衛(wèi)星通信(satcom)是一種成熟的語音,、視頻和數據傳輸方式,，在所有主要軌道（包括地球同步赤道軌道GEO、中地球軌道MEO和LEO）上廣泛使用。衛(wèi)星通信被認為是傳輸GPS導航信號、天氣信息、電視廣播,、語音、數據的有效手段,，同時也用于成像和科學應用,。承諾提供高速互聯網連接的新一波計劃已經圍繞LEO衛(wèi)星星座展開，它將為下一代互聯網通信提供低延遲、高容量的寬帶連接,。

LEO連接——通向成功之路

在持續(xù)部署5G蜂窩網絡方面,，LEO衛(wèi)星發(fā)揮著重要作用。衛(wèi)星網絡越來越多地參與到3GPP標準化中,，其在未來網絡中的預期作用早就在研發(fā)當中,。2017年，3GPP標準機構啟動相關活動,，以了解衛(wèi)星通信網絡在5G連接中的可行性,。通過3GPP標準第15、16,、17和18版的發(fā)布,，已有多種活動來支持衛(wèi)星網絡的集成。LEO衛(wèi)星可以為服務欠缺的地區(qū)提供大范圍覆蓋,，可以為移動中的人們提供連續(xù)服務,，可以連接到機器到機器(M2M)/物聯網(IoT)設備，而且是一條值得關注的具有成本效益的5G升級途徑,。

下一代LEO系統(tǒng)將在距離地球表面500公里到2000公里的軌道上運行,，實現比過去的衛(wèi)星網絡更具技術優(yōu)勢的解決方案。如此接近地球意味著它們將能提供更低延遲的連接,，這對于消費類或商業(yè)使用場景（如互聯網游戲或實時控制工業(yè)/醫(yī)療設備）非常重要,。LEO衛(wèi)星的延遲約為50ms（下一代技術會將此延遲改善到20ms以下），而GEO則為700ms,。

LEO衛(wèi)星的一個關鍵推動因素是,，由于軌道較低，其輻射暴露量要低得多,。這很重要,，因為這意味著可以放寬昂貴且有時令人望而卻步的抗輻射測試要求。由此將產生規(guī)模經濟性,，現在建造LEO衛(wèi)星的成本已大大降低,。更少的輻射意味著有更廣泛的半導體工藝和更多的元器件可供使用。

鑒于軌道較低,，預計部署的衛(wèi)星數量會多很多。此類衛(wèi)星的平均壽命將比以前的類似衛(wèi)星短得多,。也許經過5到8年,，這些衛(wèi)星就會脫離軌道并需要替換。LEO衛(wèi)星必須具有成本效益才能支撐衛(wèi)星和替代衛(wèi)星的發(fā)射,。

隨著LEO寬帶連接業(yè)務開始變得強大,，所有這些趨勢引起了行業(yè)監(jiān)管機構的注意。回憶1990年代,，這種互聯網業(yè)務是多家公司的目標,，但遺憾的是，由于部署成本高且需求有限,，它以失敗告終,。快進到今天,，半導體技術有了長足進步,，能夠提供不同以往的性能和集成度。再加上相對偏遠或服務欠缺的地方對高速,、低延遲互聯網連接的需求急劇增長,，以及衛(wèi)星通信與5G標準的整合，使得未來的LEO星座處在一個好得多的基礎之上,，取得成功的可能性更大,。

在撰寫本文時，預計用戶可以實現100Mbps的最大下行數據速度,，未來可能會提高到150Mbps,，從而很好地滿足多用戶全時視頻流傳輸需求。

LEO面臨的一個挑戰(zhàn)是衛(wèi)星始終在不斷移動,，星座只有完全部署好才能提供最低可行的服務,。這意味著初始支出會很高，因為LEO衛(wèi)星的軌道較低,，因而數量巨大,。但即便如此，這似乎也并未阻擋其現在的成功,，而且投資者對無處不在的覆蓋的商業(yè)前景十分看好,。

LEO衛(wèi)星系統(tǒng)如何工作？

LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要由三部分組成,，如圖1所示,。

用戶終端/用戶設備(UE)

這些終端是用戶和衛(wèi)星之間的直接聯系手段，往往成本低,、易于設置且位于家中,，但也可以是移動終端，如海事衛(wèi)星通信,、移動中的衛(wèi)星通信,、戰(zhàn)術單人無線電等。用戶終端利用高水平的IC集成來簡化物料清單(BOM),，降低成本,，并保持較小的外形尺寸,。

地面站/網關

這些是連接到服務器（用于互聯網連接的數據中心）的地面連接，通常通過光纖連接,。它們將衛(wèi)星連接到地面,，部署于地球上的固定位置。

衛(wèi)星

衛(wèi)星群被稱為星座,，在軌道上繞著地球運轉,，提供同時連接終端和網關的鏈路。

LEO衛(wèi)星在太空中移動,，通常一顆衛(wèi)星環(huán)繞地球一圈的時間在90分鐘到110分鐘之間,，這稱為軌道周期。因此,，連接到衛(wèi)星的用戶處于該衛(wèi)星的范圍內的時間很短（最多20分鐘）,。普通用戶在正常運行期間會連接到多顆衛(wèi)星。經過一定時間后,，系統(tǒng)必須將用戶移交給進入范圍內的其他衛(wèi)星,，此方式類似于在行駛的汽車中使用手機的人，蜂窩網絡中的一個基站將用戶移交給另一個基站,。這對如何控制波束以保持與最合適衛(wèi)星的最佳鏈接提出了嚴格要求,。

另一個有趣的演變是衛(wèi)星系統(tǒng)在超出地面站的范圍時如何維持運行。圖1展示了一些可能影響通向地面站的鏈路速度的不利天氣狀況,。傳統(tǒng)上,，衛(wèi)星使用彎管技術，也就是衛(wèi)星必須始終找到一條通往地球或其他物體（如飛機）的鏈路,，將其作為跳板來連接太空中的另一顆衛(wèi)星,，后者當時可能處在地面站的范圍內。一項新技術是通過衛(wèi)星間鏈路,，在太空中使用光學或V/E頻段連接來鏈接衛(wèi)星,。

用戶終端上/下變頻器的進展

用戶終端對IC集成度提出了很高要求，ADI利用硅工藝技術的性能和集成能力來響應這一需求,。這些解決方案需要非常高的IC集成度,，以實現尺寸非常小的無線電終端，同時保持非常低的功耗,，并嚴格遵守優(yōu)化的無線電成本要求,。

上/下變頻器(UDC)是用戶終端中的基礎產品，它們將調制解調器IF或基帶信息直接連接到Ku頻段或Ka頻段,。

RFIC UDC的頻率覆蓋目標是：

? Ku頻段：~10.7GHz至~14.5GHz

■ 下行鏈路（衛(wèi)星到地面）：10.7GHz至12.7GHz

■ 上行鏈路（地面到衛(wèi)星）：14GHz至14.5GHz

? Ka頻段：~18GHz至~31GHz

■ 下行鏈路（衛(wèi)星到地面）：17.7GHz至21GHz

■ 上行鏈路（地面到衛(wèi)星）：27GHz至31GHz

下行鏈路和上行鏈路在頻率上是分開的,，故從衛(wèi)星到用戶終端的通信使用兩個單獨的頻段。因此,，RFIC公司必須針對不同頻段設計每個用戶終端的上下變頻器,。

用戶終端鏈路通常覆蓋125MHz至250MHz的通道帶寬(BW)，網關覆蓋250MHz至500MHz的帶寬,，具體帶寬取決于是上行鏈路還是下行鏈路,。不過，一些部署具有在用戶和網關鏈路之間共享帶寬的能力,，因此通道帶寬可以在其工作的頻率中重新配置,。

LEO衛(wèi)星在不斷移動，如圖1所示,。因此,，終端內上/下變頻器的頻率合成器必須實現快速鎖定以提供不間斷連接。頻率合成器用于輔助上變頻和下變頻,。它們在賦能終端在運行期間連接和重新連接不同衛(wèi)星方面發(fā)揮著至關重要的作用,，因為從一顆衛(wèi)星到另一顆衛(wèi)星，空中頻率在工作頻段（即Ka和Ku頻段）內不斷變化,。

ADI開發(fā)了一系列針對用戶終端的Ku和Ka頻段UDC,，以解決尺寸、重量,、面積,、功耗和成本(SWaP-C)問題。這些UDC包含眾多RF和IF信號調理功能,，例如濾波器,、放大器、衰減器,、PLLVCO和功率檢測,。所有IC的設計都考慮到了用戶終端的信號鏈性能。ADMV4630/ADMV4640是Ku頻段UDC,，支持衛(wèi)星調制解調器的IF接口,，如圖2和圖3所示，表中顯示了IC性能的亮點,。

針對更高頻率的Ka頻段,，ADI開發(fā)了ADMV4530/ADMV4540 UDC（圖4和圖5），它們支持需要I/Q基帶接口的衛(wèi)星通信調制解調器,。 請注意,，ADMV4530上變頻器是雙模器件，它還能支持IF接口,。這些解決方案采用硅工藝設計,，

集成度非常高，可應對大批量終端應用中常見的集成壓力,。

更高性能的終端UDC

終端市場中的一些應用是由性能驅動的,，對尺寸和最低成本設計目標的限制較少,。這些應用可以選用分立RFIC解決方案。由于元器件位于不同封裝中,，因此可以混合使用多種工藝技術——包括MESFET,、pHEMT、BiCMOS和CMOS IC——來優(yōu)化設計要求,。分立設計允許對性能與尺寸進行多方面權衡,，設計過程的靈活性非常大。設計人員可以創(chuàng)建更高性能,、提供更高輸出功率并支持更寬帶寬的無線電,。此外，設計人員可以提高接收器靈敏度以改善動態(tài)范圍和雜散性能,。應當注意的是,，地面站/網關也屬于此類解決方案。網關的尺寸更大,，其集成度要求當然不能與終端同日而語,。網關利用不同的工藝技術來為市場提供性能優(yōu)化的解決方案。ADI將繼續(xù)擴大分立解決方案產品系列以應對這種使用場景,。圖6展示了一種分立式高性能解決方案,。

使用電子可控天線降低用戶終端成本

傳統(tǒng)上需要專業(yè)承包商來安裝設備和定位衛(wèi)星位置，與此相關的安裝成本很昂貴,，故多家公司致力于消除這種安裝成本以降低用戶終端的部署成本,。為實現這一目標，須將天線與處理通信鏈路所需的所有電子設備（如移相元件,、RFIC UDC）結合在一個室外單元(ODU)中,。ODU是位于室外并瞄準天空的天線陣列。室內單元(IDU)連接到ODU,，用作傳統(tǒng)路由器（有線或無線）,，為用戶（如PC或電話）提供互聯網連接。

如前所述,，LEO星座會有許多衛(wèi)星進出地面終端的視野,，而電子可控天線(ESA)可以通過電子方式控制衛(wèi)星方向上的發(fā)射和接收能量束，從而實現高指向性,，故使用ESA的效率要高得多,。因此，當衛(wèi)星進出用戶終端的視野時,，從一顆衛(wèi)星到另一顆衛(wèi)星的切換幾乎瞬時完成,，最佳鏈路得以保持。事實上,，考慮到軌道周期和正常運行過程中需要連接的衛(wèi)星數量,，那么ESA幾乎是一項必不可少的要求,。

為了應對這一挑戰(zhàn)，ADI開發(fā)了Ku頻段波束成形集成電路(BFIC)技術,。ADMV4680是一款針對用戶終端設計的硅解決方案,，允許通過半雙工通道獨立控制信號的增益和相位,。令人驚異的是,，該IC的尺寸只有8.2 mm2，如圖7所示,。

為了開發(fā)BFIC技術以使整體無線電成本最小化,，最重要的是系統(tǒng)和陣列專業(yè)知識。機械組裝和PCB設計（包括堆疊和層數）是無線電成本驅動因素的一部分,。在開發(fā)BFIC的時候顧及到機械和PCB設計,，就能盡量降低整體無線電成本。ADI與客戶密切合作,，并有內部PCB專家來幫助解決這個問題,。事實上，IC設計和最終配置是系統(tǒng)權衡研究的一部分,。

采用ESA來跟蹤LEO衛(wèi)星并優(yōu)化鏈路速度,，可以實現低成本設置，這些設備通常是即插即用的,。ESA和向集成度更高的ODU的遷移,，從根本上簡化了系統(tǒng)的部署并降低了成本。ESA還有利于實現更扁平的面板和賞心悅目的設計,。

值得注意的是,，最高性能的終端應用會使用雙拋物面操縱的天線。在這種情況下,，成本和美觀不是主要驅動因素,，整體性能才是重點。對于消費類和注重成本的小型企業(yè)解決方案,，ESA是實現低無線電成本并且達成系統(tǒng)設計目標的有效方式,。

結語

LEO互聯網連接是一個令人激動的新領域，如今大多數政府和互聯網提供商都在思考這場太空競賽,。隨著世界的互聯程度不斷提高,，LEO將進一步增強3GPP標準從太空到農村地區(qū)的連接能力，從而在5G中發(fā)揮重要作用,。用戶終端的RFIC集成要求變得越來越有挑戰(zhàn)性,，ADI將繼續(xù)在這一領域開發(fā)解決方案并按規(guī)劃推出IC新產品。