无需进行RF频率转换的Ka波段卫星通信

电信卫星的运营商希望能够在世界任何地方，任何时间为他们的客户提供灵活的数据和广播服务。瞬息万变的全球性事件，例如突发新闻，飞机的持续监控或全球时区的不同需求，对卫星传输信号的覆盖范围，形状，大小和功率提出了实时，每日或季节性要求，以及其中包含的通信信道的带宽和容量。

当前的卫星设计方法由于特定于任务和个人客户的RF需求，几乎每种新应用都需要更改接收机和发射机的规格。这给关键程序增加了不必要的，非经常性的重新设计和重新鉴定成本，以及工作量，操作员抱怨开发有效载荷的成本过高，交付时间过长。如今，全球卫星产业受到传统RF频率转换的灵活性，复杂性，功耗，质量，尺寸和成本的困扰。对于提供多达50个频道的对地静止地球轨道（GEO）电信卫星的主要供应商而言，模拟超外差转换器增加了有效载荷总成本的40％以上。

竞争大型全球招标的卫星制造商希望为运营商提供灵活的通信服务，以适应实时用户需求和不断变化的链路要求。尽管航空电子技术取得了重大进步，有效载荷为客户提供了更大的带宽和更高的数据吞吐量，但应答器的设计通常已经保持了几十年。OEM受当前收发器技术的限制，并通过在轨硬件的可重新配置性提高任务灵活性，为运营商提供增加的收入和效率，从而激发了OEM的积极性。现在，一些主要设备包括其他硬件，这些硬件可以在需要时切入和切出。这种方法导致有效载荷的质量，功耗，成本和效率低下都随着航天器所有者所要求的灵活性水平而增加。图1说明了具有机载数字处理功能的多通道电信应答器的体系结构。

图1该图显示了传统数字卫星有效载荷的体系结构。

宽带空间级ADC于10年前推出，提供了直接数字化L和S波段载波的能力。对于以这些频率进行通信的卫星，带通欠采样技术使接收器可以直接数字化RF上行链路，从而无需传统的超外差下变频器。这导致转发器的物理尺寸更小，质量更轻，功耗更低，成本更低。

大约在同一时间，也推出了首个宽带空间级DAC，提供了将数字基带直接上转换为C波段的功能。归零模拟输出的使用减少了较高奈奎斯特区中的正弦滚降，从而允许以这些频率访问图像。对于UHF，L，S和C波段卫星，无需传统的RF上变频器就可使用EV12DS130 MUX-DAC发送器，从而提供体积更小，质量更轻，功耗更低，成本更低的转发器（图2）。

图2宽带空间级ADC和DAC支持数字有效负载的直接转换。

不仅请来了EV10AS180A和EV12DS130消除了传统的RF频率转换的需要，他们允许卫星通信利用软件定义无线电（SDR）为运营商提供更高水平的灵活性，例如，有能力改变RF频率规划的优势在-响应实时用户需求而运行。对于应答器制造商而言，SDR通过出售可通过通信，对地观测，导航和IoT/ M2M应用程序重复使用的单一，通用，多任务有效载荷，使他们减少了非重复工程（NRE）和重复成本。。

L和S波段的传统卫星通信变得很拥挤，并且为了利用更大的信息带宽，运营商转向了Ku，K和Ka波段。为了支持这些更高的频率，第一个宽带，空间级ADC和DAC通过直接数字化和重构IF载波来减少整个RF频率转换级的数量（图3）。

图3这是K波段数字有效负载的当前架构。

为了支持向Ka频段的过渡，Teledyne e2v于2019年开始进行研究，以研究新型K频段（18至27 GHz）ADC的潜力，该ADC使用24 GHz前端，跟踪和保持放大器以及四路ADC交错实现四个数字化仪核心。开发了一个原型并进行了测试，结果表明，与基带操作相比，针对更高的频率优化INL校准以及最小化各个ADC之间的失调失配可以最大化动态K频段性能（图4）。

图4图为概念验证的K波段ADC，图为测得的性能。资料来源：Teledyne e2v

该研究的最终目标是开发第一个用于卫星通信的Ka波段ADC和DAC，以消除传统的模拟频率转换。这将为运营商提供更高的在轨灵活性和实时RF敏捷性。2020年的进一步研发发现，从第一个原型可以实现的性能存在局限性，并增加了信噪比（SNR），无杂散动态范围（SFDR）以及从K到Ka频段的频率，需要进行一些根本性的改变。

在过去的五十年中，摩尔定律一直在推动半导体行业的发展，提高性能并降低每一种较小的几何形状的功耗。通过利用CMOS缩放的更快的速度和更低的功耗优势，使用直接转换ADC和DAC的L，S和C波段的SDR成为可能。但是，在28 nm以下，由于工艺寄生效应，Fmax从360 GHz的峰值下降，而最新的超深亚微米节点太小，不足以支持Ka波段混合信号转换器的开发。此外，在这些几何形状下的制造成本是天文数字，对于体积相对较小的航天工业来说，在商业上是不可行的。90 nm SiGe异质结双极晶体管（HBT）的Fmax当前为600 GHz。

为了提高较高奈奎斯特区的动态性能并从K变为Ka频段，需要使用与概念验证ADC所用的不同的外形尺寸。系统级封装（SiP）通过允许将多个不同的管芯放置在单个公共基板上，从而实现了显着的RF小型化。微波频率下的封装寄生效应，特别是引线键合引线器件的寄生效应，以及材料的选择限制了Ka波段的性能。传统的RF MMIC使用LTCC基板，研究表明，使用更快的有机基板可改善在更高频率下的操作。

2020年，开发了第二个原型，该原型结合了两个CMOS，交错式四通道ADC和一个SiGe 30 GHz跟踪保持放大器。如图5所示，将在较高频率下具有较低寄生效应的倒装芯片安装在低介电常数有机基板上，并放置在紧凑的33×19 mm SiP中。在K频段测量了改进的性能。

图5K波段ADC的第二个原型显示了改进的性能。资料来源：Teledyne e2v

在2019年和2020年进行研究之后，Teledyne e2v计划在2021年下半年发布用于太空应用的首个Ka波段ADC的样品.SiP产品将包括40 GHz前端，跟踪和保持放大器以便直接采样Ka波段载波。

为了补充Ka波段ADC的发展，还将提供12位，12 GSPS，25 GHz DAC，以实现软件定义的微波（SDM）卫星通信。所述EV12DD700四倍的取样频率下，再构成带宽和频率，一个基带的数字输入可以直接上变频相比原来，空间级SDR DAC，所述EV12DS130到的范围内。新型EV12DD700包含一种新颖的2RF模式，可以访问K波段较高奈奎斯特区中的图像。

该双通道器件还提供×4，×8和×16插值比，以降低输入数据速率；还提供可编程数字抗正弦滤波器，以平坦化频域中两个通道的输出响应。可以重建实际和复杂的I / Q数据，并且每个DAC均可独立调整增益，内插因子和数字上变频（DUC）本地振荡器频率。集成的DDS可以生成斜坡，CW音调或线性调频信号，并且还支持快速跳频以保护和保护下行链路。与DAC的归零归零上转换模式不同，使用DUC可以使用较少的串行链路将瞬时带宽减小的基带输入转换为较高的奈奎斯特区域。

图6图为EV12DD700 DAC，图为其直接上变频模式。资料来源：Teledyne e2v

为了支持卫星通信，特别是波束成形应用，ADC和DAC都具有使多个通道上的增益和相位延迟同步的功能，以确保确定性的延迟和处理。上电后，SYNC输入脉冲将两个器件的时钟路径内的所有分频器复位，以确保电路确定性地重启。SYNCO输出连接到另一个设备以进行多设备锁定。

ADC和DAC的数字接口使用12 Gbps高速串行链路和ESIstream协议实现。这是基于14b / 16b编码的，每个帧都包含加扰的数据以确保时序过渡以及两位额外的开销：一个用于控制直流平衡的差异，另一个用于切换同步监视器。与上述ADC / DAC SYNC和SYNCO信号结合使用时，这些链路支持多设备同步和确定性延迟。免费ESIstream IP可用于空间级FPGA！

以下YouTube视频演示了Ka-bandADC和DAC原型的功能。

第一次，Ka波段ADC和DAC的前景提供了将SDR扩展到SDM进行卫星通信的潜力。这将使运营商能够响应于实时用户需求和链路要求，改变射频频率计划和在机转发器运行。通过重新配置单个有效载荷的规范和功能，技术演示卫星将能够提供电信，地球观测，物联网和导航服务，并降低新的多任务概念的风险。

RF的敏捷性和灵活性将使运营商能够响应不断变化的通信和市场需求，从昂贵的航天器资产中获得最大的回报。重新配置和重复使用相同的应答器硬件的能力具有很大的破坏性，将减少NRE和重复成本，将延长硬件的任务寿命，并降低访问卫星通信的总体价格。使用Ka波段ADC和DAC将为RF有效负载带来主要的SWaP优势！

改变有效载荷的RF上行/下行载波频率，瞬时处理带宽，波形和调制类型以及通过重新配置FPGA在轨提供的基本服务的能力，代表了卫星通信领域改变游戏规则的进步。“ SoftSats”将支持许多新的任务类型和应答器体系结构，我想了解您将如何利用这种独特的技术来开发未来的应用程序。例如，您是否仍将收发器放置在主有效载荷内？您是否考虑将Ka波段ADC和DAC放置在接收天线和发射天线处，分别直接处理上行链路和下行链路载波，然后使用高速电或光链路连接到板载数字处理器，如图7所示？

图7此图显示了分布式卫星接收器体系结构。资料来源：Teledyne e2v

Ka波段ADC和DAC的首批样品将于今年上市，其中包括采购和鉴定选项以及辐射硬度数据，将在不久后发布。

为了向航天工业提供进一步的集成和机载处理优势，还将以紧凑的外形尺寸将微波ADC和DAC与合格的FPGA相结合来提供SiP（图8）。第一个产品将以Xilinx的XQRKU060器件为基准，如下图所示，并计划在总体路线图中增加空间级FPGA。

图8计划中的产品概念将RF ADC和DAC与Xilinx的XQRKU060 FPGA结合在一起。

直到下个月，第一个告诉我DAC的RF和2RF模式之间差异的人将赢得“火箭科学家世界巡回赛” T恤衫。祝贺意大利的洛伦佐（Lorenzo），他是第一个回答我上一篇文章中谜语的人。

Rajan Bedi博士是Spacechips的首席执行官和创始人，该公司设计和制造了一系列先进的L至Ku频段，超高通量板载处理器和应答器，用于电信，地球观测，导航，互联网和M2M / IoT卫星。Spacechips的设计咨询服务开发定制的卫星和航天器子系统，并建议客户如何使用和选择正确的组件，以及如何设计，测试，组装和制造太空电子产品。

编辑：hfy