限制因素。該信號(hào)鏈的性能總結(jié)見表1,。需要注意的是,，NF和IP3性能與其他選項(xiàng)類似，但功率/GHz指標(biāo)則為三者中最低,，并且從任意時(shí)間可以利用的帶寬量來看,，其尺寸也屬最佳狀態(tài)。

圖4. 用I/Q混頻器和GSPS ADC實(shí)現(xiàn)直接變頻,。

這里給出的三種接收選項(xiàng)如下表所示,，但需要注意的是，該表并未列出全部可能選項(xiàng),。這里的總結(jié)旨在展示各種信號(hào)鏈選項(xiàng)之間的差異,。在任何給定系統(tǒng)中，最終的最優(yōu)信號(hào)鏈既可能是三者之一,，也可能是任意選項(xiàng)的綜合運(yùn)用,。

另外，雖然表中只顯示了接收器端的情況,，但發(fā)射器信號(hào)鏈也存在類似的折衷情況,。一般地，系統(tǒng)從超外差架構(gòu)轉(zhuǎn)向直接變頻架構(gòu)后,，需要在帶寬與性能之間進(jìn)行折衷,。

數(shù)據(jù)接口

在數(shù)據(jù)被ADC或收發(fā)器數(shù)字化以后,，必須通過數(shù)字接口交給系統(tǒng)處理,。這里提到的所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器都采用了高速JESD204b標(biāo)準(zhǔn),，從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接收信號(hào)，然后把信號(hào)打包組幀,，再通過少量走線進(jìn)行傳輸,。芯片的數(shù)據(jù)速率因系統(tǒng)要求而異，但這里提到的所有器件都有用于抽取和頻率轉(zhuǎn)換的數(shù)字功能,，能夠適應(yīng)不同數(shù)據(jù)速率，以滿足不同系統(tǒng)要求,。該規(guī)格在JESD204b通道上最高支持12.5 GSPS的速率,，傳輸大量數(shù)據(jù)的高帶寬系統(tǒng)即充分利用了這一點(diǎn)。有關(guān)這些接口的詳細(xì)描述請參閱AD9208和AD9371的數(shù)據(jù)手冊。另外,，F(xiàn)PGA的選擇必須考慮該接口,。供應(yīng)商（如Xilinx?和Altera?）提供的許多FPGA目前已經(jīng)在其器件中集成該標(biāo)準(zhǔn)，為與這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的集成提供了便利條件,。

結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了各種折衷情況,，并就Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)適用的信號(hào)鏈列舉了一些例子。還介紹了幾種架構(gòu)選項(xiàng),，包括利用集成式收發(fā)器AD9371的高中頻單次變頻選項(xiàng),，用GSPS ADC取代集成收發(fā)器以提高瞬時(shí)帶寬的類似架構(gòu)，以及可以提高帶寬但會(huì)降低鏡像抑制性能的直接變頻架構(gòu),。介紹的信號(hào)鏈雖然可以直接使用,，但建議以其為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)具體的系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用,，會(huì)出現(xiàn)不同的要求,，隨著設(shè)計(jì)工作的推進(jìn)，信號(hào)鏈的選擇會(huì)越來越明晰,。

參考電路

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Delos, Peter. “寬帶接收機(jī)架構(gòu)方案綜述?！盇DI公司,，2017年。

Hall, Brad and Wyatt Taylor. “小尺寸衛(wèi)星通信解決方案,?！盇DI公司，2017年,。

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