基于ADI AD9371高中頻架構滿足低SWaP要求與設計挑戰(zhàn)

向小型化發(fā)展是全球衛(wèi)星產業(yè)的主要發(fā)展方向之一。按照國際上普遍接受的標準，所謂小衛(wèi)星一般質量在500kg以下，相比于大型航天器具有研制時間短、開發(fā)/發(fā)射費用低、機動靈活、組網能力強等優(yōu)勢，小衛(wèi)星在政府和商業(yè)航天領域的應用越來越廣泛。

衛(wèi)星通信行業(yè)的最新趨勢顯示，信號傳輸正從X波段和Ku波段推進到Ka波段。過去，Ka波段中的發(fā)射機數(shù)量非常少，但隨著這種趨勢的發(fā)展，此范圍內的頻譜會變得越來越擁堵。這給此類系統(tǒng)的收發(fā)器設計提出了挑戰(zhàn)，尤其是針對低尺寸、重量和功耗(SWaP)的市場，這些市場的尺寸和功耗要求會限制可達到的選擇率。由于選擇率壓力越來越大，人們自然會折中考慮，降低選擇率要求。某些情況下，例如頻譜環(huán)境不那么明確的移動平臺中，這種折中是有意義的。但在其他可以非常精確地預測干擾的平臺中，選擇率仍將是最高優(yōu)先目標。

新興移動衛(wèi)星通信帶來更低的SWaP要求

在典型的永久性衛(wèi)星通信設施中，室外設備和室內設備在功能上是分開的。室外設備由Ka波段天線、低噪聲塊(LNB)和下變頻級組成，其將Ka波段信號下變頻為L波段信號，然后發(fā)送到室內單元。LNB和下變頻級通常合并為一個單元，其輸出端利用同軸電纜或光纖將信號發(fā)送到室內以供進一步處理。在發(fā)射側，波形產生發(fā)生在室內L波段設備中。信號通過同軸電纜或光纖發(fā)送到室外設備。室外設備包含如下器件：一個塊上變頻器(BUC)，用以將信號從L波段變頻至Ka波段;一個HPA，用以將信號放大到所需的發(fā)射功率水平;以及一根天線。

由于是永久設施，固定安裝地點中的器件通常不是針對低SWaP而設計。根據(jù)其特性和濾波要求，室外LNB可能有10" × 4" × 4"那么大。室外BUC通常有相同的尺寸，而室外HPA可能非常大，室內設備包含一個19英寸寬機架安裝解調器。此設備負責完成接收和發(fā)射衛(wèi)星通信信號的任務，但其SWaP效率可能不是很高。

隨著政府和商業(yè)無人機使用越來越多以及便攜式領域應用設備對衛(wèi)星通信功能的需求增長，傳統(tǒng)的固定安裝基礎設施的衛(wèi)星通信已經滿足不了要求，而且要求更高的瞬時帶寬以滿足圖形以及語言等大數(shù)據(jù)的傳輸，而外形尺寸則保持不變甚至比上一代更小，并且要降低功耗以免攜帶笨重昂貴的電池。SWaP限制需求日益增強。

利用高中頻架構克服低SWaP設計挑戰(zhàn)

低SWaP的需求不斷增加，但還有許多挑戰(zhàn)需要克服。舉例來說，單單濾波這一項要求就會使此類系統(tǒng)的尺寸增加不少。隨著頻率范圍提高到Ka波段，當下變頻到1 GHz中頻時，越來越難以實現(xiàn)同樣的抑制性能。這就需要增加濾波器數(shù)量或增大濾波器尺寸，但由此會增加這些濾波器帶來的額不菲成本。

在低SWaP應用中人們希望數(shù)字化處理和FPGA盡可能靠近天線，這種本地處理為此類使用多少帶寬設置了限制，因為要處理的帶寬越寬，則所需的時鐘速率和器件功耗越高。在傳統(tǒng)固定安裝的Ka波段網絡中，可以使用高達1 GHz的瞬時帶寬。在低SWaP市場中，100 MHz到200 MHz更符合實際。針對此類市場，更好且更合適的架構是高中頻架構。這種架構利用了最新的直接變頻收發(fā)器相關技術。在直接變頻收發(fā)器中，輸入RF能量直接變頻到基帶，并分割為I和Q兩個單獨的流。此類產品已將其頻率范圍提高到6 GHz，從而支持新的獨特使用場景。

過去，這些器件的性能滿足不了要求超高性能的軍用和商用系統(tǒng)的需要，而最近幾年這種技術的新突破已經可以滿足這些高性能需求，特別是實現(xiàn)了更高帶寬、更好線性度、更多集成數(shù)字信號處理功能、更容易校準。這些器件的典型帶寬高達200 MHz，而且可以針對不需要高帶寬的情況進行調整。在頻譜擁擠的環(huán)境中，此類器件的高線性度還有助于提高性能。這會使靈敏度略有降低，但在這種環(huán)境中，此類折中是必要的。此外，集成DSP功能可降低系統(tǒng)中FPGA的負擔，節(jié)省功耗，減少復雜性。這些器件集成的FIR濾波器可進一步幫助解決擁擠環(huán)境中常見的許多通道選擇率問題。此類器件還集成了連續(xù)時間Σ-Δ型ADC，抗混疊濾波是這類ADC的固有功能，因此不再需要SAW濾波器，這有助于降低此類系統(tǒng)的延遲。

基于ADI公司AD9371的高中頻架構應用分析

在高中頻架構中，Ka波段不是直接變頻為基帶，而是先轉換到高中頻，然后饋入直接變頻接收機。由于此類轉換器的頻率范圍得到提高，該中頻可以放在5 GHz到6 GHz之間。中頻頻率從1GHz(當今的典型系統(tǒng))提高到5 GHz，使得鏡像頻率范圍比以前離得更遠，從而將前端濾波要求大大降低(前端濾波簡化是縮小此類系統(tǒng)尺寸的一個因素。)ADI公司前幾年推出的捷變頻收發(fā)器AD9371就是此類高中頻架構的一個典型案例，這是一款高度集成的寬帶RF收發(fā)器，提供雙通道發(fā)射器和接收器、集成式頻率合成器和測試和數(shù)字信號處理功能。

圖中顯示了基于AD9371的系統(tǒng)案例，此系統(tǒng)由一個17 GHz到21 GHz的接收機通道和一個27 GHz到31 GHz的獨立發(fā)射機通道組成。從接收機通道開始，輸入RF能量先由Ka波段LNA放大，再進行濾波以讓17 GHz到21 GHz信號通過混頻器。混頻器利用一個22 GHz到26 GHz范圍的可調諧LO將17 GHz到21 GHz頻段以100 MHz一段下變頻至5 GHz IF。前端濾波器處理27 GHz到31 GHz范圍中的鏡像抑制、LO抑制和帶外信號的一般抑制，防止來自m × n鏡像的雜散信號通過混頻器。此濾波器很可能需要定制，但由于對此濾波器的要求降低，所以其尺寸、重量和成本會比傳統(tǒng)系統(tǒng)要低。

圖. 采用AD9371的接收機和發(fā)射機衛(wèi)星通信系統(tǒng)示例

一旦將RF前端轉換到5 GHz的高中頻，就會進行進一步放大和濾波，然后發(fā)送到AD9371。高中頻所需的濾波比較簡單，利用現(xiàn)成的廉價小型LTCC濾波器即可輕松完成。這里的主要關注是要確保無中頻諧波影響AD9371。在發(fā)射側，AD9371可用來產生并輸出最高+4 dBm的5 GHz波形。IF位于5.3 GHz的頻率，不同于接收機上的5.1 GHz，這是為了降低兩個通道之間發(fā)生串擾的可能性。然后對輸出濾波以降低諧波水平，接著饋入上變頻混頻器，變頻到27 GHz至31 GHz前端。這可以利用與接收機側相同的22 GHz至26 GHz范圍的LO來完成。

此外，采用直接變頻收發(fā)器可為頻率規(guī)劃提供更大的靈活性。這里僅給出了一個例子，但還有許多可能的頻段可以使用相同的架構。AD9371能夠快捷輕松地改變其IF頻率，使得系統(tǒng)可以靈活地避免有問題的雜散響應，或者像人們對軟件定義無線電的預期那樣進行性能優(yōu)化。

總結

盡管通用移動通信獲得迅猛發(fā)展，但對隨時隨地實現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)連接的需求來說依然有盲區(qū)，小尺寸衛(wèi)星通信市場由此快速發(fā)展，。此外，隨著X和Ku波段日益擁擠，推動低SWaP系統(tǒng)向Ka波段發(fā)展。利用利用集成式收發(fā)器AD9371的高中頻架構，用GSPS ADC取代集成收發(fā)器以提高瞬時帶寬，并有效滿足低SWaP要求。