對于商用噴氣機和大型客機而言，商用飛機的高帶寬數據訪(fǎng)問(wèn)需求也增長(cháng)顯著(zhù)。我們發(fā)射了支持更高頻率的新衛星，以實(shí)現這種帶寬增長(cháng)。本文將考察這些技術(shù)趨勢，以及可通過(guò)市場(chǎng)上提供的可定制架構實(shí)現所需性能并縮短上市時(shí)間的解決方案。

 

SATCOM介紹和歷史

 

不斷提高數據速率的需求正在推動(dòng)SATCOM領(lǐng)域中的許多新發(fā)展。SATCOM鏈路的數據速率將從kbps提高至Mbps，這將實(shí)現更高效的數據和視頻傳輸。無(wú)人機的大幅增加為SATCOM鏈路創(chuàng )造了一個(gè)新的舞臺。而且，商業(yè)航空航天市場(chǎng)中對數據和互聯(lián)網(wǎng)接入不斷增長(cháng)的需求正在推動(dòng)Ku頻段和Ka頻段不斷發(fā)展，以支持最高達1000 Mbps的數據速率。同時(shí)，支持傳統數據鏈路、最大限度減小尺寸、重量和功耗(SWaP)和減少系統開(kāi)發(fā)投入也正在推動(dòng)對開(kāi)發(fā)靈活架構和最大限度提高系統重用率的需求。

 

SATCOM系統通常利用對地靜止軌道(GEO)衛星—相對于地球表面靜止的衛星。要實(shí)現對地靜止軌道，衛星必須具有非常高的海拔高度—與地球表面的距離超過(guò)30 km。這樣的高軌道的好處在于，覆蓋大面積的地面只需要很少的衛星，而且由于知道其固定坐標，因此將數據傳輸至衛星較為簡(jiǎn)單。由于這些系統的發(fā) 射成本較高，因此它們專(zhuān)為長(cháng)使用壽命而設計，非常穩定，但有時(shí)也會(huì )有點(diǎn)過(guò)時(shí)。

 

由于海拔高度較高且存在輻射，因此往往需要采用額外的設備屏蔽或衛星屏蔽措施。而且，由于衛星離得太遠，地面上的用戶(hù)可能會(huì )有重大信號損失，同時(shí)還會(huì )影響信號鏈設計和元件選擇。地面到衛星的距離較長(cháng)還會(huì )造成用戶(hù)和衛星之間的高延遲，這會(huì )影響部分數據和通信鏈路。

 

最近，人們提出了許多GEO衛星的替代方案或補充系統，無(wú)人飛行器和低地軌道(LEO)衛星也正在考慮當中。借助低軌道，這些系統可減小基于GEO的系統方面的挑戰，但會(huì )影響覆蓋范圍，需要更多的衛星或無(wú)人飛行器才能實(shí)現類(lèi)似的全球覆蓋。

 

商用航空

 

飛機和商用噴氣機乘客在全球旅行時(shí)需要連接互聯(lián)網(wǎng)。航空公司正在力求增加駕駛艙的數據鏈路，而實(shí)現loT系統監控和報告則需要具有數百甚至數千Mbps數據鏈路的高數據速率SATCOM平臺。

 

到目前為止，這種高帶寬數據鏈路主要在飛機落地時(shí)提供，并使用一個(gè)安裝在地面的系統實(shí)現與飛機的連接。如果要實(shí)現橫跨大陸的覆蓋，SATCOM是唯一能夠實(shí)現連接的有效方法，例如國際海事通信衛星的L頻段覆蓋。在未來(lái)，要達到所需的帶寬，工作頻率必須移至Ku頻段或Ka頻段。這些這些高頻率可提供所需的帶寬，但仍然存在許多設計挑戰，而且系統必須支持傳統數據鏈路。

 

Ku頻段/Ka頻段和LEO系統

 

國際海事衛星組織正在為用戶(hù)提供使用具有Ka頻段數據鏈路的GEO衛星的功能，以應對前面提及的一部分挑戰。從架構的角度來(lái)說(shuō)，這提供了一種解決帶寬不足問(wèn)題的方案，但同時(shí)也對設計工程師引入了一些新的挑戰。圖1描述了在Ka頻段和Ku頻段工作的典型超外差接收和發(fā)送信號鏈。這些系統往往需要兩個(gè)模擬上變頻和下變頻階段，有時(shí)候甚至三個(gè)，每個(gè)階段需要一個(gè)合成器、放大系統和增大系統SWaP的濾波系統。但是，要在包含適用于所有可能數據鏈路的此類(lèi)信號鏈的現有飛機架構和配電系統內實(shí)現匹配不太可能。

 

圖1. 傳統Ka頻段/Ku頻段超外差接收和發(fā)送信號鏈

 

盡管這明顯是一個(gè)簡(jiǎn)化原理圖，但通過(guò)假定每項功能使用分離元件實(shí)現，SWaP的含義清楚明了。元件數量大、功耗大和隔離難題多意味著(zhù)印刷電路板(PCB)將非常大。而且由于高頻布線(xiàn)，可能需要更多RF適當的PCB材料，這會(huì )顯著(zhù)影響成本。除了需要繼續支持L頻段的工作頻率外，SWaP和設計工作難題也很復雜。

 

LEO衛星可能緩解了一些壓力。這類(lèi)衛星在低得多的海拔工作—與地球表面的距離約為1 km—但在此海拔，它們并非靜止，而是迅速掠過(guò)地球表面，一個(gè)軌道周期約為30分鐘。低海拔可降低發(fā)射成本，而且由于環(huán)境沒(méi)有那么惡劣，需要的屏蔽和防護也更少。最重要的是，低海拔也意味著(zhù)傳播延遲更小。但是LEO系統 的主要困難在于，衛星在用戶(hù)范圍內的時(shí)間相當短，必須使用傳送系統。

 

無(wú)人機也可能是此問(wèn)題的一種解決方案，也可將某些平臺視為擴展互聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍的手段。無(wú)人機可提供低延遲高帶寬鏈路，類(lèi)似于LEO，但現在還具備了相對靜止的優(yōu)勢。但是，這種方案的成本與覆蓋范圍對全球應用而言具有挑戰性。

 

解決SATCOM困境

 

盡管上文所述的SATCOM難題看起來(lái)非常棘手，但現在已經(jīng)有許多新的先進(jìn)解決方案可應對這些難題，減小SWaP，或提供能夠部分重用或在系統之間進(jìn)行使用的信號架構。

 

對于MUOS等高帶寬UHF SATCOM，新的連續時(shí)間Σ-Δ型(CTSD)帶通模數轉換器(ADC)可提供RF采樣解決方案。例如，AD6676是一款整合了ADC、模擬增益控制(AGC)和數字下變頻的中頻接收機子系統。CTSD ADC可用噪底交換帶寬，提供系統靈活性和固有帶通濾波響應，從而降低外部濾波要求。由于A(yíng)D6676能夠直接采集MUOS下行線(xiàn)路，消除了前端混合階段和合成器，信號鏈減少至一個(gè)低噪聲放大器和一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)源濾波器。

 

圖2. AD6676接收機子系統架構

 

但是，由于MUOS采用全雙工模式，功率放大器(PA)的功耗也變得至關(guān)重要。手持型SATCOM無(wú)線(xiàn)電需要在1 W和10 W之間的功率水平傳輸，新的氮化鎵(GaN)放大器設備，例如HMC1099，能夠 提供更高的功率效率，結合數字預失真(DPD)等其他線(xiàn)性化技術(shù)后，它們可提供對這些系統而言極具吸引力的SWaP解決方案。

 

對于Ku頻段和Ka頻段系統，全新、集成度更高的架構提供SWaP和信號鏈簡(jiǎn)化功能，以及支持重要系統在L頻段和Ka頻段之間重用的功能。圖3描述了AD9361 RF收發(fā)器在用作中頻轉換器時(shí)能夠節約的功耗，消除了兩個(gè)上變頻和下變頻階段、放大器和濾波器，以及ADC和DAC。

 

圖3. 基于集成式中頻接收機的Ka頻段/Ku頻段接收和發(fā)送信號鏈

 

RF收發(fā)器通常用作一種靈活的直接變頻無(wú)線(xiàn)電，這使其能夠用作L頻段解決方案的一部分。按照這種方式使用時(shí)，它可在這些平臺中提供明顯的共性，并且可最大限度提高軟件和固件的重用率?？係WaP同樣有所減小，大部分應用中僅消耗1.1 W的功率，而且能夠封裝在10 mm × 10 mm的空間中。

 

此外，新的PLL和VCO設備，例如ADF5355，能夠提供超寬帶、高性能、低SWaP頻率源。ADF5355采用5 mm × 5 mm封裝，能夠提供低功耗、高性能LO源，這些來(lái)源能夠從VHF一直掃描到13.6 GHz—為公共平臺設計提供了一種理想的解決方案。

 

最后，對于未來(lái)的LEO系統，波束控制架構對確保鏈路的效率至關(guān)重要。盡管使用HMC247等數字式移相器的模擬波束形成解決方案可提供今天的解決方案，由于轉換器技術(shù)變得越來(lái)越集成化，增強的信號處理過(guò)程變得更易在低功耗設備中使用， 數字波束形成轉變成了一種非常有吸引力的架構。在這種方法中，RF信號鏈在整個(gè)陣列中保持相同，波束在數字域中形成。數字波束控制的主要困難在于管理多個(gè)ADC或DAC設備的尺寸、時(shí)序和功率。設備間的任意時(shí)間或處理偏差都會(huì )對波束的質(zhì)量產(chǎn)生影響。AD9681等新設備可大幅簡(jiǎn)化數字波束控制設計。使八個(gè)ADC均使用一個(gè)相同的電壓基準和時(shí)鐘源可提高波束質(zhì)量，而集成式設備則可減小封裝尺寸并降低功耗。

 

總結

 

近幾十年來(lái)，SATCOM在商用和軍用通信和數據系統中扮演的角色越來(lái)越重要。但是，全球對帶寬不斷增長(cháng)的需求對未來(lái)航空航天和防務(wù)SATCOM設計創(chuàng )造了新的挑戰，同時(shí)還需要新的架構和系統設計。無(wú)論目標是延長(cháng)士兵電池壽命，與較小無(wú)人機負載相匹配，還是在下一航班中提供互聯(lián)網(wǎng)，SATCOM無(wú)線(xiàn)電的SWaP都將變得越來(lái)越重要。新的高線(xiàn)性度中頻子系統、多通道高分辨率ADC、集成式RF收發(fā)器以及VCO和PLL組合將向下一代SATCOM無(wú)線(xiàn)電提供低SWaP解決方案。

 

 

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