ka波段adc和dac增强了卫星通信
文章作者:Rajan Bedi
ka波段adc和dac提供了将软件定义无线电扩展到用于卫星通信的软件定义微波的潜力。
电信卫星的运营商希望随时能够在世界任何地方提供客户灵活的数据和广播服务。快速改变全球活动，如破坏新闻，飞机的持续监控，或全球时区的不同需求，将实时，日常或季节性需求放在卫星传输的信号的覆盖，形状，尺寸和功率上，除了在这些中包含的通信频道的带宽和容量。
目前的卫星设计方法要求接收机和发射机的规格必须根据特定的任务和客户的射频需求进行更改，以适应几乎每一种新的应用。这为关键项目增加了不必要的非经常性重新设计和重新认证的成本和努力，运营商抱怨开发有效载荷的成本过于昂贵，交付时间过长。今天，全球卫星工业受到传统射频频率转换的不灵活性、复杂性、功耗、质量、尺寸和成本的限制。对于提供多达50个信道的地球静止轨道(GEO)通信卫星的主要供应商来说，模拟超外差转换器为有效载荷的总成本增加了40%以上。
卫星制造商竞争大型全球招标希望提供操作员灵活的通信服务，适用于实时用户需求和改变链接要求。虽然AviONICS存在显着进展，但由于有效载荷为客户提供更大的带宽和更高的数据吞吐量，但转发器的设计通常仍然是相同的几十年。OEM受到当前收发器技术的限制，通过通过在轨道硬件重新配置性提高使使命灵活性提高使使命灵活性提高运营商增加的收入和效率，激励。某些素数现在包括在需要时切换进出的附加硬件。这种方法导致了有效载荷，其质量，功耗，成本和低效率都随着航天器所有者所需的灵活性水平而增加。图1阐述了一种具有星载数字处理的多通道通信转发器的结构。
图1图中显示了传统数字卫星有效载荷的结构。
宽带空间级adc在10年前发射，提供了直接数字化L和s波段载波的能力。对于在这些频率上通信的卫星，带通欠采样技术允许接收机直接数字化射频上行链路，而不需要传统的超外差下变频。这使得应答器体积更小，质量更轻，能耗更低，成本更低。
大约在同一时间，还推出了第一宽带空间等级DAC，提供了直接将数字基带直接转换为C波段的能力。返回零模拟输出的使用减少了较高奈奎斯特地区的SIG滚动，允许在这些频率下访问图像。对于UHF，L，S和C波段卫星，EV12DS130 MUX-DAC的发射器，无需传统的RF上变频器，输送物理上更小，质量较轻，耗电量较小，成本更低的转发器（图2)。
图2宽带空间级adc和dac能够直接转换数字有效载荷。
不仅如此EV10AS180A和EV12DS130消除了传统RF频率转换的需求，他们允许卫星通信利用软件定义的无线电（SDR）的优势，提供运营商新的灵活性，例如，响应实时用户需求，更改轨道内轨道频率计划的能力。对于应答器制造商，SDR允许他们通过销售可以通过通信，地球观察，导航和可重复使用的单一，通用，多任务有效载荷来减少非经常性工程（NRE）和经常性成本。物联网/ M2M应用程序。
传统的卫星通信在L和s波段变得拥挤，为了利用更大的信息带宽，运营商转向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被用于通过直接数字化和重建中频载波(图3)。
图3这是K频段数字有效载荷的当前架构。
为了支持到KA波段的举动，2019年Teledyne E2V开始研究新颖的K频段（18至27 GHz）ADC的潜力，使用24 GHz前端，轨道和持有放大器和四边形交错来实现四个数字核心。开发了一种原型并显示测试显示，优化较高频率的INL校准，而不是基带操作，以及最小化各个ADC之间的偏移失配，可以最大限度地提高动态K波段性能（图4)。
图4图片显示了概念证明k波段ADC，图表显示了测量的性能。来源:Teledyne e2v
研究的最终目标是开发首个用于卫星通信的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多的在轨灵活性和实时射频敏捷性。2020年的进一步研发发现，从第一台原型机开始，其性能所能达到的极限，以及为了提高信噪比(SNR)、杂散自由动态范围(SFDR)和从K波段到ka波段的频率，都需要进行一些根本性的改变。
在过去的50年里，摩尔定律推动了半导体行业的发展，它提高了半导体的性能，降低了半导体的功耗。通过利用CMOS缩放的更快的速度和更低的功耗优势，在L、S和c波段使用直接转换adc和dac的SDR成为可能。然而，在28 nm以下，由于工艺寄生和最新的超深亚微米节点，Fmax从360 GHz的峰值下降，这些都太小，无法支持ka波段混合信号转换器的开发。此外，在这些几何图形的制造成本是天文数字，并不是商业上可行的空间工业相对低的体积。Fmax为90纳米SiGe异质结双极型晶体管S（HBT）目前为600 GHz。
为了提高高奈奎斯特区域的动态性能，并从K波段转移到ka波段，需要一个不同于概念验证ADC所使用的形式因子。封装系统(SiP)允许将多个不同的芯片放置在单一的公共基板上，从而实现显著的射频微型化。封装寄生在微波频率，特别是对线键合铅器件，材料的选择限制了ka波段的性能。传统的射频mmic使用LTCC衬底，研究表明，转向更快的有机衬底可以提高在更高频率下的工作效率。
在2020年，第二个原型被开发，结合两个CMOS，交错，四模数转换器和SiGe 30 GHz轨道和保持放大器。在较高频率下具有较低寄生率的倒装芯片被安装在一个低介电常数有机衬底上，并放置在一个紧凑的33×19 mm SiP中，如图所示图5。改进的性能是在k波段测量的。
图5第二个原型的k波段ADC显示改进的性能。来源:Teledyne e2v
继2019年和2020年开展的研究之后，Teledyne e2v计划于2021年下半年发布用于空间应用的第一个ka波段ADC样本。该SiP产品将包括一个40 GHz、前端、跟踪和保持放大器，允许对ka波段载波进行直接采样。
为了补充ka波段ADC的发展，还将提供一个12位、12 GSPS、25 GHz DAC，以实现软件定义微波(SDM)卫星通信。的EV12DD700与原始的空间级SDR DAC EV12DS130相比，采样频率、重建带宽和基带数字输入可直接上转换的频率范围增加了四倍。新的EV12DD700包含一种新颖的2RF模式，允许访问k波段更高奈奎斯特区域的图像。
该双器件还提供×4， ×8和×16插值比，以降低输入数据率以及可编程的数字抗sinc滤波器，以在频域平坦两个通道的输出响应。实际和复I/Q数据可以重构，每个DAC都有独立的增益、插值因子和数字上转换(DUC)本振频率调整。集成的DDS可以产生斜坡、连续波音频或啁啾信号，还支持快速跳频以保护下行链路。与dac的归零上转换模式不同，使用DUC可以将具有较低瞬时带宽的基带输入转换为使用较少串行链路的高奈奎斯特区。
图6图中为EV12DD700 DAC，图中为其直接上转换模式。来源:Teledyne e2v
为了支持卫星通信，特别是波束形成应用，ADC和DAC都包含跨多个通道同步增益和相位延迟的特性，以保证确定性延迟和处理。上电后，一个SYNC输入脉冲将重置两个设备时钟路径内的所有分频器，以确保电路确定地重新启动。SYNCO输出连接到另一个设备以实现多设备锁定。
ADC和DAC的数字接口是通过12gbps的高速串行链路实现的ESIstream协议。这是基于14b/16b编码，每个帧包含被打乱的数据，以确保时间过渡以及两个比特的开销:一个用于控制直流平衡的视差和另一个作为切换同步监视器。当与上述ADC/DAC SYNC和SYNCO信号结合时，链路支持多设备同步和确定性延迟。太空级fpga可用免费的ESIstream IP !
下面的YouTube视频演示了原型ka波段的特性ADC和DAC。
ka波段adc和dac的前景首次为卫星通信将SDR扩展到SDM提供了潜力。这将允许运营商根据实时用户需求和链路要求改变射频频率计划和在轨应答器操作。通过重新配置单一有效载荷的规格和功能，技术演示卫星将能够提供通信、地球观测、物联网和导航服务，以及消除新的多任务概念的风险。
RF Agility和Resilience将允许运营商以响应不断变化的沟通和市场需求来最大限度地从昂贵的航天器资产中获得返回。重新配置和重复使用相同的应答器硬件的能力是高度破坏性的，将降低NRE和经常性成本，将延长任务的硬件寿命，并将降低总价格访问卫星通信。KA-BAND ADC和DACS的使用将为RF有效载荷提供主要交换效益！
改变有效载荷的RF上行/下行载波频率、瞬时处理带宽、波形和调制类型的能力，以及通过重新配置在轨FPGA提供的基本服务，代表了卫星通信的革命性进步。“软卫星”将使许多新的任务类型和应答器架构成为可能，我想了解你们将如何利用这种独特的技术在未来的应用中。例如，你还会把收发器定位在主载荷内吗?你是否考虑在接收天线和发射天线上分别放置ka波段的adc和dac，分别处理上行和下行载波，然后如上图所示，通过高速电链路或光链路连接到车载数字处理器图7吗?
图7这张图显示了一个分布式卫星接收器架构。来源:Teledyne e2v
第一批ka波段ADC和DAC样品将于今年发布，包括采购和认证选项，以及辐射硬度数据，稍后将发布。
为了提供航天工业进一步的集成和机载处理的好处，sip还将提供微波adc和dac与合格的fpga结合在一个紧凑的形式因数(图8)。第一个产品将为Xilinx的XQRKU060设备设置基线，如下图所示，附加的空间级fpga计划作为总体路线图的一部分。
图8计划的产品概念将RF ADC和DACS与Xilinx的XQRKU060 FPGA相结合。
到下个月，第一个告诉我DAC的RF和2RF模式的区别的人将赢得a火箭科学家课程世界旅游T恤。祝贺来自意大利的Lorenzo，第一个回答我的谜语以前的文章。
本文最初发表于经济日报。
Rajan Bedi博士是sputnik该公司为通信、地万博投注网址球观测、导航、互联网和M2M/物联网卫星设计和建造一系列先进的L - ku波段超高通量星载处理器和转发器。Spacechips的设计咨询服务开发定制的卫星和航天器子系统，并为客户提供如何使用和选择正确的组件，以及如何设计、测试、组装和制造空间电子产品的建议。
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