電信衛(wèi)星的運營商希望能夠在世界任何地方，任何時間為他們的客戶提供靈活的數(shù)據(jù)和廣播服務。瞬息萬變的全球性事件，例如突發(fā)新聞，飛機的持續(xù)監(jiān)控或全球時區(qū)的不同需求，對衛(wèi)星傳輸信號的覆蓋范圍，形狀，大小和功率提出了實時，每日或季節(jié)性要求，以及其中包含的通信信道的帶寬和容量。

當前的衛(wèi)星設計方法由于特定于任務和個人客戶的RF需求，幾乎每種新應用都需要更改接收機和發(fā)射機的規(guī)格。這給關鍵程序增加了不必要的，非經(jīng)常性的重新設計和重新鑒定成本，以及工作量，操作員抱怨開發(fā)有效載荷的成本過高，交付時間過長。如今，全球衛(wèi)星產業(yè)受到傳統(tǒng)RF頻率轉換的靈活性，復雜性，功耗，質量，尺寸和成本的困擾。對于提供多達50個頻道的對地靜止地球軌道（GEO）電信衛(wèi)星的主要供應商而言，模擬超外差轉換器增加了有效載荷總成本的40％以上。

競爭大型全球招標的衛(wèi)星制造商希望為運營商提供靈活的通信服務，以適應實時用戶需求和不斷變化的鏈路要求。盡管航空電子技術取得了重大進步，有效載荷為客戶提供了更大的帶寬和更高的數(shù)據(jù)吞吐量，但應答器的設計通常已經(jīng)保持了幾十年。OEM受當前收發(fā)器技術的限制，并通過在軌硬件的可重新配置性提高任務靈活性，為運營商提供增加的收入和效率，從而激發(fā)了OEM的積極性。現(xiàn)在，一些主要設備包括其他硬件，這些硬件可以在需要時切入和切出。這種方法導致有效載荷的質量，功耗，成本和效率低下都隨著航天器所有者所要求的靈活性水平而增加。圖1說明了具有機載數(shù)字處理功能的多通道電信應答器的體系結構。

圖1該圖顯示了傳統(tǒng)數(shù)字衛(wèi)星有效載荷的體系結構。

寬帶空間級ADC于10年前推出，提供了直接數(shù)字化L和S波段載波的能力。對于以這些頻率進行通信的衛(wèi)星，帶通欠采樣技術使接收器可以直接數(shù)字化RF上行鏈路，從而無需傳統(tǒng)的超外差下變頻器。這導致轉發(fā)器的物理尺寸更小，質量更輕，功耗更低，成本更低。

大約在同一時間，也推出了首個寬帶空間級DAC，提供了將數(shù)字基帶直接上轉換為C波段的功能。歸零模擬輸出的使用減少了較高奈奎斯特區(qū)中的正弦滾降，從而允許以這些頻率訪問圖像。對于UHF，L，S和C波段衛(wèi)星，無需傳統(tǒng)的RF上變頻器就可使用EV12DS130 MUX-DAC發(fā)送器，從而提供體積更小，質量更輕，功耗更低，成本更低的轉發(fā)器（圖2）。

圖2寬帶空間級ADC和DAC支持數(shù)字有效負載的直接轉換。

不僅請來了EV10AS180A和EV12DS130消除了傳統(tǒng)的RF頻率轉換的需要，他們允許衛(wèi)星通信利用軟件定義無線電（SDR）為運營商提供更高水平的靈活性，例如，有能力改變RF頻率規(guī)劃的優(yōu)勢在-響應實時用戶需求而運行。對于應答器制造商而言，SDR通過出售可通過通信，對地觀測，導航和IoT/ M2M應用程序重復使用的單一，通用，多任務有效載荷，使他們減少了非重復工程（NRE）和重復成本。。

L和S波段的傳統(tǒng)衛(wèi)星通信變得很擁擠，并且為了利用更大的信息帶寬，運營商轉向了Ku，K和Ka波段。為了支持這些更高的頻率，第一個寬帶，空間級ADC和DAC通過直接數(shù)字化和重構IF載波來減少整個RF頻率轉換級的數(shù)量（圖3）。

圖3這是K波段數(shù)字有效負載的當前架構。

為了支持向Ka頻段的過渡，Teledyne e2v于2019年開始進行研究，以研究新型K頻段（18至27 GHz）ADC的潛力，該ADC使用24 GHz前端，跟蹤和保持放大器以及四路ADC交錯實現(xiàn)四個數(shù)字化儀核心。開發(fā)了一個原型并進行了測試，結果表明，與基帶操作相比，針對更高的頻率優(yōu)化INL校準以及最小化各個ADC之間的失調失配可以最大化動態(tài)K頻段性能（圖4）。

圖4圖為概念驗證的K波段ADC，圖為測得的性能。資料來源：Teledyne e2v

該研究的最終目標是開發(fā)第一個用于衛(wèi)星通信的Ka波段ADC和DAC，以消除傳統(tǒng)的模擬頻率轉換。這將為運營商提供更高的在軌靈活性和實時RF敏捷性。2020年的進一步研發(fā)發(fā)現(xiàn)，從第一個原型可以實現(xiàn)的性能存在局限性，并增加了信噪比（SNR），無雜散動態(tài)范圍（SFDR）以及從K到Ka頻段的頻率，需要進行一些根本性的改變。

在過去的五十年中，摩爾定律一直在推動半導體行業(yè)的發(fā)展，提高性能并降低每一種較小的幾何形狀的功耗。通過利用CMOS縮放的更快的速度和更低的功耗優(yōu)勢，使用直接轉換ADC和DAC的L，S和C波段的SDR成為可能。但是，在28 nm以下，由于工藝寄生效應，F(xiàn)max從360 GHz的峰值下降，而最新的超深亞微米節(jié)點太小，不足以支持Ka波段混合信號轉換器的開發(fā)。此外，在這些幾何形狀下的制造成本是天文數(shù)字，對于體積相對較小的航天工業(yè)來說，在商業(yè)上是不可行的。90 nm SiGe異質結雙極晶體管（HBT）的Fmax當前為600 GHz。

為了提高較高奈奎斯特區(qū)的動態(tài)性能并從K變?yōu)镵a頻段，需要使用與概念驗證ADC所用的不同的外形尺寸。系統(tǒng)級封裝（SiP）通過允許將多個不同的管芯放置在單個公共基板上，從而實現(xiàn)了顯著的RF小型化。微波頻率下的封裝寄生效應，特別是引線鍵合引線器件的寄生效應，以及材料的選擇限制了Ka波段的性能。傳統(tǒng)的RF MMIC使用LTCC基板，研究表明，使用更快的有機基板可改善在更高頻率下的操作。

2020年，開發(fā)了第二個原型，該原型結合了兩個CMOS，交錯式四通道ADC和一個SiGe 30 GHz跟蹤保持放大器。如圖5所示，將在較高頻率下具有較低寄生效應的倒裝芯片安裝在低介電常數(shù)有機基板上，并放置在緊湊的33×19 mm SiP中。在K頻段測量了改進的性能。

圖5K波段ADC的第二個原型顯示了改進的性能。資料來源：Teledyne e2v

在2019年和2020年進行研究之后，Teledyne e2v計劃在2021年下半年發(fā)布用于太空應用的首個Ka波段ADC的樣品.SiP產品將包括40 GHz前端，跟蹤和保持放大器以便直接采樣Ka波段載波。

為了補充Ka波段ADC的發(fā)展，還將提供12位，12 GSPS，25 GHz DAC，以實現(xiàn)軟件定義的微波（SDM）衛(wèi)星通信。所述EV12DD700四倍的取樣頻率下，再構成帶寬和頻率，一個基帶的數(shù)字輸入可以直接上變頻相比原來，空間級SDR DAC，所述EV12DS130到的范圍內。新型EV12DD700包含一種新穎的2RF模式，可以訪問K波段較高奈奎斯特區(qū)中的圖像。

該雙通道器件還提供×4，×8和×16插值比，以降低輸入數(shù)據(jù)速率；還提供可編程數(shù)字抗正弦濾波器，以平坦化頻域中兩個通道的輸出響應。可以重建實際和復雜的I / Q數(shù)據(jù)，并且每個DAC均可獨立調整增益，內插因子和數(shù)字上變頻（DUC）本地振蕩器頻率。集成的DDS可以生成斜坡，CW音調或線性調頻信號，并且還支持快速跳頻以保護和保護下行鏈路。與DAC的歸零歸零上轉換模式不同，使用DUC可以使用較少的串行鏈路將瞬時帶寬減小的基帶輸入轉換為較高的奈奎斯特區(qū)域。

圖6圖為EV12DD700 DAC，圖為其直接上變頻模式。資料來源：Teledyne e2v

為了支持衛(wèi)星通信，特別是波束成形應用，ADC和DAC都具有使多個通道上的增益和相位延遲同步的功能，以確保確定性的延遲和處理。上電后，SYNC輸入脈沖將兩個器件的時鐘路徑內的所有分頻器復位，以確保電路確定性地重啟。SYNCO輸出連接到另一個設備以進行多設備鎖定。

ADC和DAC的數(shù)字接口使用12 Gbps高速串行鏈路和ESIstream協(xié)議實現(xiàn)。這是基于14b / 16b編碼的，每個幀都包含加擾的數(shù)據(jù)以確保時序過渡以及兩位額外的開銷：一個用于控制直流平衡的差異，另一個用于切換同步監(jiān)視器。與上述ADC / DAC SYNC和SYNCO信號結合使用時，這些鏈路支持多設備同步和確定性延遲。免費ESIstream IP可用于空間級FPGA！

以下YouTube視頻演示了Ka-bandADC和DAC原型的功能。

第一次，Ka波段ADC和DAC的前景提供了將SDR擴展到SDM進行衛(wèi)星通信的潛力。這將使運營商能夠響應于實時用戶需求和鏈路要求，改變射頻頻率計劃和在機轉發(fā)器運行。通過重新配置單個有效載荷的規(guī)范和功能，技術演示衛(wèi)星將能夠提供電信，地球觀測，物聯(lián)網(wǎng)和導航服務，并降低新的多任務概念的風險。

RF的敏捷性和靈活性將使運營商能夠響應不斷變化的通信和市場需求，從昂貴的航天器資產中獲得最大的回報。重新配置和重復使用相同的應答器硬件的能力具有很大的破壞性，將減少NRE和重復成本，將延長硬件的任務壽命，并降低訪問衛(wèi)星通信的總體價格。使用Ka波段ADC和DAC將為RF有效負載帶來主要的SWaP優(yōu)勢！

改變有效載荷的RF上行/下行載波頻率，瞬時處理帶寬，波形和調制類型以及通過重新配置FPGA在軌提供的基本服務的能力，代表了衛(wèi)星通信領域改變游戲規(guī)則的進步。“ SoftSats”將支持許多新的任務類型和應答器體系結構，我想了解您將如何利用這種獨特的技術來開發(fā)未來的應用程序。例如，您是否仍將收發(fā)器放置在主有效載荷內？您是否考慮將Ka波段ADC和DAC放置在接收天線和發(fā)射天線處，分別直接處理上行鏈路和下行鏈路載波，然后使用高速電或光鏈路連接到板載數(shù)字處理器，如圖7所示？

圖7此圖顯示了分布式衛(wèi)星接收器體系結構。資料來源：Teledyne e2v

Ka波段ADC和DAC的首批樣品將于今年上市，其中包括采購和鑒定選項以及輻射硬度數(shù)據(jù)，將在不久后發(fā)布。

為了向航天工業(yè)提供進一步的集成和機載處理優(yōu)勢，還將以緊湊的外形尺寸將微波ADC和DAC與合格的FPGA相結合來提供SiP（圖8）。第一個產品將以Xilinx的XQRKU060器件為基準，如下圖所示，并計劃在總體路線圖中增加空間級FPGA。

圖8計劃中的產品概念將RF ADC和DAC與Xilinx的XQRKU060 FPGA結合在一起。

直到下個月，第一個告訴我DAC的RF和2RF模式之間差異的人將贏得“火箭科學家世界巡回賽” T恤衫。祝賀意大利的洛倫佐（Lorenzo），他是第一個回答我上一篇文章中謎語的人。

Rajan Bedi博士是Spacechips的首席執(zhí)行官和創(chuàng)始人，該公司設計和制造了一系列先進的L至Ku頻段，超高通量板載處理器和應答器，用于電信，地球觀測，導航，互聯(lián)網(wǎng)和M2M / IoT衛(wèi)星。Spacechips的設計咨詢服務開發(fā)定制的衛(wèi)星和航天器子系統(tǒng)，并建議客戶如何使用和選擇正確的組件，以及如何設計，測試，組裝和制造太空電子產品。

編輯：hfy