隨著對(duì)全球連通性需求的增加，許多衛(wèi)星通信（衛(wèi)星通信）系統(tǒng)正在朝著更高的數(shù)據(jù)速率邁進(jìn)，并在Ka波段頻譜中增加存在。由于高性能信號(hào)鏈現(xiàn)在能夠支持?jǐn)?shù)GHz的瞬時(shí)帶寬，并且系統(tǒng)中可能有數(shù)百個(gè)收發(fā)器，因此實(shí)現(xiàn)極高吞吐量數(shù)據(jù)速率的潛力現(xiàn)已成為現(xiàn)實(shí)。

此外，許多系統(tǒng)的趨勢(shì)是從靜態(tài)機(jī)械轉(zhuǎn)向拋物面天線轉(zhuǎn)向有源相控陣天線。這是由增強(qiáng)的技術(shù)和更高的集成度驅(qū)動(dòng)的，可用于將元件間距降低到Ka波段所需的間距。相控陣技術(shù)還可以通過(guò)在干擾信號(hào)方向的天線方向上產(chǎn)生零點(diǎn)來(lái)改善干擾抑制。

以下概述描述了可用收發(fā)器架構(gòu)中存在的一些權(quán)衡，以及哪些類型的架構(gòu)可能適用于不同類型的系統(tǒng)。本分析包括衛(wèi)星系統(tǒng)的一些關(guān)鍵規(guī)格的細(xì)分，以及這些系統(tǒng)級(jí)規(guī)格如何轉(zhuǎn)化為收發(fā)器信號(hào)鏈級(jí)組件。

從系統(tǒng)級(jí)分析中向動(dòng)規(guī)格

衛(wèi)星通信系統(tǒng)在高層次上關(guān)注的是保持一定的載噪比（CNR），這是鏈路預(yù)算計(jì)算的結(jié)果。保持此 CNR 可確保一定的誤碼率 （BER）。所需的 CNR 取決于許多因素，例如糾錯(cuò)、信息編碼、帶寬和調(diào)制類型。一旦建立了所需的CNR，單個(gè)接收器和發(fā)射器的規(guī)格就可以從高級(jí)系統(tǒng)要求中向動(dòng)。通常，它們首先以接收器所需的系統(tǒng)噪聲溫度增益（G/T）品質(zhì)因數(shù)和發(fā)射器的有效各向同性輻射功率（EIRP）的形式向動(dòng)。

對(duì)于接收器，從G/T轉(zhuǎn)換為較低電平的接收器信號(hào)鏈規(guī)格，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要知道天線增益和系統(tǒng)噪聲溫度，這是天線指向的位置和接收器噪聲溫度的函數(shù)，如公式1所示。從這里，接收器溫度可以在公式2中找到。

接收器信號(hào)鏈所需的噪聲系數(shù)可以從公式3中找到：

一旦知道接收器噪聲系數(shù)，就可以計(jì)算級(jí)聯(lián)分析，以確定信號(hào)鏈?zhǔn)欠駶M足這些要求的規(guī)格，以及是否可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

對(duì)于發(fā)射器，所需的EIRP首先根據(jù)接收器的距離（地對(duì)衛(wèi)星或衛(wèi)星對(duì)地）以及接收器的靈敏度來(lái)確定。一旦知道了EIRP要求，就會(huì)在發(fā)射信號(hào)鏈的輸出功率和天線的增益之間進(jìn)行權(quán)衡。使用更高增益的天線，發(fā)射器的功耗和尺寸可以下降，但代價(jià)是天線更大。EIRP 由公式 4 給出。

通過(guò)在信號(hào)鏈中仔細(xì)選擇元件，可以保持所需的輸出功率，而不會(huì)導(dǎo)致其他重要參數(shù)的下降，例如輸出噪聲頻譜密度和帶外RF能量，這些參數(shù)可能會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)造成干擾。

發(fā)射器和接收器的其他關(guān)鍵規(guī)格包括：

瞬時(shí)帶寬：信號(hào)鏈在任何時(shí)間點(diǎn)可以數(shù)字化多少頻譜

功率處理：信號(hào)鏈在不降低性能的情況下可以處理多大的信號(hào)

通道之間的相位相干性：對(duì)于新興波束成形系統(tǒng)，確保通道之間的相位可預(yù)測(cè)，從而簡(jiǎn)化波束成形信號(hào)處理和校準(zhǔn)

雜散性能：確保接收器和發(fā)射器不會(huì)在不需要的頻率下產(chǎn)生可能影響系統(tǒng)或其他系統(tǒng)性能的射頻能量

圖1.架構(gòu)比較，（a） 集成 TRx 的高中頻，（b） 采用 GSPS ADC 的雙變頻超外差，（c） 采用 GSPS ADC 的單變頻超外差，（d） 帶 I/Q 混頻器的直接變頻。

在信號(hào)鏈設(shè)計(jì)過(guò)程中牢記這些和其他規(guī)格對(duì)于保證高性能系統(tǒng)滿足任何給定應(yīng)用至關(guān)重要，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。

一般架構(gòu)比較

一旦確定了高電平規(guī)格，就可以決定信號(hào)鏈架構(gòu)。前面列出的可能對(duì)架構(gòu)產(chǎn)生重大影響的關(guān)鍵規(guī)格之一是瞬時(shí)帶寬。這會(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）。為了達(dá)到更高的瞬時(shí)帶寬，必須以更高的速率對(duì)數(shù)字化儀進(jìn)行采樣，這通常會(huì)推高整個(gè)信號(hào)鏈的功耗，但如果根據(jù)W/GHz進(jìn)行判斷，則會(huì)降低功耗。

對(duì)于帶寬小于100 MHz的系統(tǒng)，類似于圖1a所示的基本架構(gòu)在許多情況下是最佳的。該架構(gòu)使用標(biāo)準(zhǔn)下變頻級(jí)與集成直接變頻收發(fā)器芯片的混合。集成收發(fā)器提供高集成度，大幅減小尺寸和功耗。

為了達(dá)到高達(dá)1.5 GHz的帶寬，可以利用經(jīng)典的雙變頻超外差架構(gòu)，結(jié)合最新的ADC技術(shù);如圖 1b 所示。這是一種成熟的高性能架構(gòu)，其轉(zhuǎn)換級(jí)用于濾除不需要的雜散信號(hào)。根據(jù)接收到的頻段，有一個(gè)下變頻級(jí)到中頻（IF），然后還有一個(gè)額外的下變頻級(jí)，使最終IF達(dá)到ADC可以數(shù)字化的低頻。最終IF越低，ADC性能就越高，但代價(jià)是濾波要求增加。通常，由于元件數(shù)量增加，這種架構(gòu)是所提出的四個(gè)選項(xiàng)中最大和最高的功率。

圖1c顯示了類似的選項(xiàng)，這是一個(gè)由GSPS ADC采樣的更高IF的單變頻級(jí)。這種架構(gòu)利用了ADC能夠數(shù)字化的不斷增加的RF帶寬，而性能下降很小。市場(chǎng)上最新的GSPS ADC允許對(duì)高達(dá)9 GHz的RF頻率進(jìn)行直接采樣。在此選項(xiàng)中，IF的中心范圍為4 GHz至5 GHz，以便在信號(hào)鏈濾波要求和ADC要求之間取得最佳平衡。

最后一個(gè)選項(xiàng)如圖 1d 所示。這種架構(gòu)提供了更大的瞬時(shí)帶寬增加，但代價(jià)是復(fù)雜性和潛在的性能下降。這是一種使用無(wú)源I/Q混頻器的直接變頻架構(gòu)，可以在基帶上輸出兩個(gè)彼此偏移90°的中頻。然后，使用雙通道GSPS ADC對(duì)每個(gè)I和Q支路進(jìn)行數(shù)字化。在這種情況下，可以獲得高達(dá)3 GHz的瞬時(shí)帶寬。此選項(xiàng)的主要挑戰(zhàn)是保持I和Q路徑之間的正交平衡，因?yàn)檎`差會(huì)通過(guò)混頻器、低通濾波器和ADC驅(qū)動(dòng)器傳播。根據(jù) CNR 的要求，這可能是一個(gè)可以接受的權(quán)衡。

這里給出了一個(gè)總體概述，從高層次上描述了這些接收器架構(gòu)的操作。顯示的列表無(wú)論如何都不是包羅萬(wàn)象的，使用每個(gè)選項(xiàng)元素的混合體也是可能的。雖然比較中未涵蓋發(fā)射信號(hào)鏈，但圖1中的每個(gè)選項(xiàng)都有一個(gè)相應(yīng)的發(fā)射信號(hào)鏈，并且權(quán)衡相似。

Ka波段衛(wèi)星通信接收器示例

通過(guò)前面對(duì)每種架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)的討論，我們現(xiàn)在可以將這些理解應(yīng)用于實(shí)際的信號(hào)鏈?zhǔn)纠?。許多衛(wèi)星通信系統(tǒng)現(xiàn)在都在Ka波段運(yùn)行，以減小天線尺寸并提高數(shù)據(jù)速率。這在高通量衛(wèi)星系統(tǒng)中尤其重要。以下是使用不同體系結(jié)構(gòu)的示例以及更詳細(xì)的比較。

對(duì)于需要低于100 MHz瞬時(shí)帶寬的系統(tǒng)，例如使用甚小孔徑終端（VSAT），可以使用集成收發(fā)器芯片（AD9371）的高中頻架構(gòu)，如圖2所示。這種設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)低噪聲系數(shù)，并且由于它具有如此高的集成度，因此它提供了最小的設(shè)計(jì)尺寸。其性能摘要見(jiàn)表1。

圖2.集成 TRx 的高中頻，高達(dá) 100 MHz 帶寬

如果某些系統(tǒng)充當(dāng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中多個(gè)用戶的集線器，則它們可能一次處理許多載波信號(hào)。在這種情況下，每個(gè)接收器的帶寬或帶寬/功率成為重要因素。圖3所示信號(hào)鏈?zhǔn)褂酶咚貯DC，即最近發(fā)布的高采樣速率ADCAD9208，可數(shù)字化高達(dá)1.5 GHz的瞬時(shí)帶寬。在本例中，IF置于4.5 GHz，以實(shí)現(xiàn)1 GHz的瞬時(shí)帶寬。此處可實(shí)現(xiàn)的帶寬取決于ADC之前抗混疊濾波器的濾波要求，但通常限制為奈奎斯特區(qū)的~75%（采樣速率的一半）。

圖3.采用GSPS ADC的單次下變頻至高中頻

在需要最高瞬時(shí)帶寬且可能以CNR形式放棄性能的系統(tǒng)中，可能需要使用圖4所示的信號(hào)鏈。該信號(hào)鏈采用I/Q混頻器HMC8191，其鏡像抑制性能為~25 dBc。在這種情況下，鏡像抑制受到I和Q輸出通道之間的幅度和相位平衡的限制。這是該信號(hào)鏈在沒(méi)有更先進(jìn)的正交糾錯(cuò)技術(shù)（QEC）的情況下的限制因素。信號(hào)鏈性能匯總?cè)绫?所示。值得注意的是，NF 和 IP3 性能與其他選項(xiàng)相似，但功率/GHz 指標(biāo)是三者中最低的，并且大小對(duì)于任何時(shí)刻可以使用的帶寬量同樣是最佳的。

圖4.通過(guò)I/Q混頻器和GSPS ADC直接轉(zhuǎn)換。

下表顯示了此處給出的三個(gè)接收選項(xiàng)，但應(yīng)該注意的是，此列表并不意味著所有可能選項(xiàng)的全面細(xì)分。給出此摘要概述是為了顯示各種信號(hào)鏈選項(xiàng)之間的差異。在任何給定系統(tǒng)中，最終的最佳信號(hào)鏈可以是所示的三種方法之一，也可以是其中任何一種的混合方法。

此外，即使只顯示了接收器側(cè)的故障，發(fā)射器信號(hào)鏈也存在許多類似的權(quán)衡。通常，當(dāng)系統(tǒng)從超外差風(fēng)格架構(gòu)轉(zhuǎn)向直接轉(zhuǎn)換風(fēng)格架構(gòu)時(shí)，需要在帶寬和性能之間進(jìn)行權(quán)衡。

數(shù)據(jù)接口

一旦數(shù)據(jù)被ADC或收發(fā)器數(shù)字化，就必須通過(guò)數(shù)字接口傳遞，由系統(tǒng)進(jìn)行處理。上述所有數(shù)字化儀均采用高速JESD204b標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器獲取位并將其打包成幀，以便在少量走線上傳輸。來(lái)自芯片的數(shù)據(jù)速率將根據(jù)系統(tǒng)要求而變化，但所有上述器件都具有數(shù)字抽取和頻移功能，以適應(yīng)各種數(shù)據(jù)速率，以適應(yīng)不同的系統(tǒng)要求。該規(guī)范允許JESD204b通道上高達(dá)12.5 GSPS的速度，這在傳輸大量數(shù)據(jù)的高帶寬系統(tǒng)中得到了充分利用。有關(guān)這些接口的詳細(xì)說(shuō)明，請(qǐng)參見(jiàn)AD9208和AD9371的數(shù)據(jù)手冊(cè)。此外，FPGA的選擇必須考慮到這個(gè)接口。來(lái)自賽靈思和 Altera 等供應(yīng)商的許多 FPGA 以及其他供應(yīng)商現(xiàn)在都采用該標(biāo)準(zhǔn)到其部件中，以便與這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輕松集成。

結(jié)論

所示分析分解了各種權(quán)衡，并給出了適用于在Ka波段運(yùn)行的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信號(hào)鏈的具體示例。該架構(gòu)提供了多種架構(gòu)選項(xiàng)，包括利用集成收發(fā)器AD9371的單次轉(zhuǎn)換至高中頻，使用GSPS ADC代替集成收發(fā)器以增加瞬時(shí)帶寬的類似架構(gòu)，以及增加帶寬但代價(jià)是降低鏡像抑制性能的直接變頻架構(gòu)。所示的信號(hào)鏈可以直接使用，但可作為設(shè)計(jì)過(guò)程的起點(diǎn)。根據(jù)系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用的不同，會(huì)出現(xiàn)不同的要求，并且可能會(huì)有一條清晰的路徑，使一個(gè)信號(hào)鏈優(yōu)于另一個(gè)信號(hào)鏈。

審核編輯：郭婷