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Ka頻段需要更多帶寬?這里有三個(gè)選項(xiàng)

發(fā)布時(shí)間:2018-01-18 來(lái)源:Brad Hall 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】隨著全球連接需求的增長(zhǎng),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(jiǎn)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(lái)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。基于此,可以用等式2得到接收器溫度。
 
Ka頻段需要更多帶寬?這里有三個(gè)選項(xiàng)
 
Ka頻段需要更多帶寬?這里有三個(gè)選項(xiàng)
 
然后可以用等式3計(jì)算接收器信號(hào)鏈的噪聲指數(shù):
 
Ka頻段需要更多帶寬?這里有三個(gè)選項(xiàng)
 
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。
 
Ka頻段需要更多帶寬?這里有三個(gè)選項(xiàng)
 
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(cè)性可以簡(jiǎn)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
 
Ka頻段需要更多帶寬?這里有三個(gè)選項(xiàng)
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(wú)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(lái)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(lái)。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(lái);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(wú)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(chǎng)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(wú)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(jiǎn)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(lái)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(lái),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。
 
Ka頻段需要更多帶寬?這里有三個(gè)選項(xiàng)
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)。
 
Ka頻段需要更多帶寬?這里有三個(gè)選項(xiàng)
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(lái)看,其尺寸也屬最佳狀態(tài)。
 
Ka頻段需要更多帶寬?這里有三個(gè)選項(xiàng)
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。
 
Ka頻段需要更多帶寬?這里有三個(gè)選項(xiàng)
表1. Ka頻段接收器詳情比較
 
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(qǐng)參閱AD9208和AD9371的數(shù)據(jù)手冊(cè)。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(lái)越明晰。
 
本文轉(zhuǎn)載自亞德諾半導(dǎo)體。
 
 
 
 
 
 
 
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