【導讀】本文闡述了當今宇航產(chǎn)業(yè)所面臨的市場(chǎng)的變革，這不但可能顛覆當前的商業(yè)假設，而且預示著(zhù)未來(lái)太空基礎設施的架構和運行方式的重大變化。未來(lái)市場(chǎng)和技術(shù)發(fā)展的方向是更靈活的多任務(wù)平臺。這些軟衛星和現有的衛星不同，它們的操作參數和接口都是軟編碼的（即主要由軟件決定），而不是像今天的硬件那樣普遍采用硬連接的方式。這樣，運營(yíng)商將獲得更靈活、更敏捷的平臺，有助于保護他們的技術(shù)投資，并隨著(zhù)時(shí)間的推移向他們傳遞更強的市場(chǎng)反應能力。
本文闡述了當今宇航產(chǎn)業(yè)所面臨的市場(chǎng)的變革，這不但可能顛覆當前的商業(yè)假設，而且預示著(zhù)未來(lái)太空基礎設施的架構和運行方式的重大變化。未來(lái)市場(chǎng)和技術(shù)發(fā)展的方向是更靈活的多任務(wù)平臺。這些軟衛星和現有的衛星不同，它們的操作參數和接口都是軟編碼的（即主要由軟件決定），而不是像今天的硬件那樣普遍采用硬連接的方式。這樣，運營(yíng)商將獲得更靈活、更敏捷的平臺，有助于保護他們的技術(shù)投資，并隨著(zhù)時(shí)間的推移向他們傳遞更強的市場(chǎng)反應能力。此外，市場(chǎng)也會(huì )受益，因為這些創(chuàng )新有望通過(guò)更多的標準化應用、增強的靈活性和可重用的系統降低宇航應用的成本。軟衛星的一個(gè)關(guān)鍵組成部分是新一代的寬帶數據轉換器，這種轉換器首次實(shí)現直接訪(fǎng)問(wèn)Ka波段，從而消除中頻無(wú)線(xiàn)電環(huán)節，并首次將射頻軟件化引入了關(guān)鍵頻譜波段。實(shí)現這種復雜的寬帶器件需要詳細的工程步驟，包括實(shí)驗室條件下對兩個(gè)概念設計的評估結果。結論很清楚：現在是重新評估架構選擇和準備設計軟衛星的時(shí)候了。量產(chǎn)的樣品預計在2021年底發(fā)布。同時(shí)，當前的初始樣片使進(jìn)一步的實(shí)驗工作得以快速進(jìn)行。
“新太空”簡(jiǎn)介和未來(lái)的軟衛星愿景
歐盟委員會(huì )2019年關(guān)于歐洲空間部門(mén)未來(lái)發(fā)展的一份報告1指出，新太空業(yè)務(wù)的發(fā)展將給全球范圍帶來(lái)顯著(zhù)的增長(cháng)機會(huì )。這份全面的報告包含新興的技術(shù)發(fā)展趨勢，并強調了主要的應用、廣泛的風(fēng)險和獲取資金的挑戰。
新空間趨勢的結果之一是高度靈活的衛星即將到來(lái)。這些系統（本文稱(chēng)之為軟衛星）是一類(lèi)復雜的軟件定義的空間平臺。軟衛星徹底改造了宇航核心基礎設施，尤其是其接口，很大程度上將催生全新的商業(yè)模式。對于Teledyne e2v，軟衛星是一類(lèi)將星上軟件定義處理能力與敏捷直接訪(fǎng)問(wèn)軟無(wú)線(xiàn)電(DASRs)相結合的衛星，能夠支持多種任務(wù)和動(dòng)態(tài)切換操作模式，以適應市場(chǎng)需求和操作環(huán)境，如圖1中的表格所示。
圖 1 - 利用射頻軟件化，一個(gè)軟衛星可提供多種潛在的客戶(hù)服務(wù)
重新配置大大降低了與固定硬件（單一任務(wù)）載荷相關(guān)的巨大風(fēng)險。軟衛星允許根據需要動(dòng)態(tài)引入新的無(wú)線(xiàn)電頻率計劃，或重新分配每個(gè)應答機以滿(mǎn)足任務(wù)更新的需要。此外，結合電子轉向天線(xiàn)（ESA)，服務(wù)提供商可獲得通用的長(cháng)壽命星載應用。
軟衛星可以推動(dòng)標準化的浪潮，進(jìn)一步降低總體成本。事實(shí)上，這一發(fā)展的浪潮可能預示著(zhù)“衛星做為一種服務(wù)2"的出現，正如Altas空間行動(dòng)的CTO最近設想的那樣。這可能看起來(lái)有些牽強，但這一想法得到了即將上市的新型數據轉換器的支持。有史以來(lái)第一次，直接在Ka波
軟衛星的兩個(gè)特點(diǎn)是模塊化和直接訪(fǎng)問(wèn)射頻硬件，使射頻軟件化的使用結合了重新配置的能力。這給予了軟衛星任務(wù)靈活性和多模式操作，同時(shí)降低其對未來(lái)市場(chǎng)變化的敏感度。
重新配置大大降低了與固定硬件（單一任務(wù)）載荷相關(guān)的巨大風(fēng)險。軟衛星允許根據需要動(dòng)態(tài)引入新的無(wú)線(xiàn)電頻率計劃，或重新分配每個(gè)應答機以滿(mǎn)足任務(wù)更新的需要。此外，結合電子轉向天線(xiàn)（ESA)，服務(wù)提供商可獲得通用的長(cháng)壽命星載應用。
軟衛星可以推動(dòng)標準化的浪潮，進(jìn)一步降低總體成本。事實(shí)上，這一發(fā)展的浪潮可能預示著(zhù)“衛星做為一種服務(wù)2"的出現，正如Altas空間行動(dòng)的CTO最近設想的那樣。這可能看起來(lái)有些牽強，但這一想法得到了即將上市的新型數據轉換器的支持。有史以來(lái)第一次，直接在Ka波段轉換將成為現實(shí)，允許人們重新思考未來(lái)的微波接口和衛星通信基礎設施。本文的其余部分將考慮顛覆性的技術(shù)和市場(chǎng)趨勢對航天產(chǎn)業(yè)的影響，然后介紹Teledyne e2v將如何應對。
根據ITU的2019年寬帶狀況報告，目前地球軌道上有4980顆衛星，其中15%用于通信。
在過(guò)去的30年里，通信衛星通常被認為是由大企業(yè)或政府運營(yíng)的高度專(zhuān)業(yè)化的單一任務(wù)平臺，例如用作天基基站或數據中繼器的GEO高吞吐量衛星(HTS)。今天，大部分的地面數據和通信基礎設施依賴(lài)于這種衛星網(wǎng)絡(luò )與地面基礎設施形成閉環(huán)。我們過(guò)去幾十年的經(jīng)濟增長(cháng)在很大程度上要歸功于這種傳統模式，盡管它現在已顯示出不堪重負的跡象。要使天基平臺的發(fā)展跟上地面商業(yè)發(fā)展的步伐，仍然面臨挑戰；技術(shù)的快速進(jìn)步需要數年才能應用于太空，增加了運營(yíng)商的風(fēng)險。由硬件而不是軟件定義的星載應用容易過(guò)時(shí)，這是一個(gè)使運營(yíng)商頭痛的問(wèn)題。
最近，傳統的太空運營(yíng)商和他們的客戶(hù)都在尋找降低運營(yíng)成本、風(fēng)險和投資的方法。與此同時(shí)，太空經(jīng)濟的創(chuàng )業(yè)在過(guò)去的5年里蓬勃發(fā)展，其中值得注意的私營(yíng)投資包括：
• 2015年，SpaceX公布了其Starlink項目，計劃在低軌(LEO)放置多達30,000顆衛星，向所有人提供低延遲寬帶接入服務(wù)。
• OneWeb星座項目幾乎與Starlink項目同時(shí)公布，初期將包含650顆衛星。
• Jeff Bezos于2019年4月宣布，亞馬遜Kuiper項目計劃在未來(lái)10年再次發(fā)射3236顆衛星，用于低軌寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。
根據IDC在2018年的預測， 預計數據年復合增長(cháng)率(CAGR)為61%，到2025年將產(chǎn)生175ZB (1ZB = 10^21字節即1萬(wàn)億GB)的需求。
不斷增長(cháng)的數據需求對衛星性能的發(fā)展有重大的影響。有關(guān)這一話(huà)題的統計數據令人瞠目結舌。新的5G無(wú)線(xiàn)系統和不斷增長(cháng)的物聯(lián)網(wǎng)應用將加速數據的增長(cháng)。IDC在2018年的預測3顯示，其增長(cháng)的速度令人震驚。IDC預計數據的年復合增長(cháng)率(CAGR)為61%，到2025年將產(chǎn)生175ZB(1ZB = 10^21字節即1萬(wàn)億GB)的需求。除此以外，由商業(yè)驅動(dòng)的數據增長(cháng)多是一些更深奧的應用和需求。各國政府正越來(lái)越多地為了國防利益而加倍致力于太空計劃。一些跡象表明，一場(chǎng)基于高超音速導彈技術(shù)的軍備競賽正在加速進(jìn)行，這引起了幾個(gè)全球超級大國的興趣。另外，在這個(gè)逐漸變暖的世界上，科學(xué)家們正試圖更好地監測氣候變化的影響，因此他們對更高分辨率的儀器越來(lái)越感興趣，例如用于地球觀(guān)測的合成孔徑雷達。這些快速變化的數據需求要求行業(yè)必須做出反應。下一個(gè)十年將是各種空間能力快速發(fā)展和商業(yè)化的成熟時(shí)期。值得慶幸的是，通信技術(shù)已經(jīng)基本準備好幫助推動(dòng)這一迫在眉睫的轉變。
半導體的技術(shù)問(wèn)題對航天業(yè)務(wù)的產(chǎn)品供應鏈的影響除非您對半導體技術(shù)的發(fā)展趨勢非常了解，否則您現在可能還沒(méi)意識到芯片行業(yè)面臨的問(wèn)題對您未來(lái)的產(chǎn)品采
購戰略的影響。有以下兩個(gè)關(guān)鍵的因素：
• 在28nm的節點(diǎn)以下，CMOS工藝的最大頻率已達極限。因此，最新的節點(diǎn)根本不支持建立高級的高頻采樣系統。從工藝的角度看，射頻軟件化是有好處的。
術(shù)語(yǔ)表
新太空一種包括新的太空投資理念和一系列技術(shù)進(jìn)步的全球趨勢，促進(jìn)了相關(guān)的私營(yíng)公司迅速發(fā)展。這一趨勢將為未來(lái)十年更廣泛的太空項目和其發(fā)展埋下種子，并加劇太空領(lǐng)域的競爭。
軟衛星 (軟件衛星)衛星系統提供星載軟件定義處理能力，結合靈活的直接訪(fǎng)問(wèn)軟件無(wú)線(xiàn)電（DASR)，能支持多種多模式集成任務(wù)（通信、導航和傳感），并動(dòng)態(tài)切換工作場(chǎng)景以適應市場(chǎng)需求。軟衛星的工作任務(wù)和無(wú)線(xiàn)電接口由加載到衛星上的主動(dòng)固件定義。雖然目前還沒(méi)有已知的在軌商用軟衛星，但ESA計劃在2020年投入運行OPS-SAT，這是一個(gè)成熟的軟衛星的先驅。
直接訪(fǎng)問(wèn)軟件無(wú)線(xiàn)電 (DASR)一種智能軟件無(wú)線(xiàn)電，其運行特性由算法確定。它在很大程度上不受傳統硬件的限制，并可以通過(guò)應用新的代碼動(dòng)態(tài)重新配置。
•開(kāi)發(fā)下一代精細工藝的費用和使用這種工藝制造的產(chǎn)品的成本增長(cháng)迅速，以至于其只能支持大用量的消費類(lèi)產(chǎn)品。精細工藝越來(lái)越遵循收益遞減規律，其不能帶來(lái)顯著(zhù)的功耗改進(jìn)，也不能提高晶體管的密度。與此同時(shí)，開(kāi)發(fā)和制造成本卻急劇增長(cháng)。
RF CMOS 的技術(shù)瓶頸過(guò)去的20年里，軟件定義基帶無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的價(jià)格一直與遵循摩爾定律的大用量核心CMOS制程的價(jià)格下降勢頭相關(guān)。每一個(gè)新節點(diǎn)的商業(yè)化帶來(lái)的迭代創(chuàng )新，極大地提升了性能，降低了功耗，并支持越來(lái)越多的應用。多年來(lái)，這似乎是一種自然法則。然而，最近基礎的設備物理學(xué)的發(fā)展遇到了瓶頸，使創(chuàng )新停滯不前。
MOSFET半導體的一個(gè)關(guān)鍵參數是fmax（最大頻率）。Fmax以高頻增益的形式體現了原始制程的性能。Fmax（圖2）是晶體管功率增益降至1時(shí)的頻率。多年來(lái)，隨著(zhù)門(mén)電路尺寸的減小，fmax頻率逐漸增加。不幸的是，現在頻率的提升逐步減緩，甚至發(fā)生逆轉。在28nm時(shí)，fmax的峰值大約是360GHz。隨后，在14nm節點(diǎn)中，fmax暴跌至28nm時(shí)的一半，即160GHz。頻率降低的原因是復雜的。制程寄生電阻和電容的增加，逐漸成為限制性能提高的主導因素。另外，暴跌的閾值電壓影響動(dòng)態(tài)范圍、驅動(dòng)能力和噪聲電平。那么，當未來(lái)的模擬電路受到如此大的阻礙時(shí)，行業(yè)將如何保持創(chuàng )新的步伐呢？在歐洲，相關(guān)的研發(fā)已將重點(diǎn)放在如下兩個(gè)方面：
• DOTSEVEN，一個(gè)為期三年的研發(fā)項目，目標是開(kāi)發(fā)fmax在700GHz左右的硅鍺(SiGe)異質(zhì)雙極型晶體管(HBT)。
• TARANTO的目標是突破新一代BiCMOS技術(shù)發(fā)展的技術(shù)壁壘，以更高的集成度推動(dòng)異質(zhì)結雙極型晶體管(HBT)的性能提升。
這些項目的發(fā)展方向如圖2中上部的紅色軌跡所示。這其實(shí)是放棄了核心數字CMOS技術(shù)，重新開(kāi)發(fā)射頻模擬電路的替代制程方法。
圖 2 - CMOS和SiGe制程的fmax的發(fā)展，表示門(mén)電路尺寸小于28nm時(shí)CMOS性能的突然下降(參考: 英飛凌, IEEE Radio &Wireless Week Jan.2020, San Antonio, TX (USA)
精細SoC設計的成本增長(cháng)呼喚未來(lái)的替代方案硅的設計成本增長(cháng)迅速。根據IBS的一項研究4，IC的設計成本已從65nm的2850萬(wàn)美元上升到28nm的5130萬(wàn)美元（翻了一番），而且在小于28nm時(shí)成本增長(cháng)得更快。在軟件無(wú)線(xiàn)電的設計背景下，這種經(jīng)濟方面的考慮在很大程度上是無(wú)關(guān)緊要的，因為這些成本已經(jīng)遠遠超出了專(zhuān)業(yè)市場(chǎng)的承受能力。然而，需要強調的關(guān)鍵一點(diǎn)是，在建造定制系統時(shí)，航天產(chǎn)業(yè)通常依賴(lài)于CMOS的規模和性能收益，這些收益來(lái)自于設計ASIC，以實(shí)現未來(lái)的成本縮減和功率改進(jìn)。但是，越來(lái)越多的專(zhuān)業(yè)模擬電路要么依賴(lài)于舊的制程節點(diǎn)，要么必須采用最新的BiCMOS工藝的硅鍺(SiGe)HBT以實(shí)現更高的頻率器件。
因此，由于上文所述的性能挑戰，信號路徑的創(chuàng )新需逐步放棄定制的ASIC方案。未來(lái)的射頻信號路徑必然將從Bulk CMOS中脫離出，采用一種改進(jìn)的架構，其中混合信號前端將與最新的現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)提供的強大的信號處理能力相結合。使用FPGA可降低成本并提升性能。
在這樣的背景下，像Teledyne e2v這樣的創(chuàng )新公司一直致力于投資制造基礎設施，從而將一種新型的小型集成片上系統(SiP)推向市場(chǎng)。SIP注定是射頻小型化的下一階段發(fā)展的核心，并成為軟衛星設計的主要驅動(dòng)。
軟衛星的核心技術(shù)發(fā)展
為使軟衛星的理論成為現實(shí)，有哪些必要的核心技術(shù)發(fā)展？最重要的發(fā)展圍繞可重復編程處理、信號調制和解調、協(xié)議編碼和頻率生成，包括：
1.GHz的寬帶數據轉換器(ADC和DAC)的可用性，其信號帶寬可達Ka波段(40GHz)，將超過(guò)傳統模擬RF信號鏈的性能。這些器件將與星載數字上下變頻能力和數字控制一起提高附加值。
2.支持12Gbps甚至更高數據率的超高速互聯(lián)和背板技術(shù)，包括未來(lái)的硅光子技術(shù)。
3.多通道精確時(shí)間同步，確保采樣點(diǎn)同步并保持系統間的信號相位。
4.新型高性能、低介電常數的有機基材提高了SiP的增益和頻譜特性。
5. 宇航級或同樣可靠性的器件。
6. 改進(jìn)的固態(tài)功率放大器。以上每一項都對研發(fā)成熟的航天產(chǎn)業(yè)的軟衛星有重大影響。由于篇幅所限，本文的其余部分將集中討論其中最重要的四個(gè)方面。設定K波段及更高波段的射頻軟件化的方向Teledyne e2v于2019年年中啟動(dòng)了構建完整Ka波段采樣系統的基礎步驟的實(shí)驗項目。該項目將一個(gè)高度線(xiàn)性的24GHz信號量化器（或跟蹤保持放大器THA)連接到一個(gè)全新的寬帶ADC EV12AQ600，如圖3所示。
圖 3 - PS620實(shí)驗前端板
器件的核心參數
EV12AQ600 ADC
• 四個(gè)12-bit 1.6 GSps ADC核心，支持 1、2或4通道時(shí)域交織
• 全交織模式下高達6.4 GSps的采樣率
• 6.5 GHz輸入帶寬 (-3dB)
• 集成的寬帶交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)
• 支持多通道同步的同步鏈技術(shù)RTH120 THA
• 24 GHz輸入帶寬
• 雙THA使輸出保持時(shí)間可超過(guò)半個(gè)采樣時(shí)鐘周期
• 全差分設計
最終的PS620原理驗證模塊包括一個(gè)微波THA和一個(gè)四核心ADC,其每個(gè)核心支持1.5Gsps采樣率，并集成了6.5GHz模擬輸入帶寬的寬帶交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)。這個(gè)ADC的設計可用于核心交織。利用四個(gè)核心的時(shí)域交織，可實(shí)現超過(guò)6Gsps的采樣率。將奈奎斯特折疊原理應用到K波段THA并選擇合適的采樣頻率，可以預計從K波段下變頻到EV12AQ600的6GHz的基帶將產(chǎn)生良好的結果。這些實(shí)驗結果在之前的白皮書(shū)里有詳細的描述5。
使用該模塊進(jìn)行測試的目的是確定上述量化器的K波段(18到26.5GHz)直接轉換的有效極限。從初始的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)的測試中可以發(fā)現三個(gè)具體的問(wèn)題：
• 輸入信號的功率對原始THA動(dòng)態(tài)性能有很大影響
圖 4 - 高頻優(yōu)化交織的影響
• 工廠(chǎng)校準對ADC高奈奎斯特域交織性能的顯著(zhù)影響
• 在高奈奎斯特域采樣時(shí)ADC積分非線(xiàn)性(INL)誤差的影響
最初的實(shí)驗報告有一些局限性。最值得注意的是核心交織校準(ILG)。初始的ILG針對基帶頻率優(yōu)化。然而，頻譜分析清楚地表明以Fc/4為中心的頻譜毛刺必然是由于每個(gè)核心的交織帶來(lái)的偏置誤差而產(chǎn)生的。不出所料，這種偏置在一系列測試頻率范圍內都有影響。經(jīng)過(guò)反復調整，Fc/4的毛刺有了顯著(zhù)的減少(圖4)。在K波段工作時(shí)，基于中心21.5GHz的校準產(chǎn)生了令人鼓舞的結果，在K波段獲得了近15dB的增益。
圖 5 - 初始PC樣機的K波段SFDR的實(shí)驗結果：校準前和校準后的對比
進(jìn)一步優(yōu)化的可能性似乎有限。而另一方面，轉換器的積分非線(xiàn)性(INL)對三次諧波(H3)有明顯的影響。與ILG誤差一樣，在生產(chǎn)測試時(shí)，INL的校準是針對基帶操作的。然而，測試工程師們期待高校準能實(shí)現進(jìn)一步的性能提升。事實(shí)上，我們確實(shí)觀(guān)察到H3進(jìn)一步下降了3到5dB。這些綜合的結果（圖5）有助于Teledyne e2v建立其直接微波訪(fǎng)問(wèn)計劃。本文將介紹這一計劃。
新興的微波直接訪(fǎng)問(wèn)產(chǎn)品路線(xiàn)圖
Teledyne e2v一直致力于Ka波段直接訪(fǎng)問(wèn)。除了PS620的直接訪(fǎng)問(wèn)接收路徑的原理驗證之外，Teledyne e2v還規劃了2次進(jìn)一步迭代，如圖6所示。
在2020年，第一個(gè)原理驗證樣機的能力得到了擴展。第二個(gè)的樣機PS640通過(guò)時(shí)域交織一對EV12AQ600 ADC并使用新的微波采樣器，使采樣率翻倍，并具有30GHz的可用帶寬。這是超越K波段的第一步。
圖 6 - Teledyne e2v Ka波段軟件無(wú)線(xiàn)電發(fā)展路線(xiàn)圖
初始完整Ka波段實(shí)驗樣機的結果
圖7的SFDR圖表明第二個(gè)原型設計已經(jīng)取得了令人鼓舞的結果。這表明，在10Gsps采樣時(shí)，輸入25GHz的信號，3次諧波的毛刺是-57dBFS，考慮到輸入電平，大約等效于-51dBc的SFDR。這是非常優(yōu)秀的結果。與最初的PS620采用的基于標準封裝和RF印制電路板的設計不同，PS640采用了一種全新的有機低介電的基材，并使用倒裝器件，在改善RF性能的同時(shí)減少了占用的空間。這個(gè)
33mmx19mm的SiP模塊由Teledyne e2v制造，采用0.8mm的球間距互聯(lián)，包含總計799個(gè)節點(diǎn)。另一方面，這個(gè)模塊的焊球和凸起互聯(lián)都符合RoHS，以滿(mǎn)足未來(lái)的生產(chǎn)標準要求。這個(gè)6.3mm2的微型模塊是業(yè)內第一款能實(shí)現直接Ka波段轉換的模塊。成品的照片如圖8所示。
圖 7 - 輸入25GHz連續波形的SFDR
圖 8 - PS640 多芯片模塊 (MCM)
Ka波段拼圖的最后一塊
明年年底，計劃中的第三階段的初始樣片有望發(fā)布。這是一款用于量產(chǎn)的SiP。我們?yōu)槠浠ㄙM了36個(gè)月或更長(cháng)的研發(fā)時(shí)間。它將包括第二代的微波采樣器。這個(gè)采樣器與下一代的ADC核心配對。Teledyne e2v表示，雖然目前還不能透露太多關(guān)于完整功能的信息，這款ADC將實(shí)現幾項重要的功能增強，以改善核心時(shí)域交織的性能，并提供一系列數字控制功能以簡(jiǎn)化其在軟件無(wú)線(xiàn)電設計中的應用。
Teledyne e2v在最近的研發(fā)中放棄了平衡差分模擬信號和時(shí)鐘線(xiàn)，轉而使用單端信號策略。這個(gè)重要的架構選擇，標志著(zhù)Ka波段功能應用與之前的應用的差異。這個(gè)決定帶來(lái)了一些重要的優(yōu)點(diǎn)。通常，宇航級認證的器件較難獲取，而找到合適的巴倫則更加困難。此外，這些器件都很昂貴，尺寸也不小?？紤]到大多數的微波源都是單端的，這是個(gè)明智的決定。
Teledyne e2v的研發(fā)團隊也在開(kāi)發(fā)對應的發(fā)射路徑解決方案。一款雙路12位電流控制的RF DAC正在研發(fā)中，支持合成Ka波段頻率產(chǎn)生。實(shí)驗室測量的器件的典型寬帶輸出功率譜如圖9所示。
圖 9 -2.26 GHz 多音輸出功率譜 (Fclk = 20GSps) ，2RF 模式, 4倍插值, ASINC = ON
EV12DD700將包括一系列先進(jìn)的功能，為發(fā)射端帶來(lái)巨大的靈活性，包括：
• -3 dB 模擬帶寬為25 GHz
• 多種輸出模式，包括2RF模式，允許靈活的上變頻，合成頻
率支持21GHz及更高的頻率
• 數字波束形成
• 可編程反正弦濾波器
• 快速可編程的復雜混頻器，支持高度靈活的跳頻
• 使用32位NCO的數字上變頻
• 通過(guò)同步鏈實(shí)現的多器件同
這款DAC的SFDR優(yōu)于-55dBc。此外，它還支持包括多模跳頻的高靈活性快速跳頻功能（通過(guò)集成的RTZ、連續和相干模式）。與Teledyne e2v早期的DAC方案相同，該產(chǎn)品
具有多種輸出編碼模式，可根據所需的頻譜合成信號帶寬修改輸出的功率特性。2RF模式的輸出功率峰值跨越了Ka波段（如圖10中的綠色虛線(xiàn)所示）。
圖 10 - 未來(lái)的雙通道DAC EV12DD700的三種輸出特性模擬
管理高速數據
當使用現代的數據轉換器時(shí)，管理高速串行數據流是一個(gè)挑戰。Teledyne e2v的產(chǎn)品采用一種名為ESIstream(高效串行接口)的開(kāi)源12Gbps鏈接技術(shù)。這種串行協(xié)議的設計開(kāi)銷(xiāo)很小，并可為一系列的FPGA(如Xilinx KintexUltrascale和Virtex 7, Intel Arria 10)提供簡(jiǎn)單的無(wú)需許可證的IP。
ESIstream協(xié)議提供了87.5%的數據效率，其基于一個(gè)使用線(xiàn)性反饋移位寄存器(LFSR)擾頻器的14b/16b編碼器。我們增加了1個(gè)差異校驗位確保直流平衡傳輸，和額外的切換位使能同步監視。鏈路通過(guò)使用獨立的同步信號(SYNC)和簡(jiǎn)單的接收端SYNC觸發(fā)計數器，支持多器件同步和確定性延遲（圖11）。計數器在用戶(hù)定義的時(shí)間從ESIstream接收IP的輸出緩沖釋放數據，以確保確定的鏈路延遲。
圖 11 - ESIstream協(xié)議支持的單個(gè)ADC確定性延遲的原理
關(guān)鍵時(shí)序和采樣同步問(wèn)題
今天，許多無(wú)線(xiàn)電應用都使用波束形成來(lái)提高系統性能。波束形成利用信號干擾對信號功率進(jìn)行空間定向。這種系統需要同步采樣，即所有通道都在同一時(shí)刻精確采樣。這樣，信號空間（或相位）信息可在天線(xiàn)陣列中得以保持。盡管存在一些不利因素，如復雜度增加，但這種設計仍有一些可取的優(yōu)點(diǎn)：
• 更高的通道信噪比(SNR)可提高無(wú)線(xiàn)電鏈路的余量，從而增加信號范圍(或降低所需的發(fā)射功率）
• 由于干擾能量來(lái)自特定的方向，波束形成算法可使用信號歸零來(lái)限制或減少干擾
然而，工作在GHz頻率，無(wú)論是在IC器件或是板級，信號的傳遞時(shí)間都是重要的因素。印制電路板(PCB)的走線(xiàn)行為類(lèi)似于傳輸線(xiàn)，信號走線(xiàn)的長(cháng)度是否匹配對保持相位信息至關(guān)重要。與166ps的時(shí)鐘周期相比（對于6GHz的時(shí)鐘），1厘米的走線(xiàn)長(cháng)度將增加60至75ps的信號傳輸時(shí)間。因此，板子走線(xiàn)會(huì )顯著(zhù)影響設計，這也是為什么印制電路板的布線(xiàn)是微波系統設計是否成功的一個(gè)關(guān)鍵要素。
此外，我們還需考慮另一個(gè)數字域的重要的因素。亞穩態(tài)是數字系統中的一種不確定的狀態(tài)。隨著(zhù)時(shí)鐘頻率的增加，出現亞穩態(tài)事件干擾系統時(shí)序的可能性越來(lái)越大。使用適當的同步策略可以對抗亞穩態(tài)的影響，即Teledyne e2v使用的同步鏈功能。一般來(lái)說(shuō)，很難通過(guò)其他方法保證亞穩態(tài)的狀態(tài)下的確定性操作。JEDECJESD204B sub-class 1的方法難以正常工作，給設計師們留下了糟糕的印象。Teledyne e2v提供了一種健壯的、適應力強的同步方案——使用同步信號為每個(gè)器件重新對齊主時(shí)鐘。
確定性同步是通過(guò)一對事件驅動(dòng)的差分電信號實(shí)現的，即同步和同步輸出(SYNC和SYNCO)。在它們之間，這些信號確保目標器件的時(shí)序重置，所有數字子系統都正確鎖定到這個(gè)主參考時(shí)鐘。此外，同步還可以擴展到大型多通道系統中的多個(gè)設備。
同步鏈的優(yōu)點(diǎn)有：
• 相對簡(jiǎn)單——無(wú)需額外的時(shí)鐘，而在系統的生命周期內多個(gè)并行通道的同步是有保證的
• 只需訓練一次，即可實(shí)現系統同步
• 即使環(huán)境條件（如P, V或T)變化，時(shí)序參數保持不變同步鏈提供了一個(gè)穩定的跨系統同步源。新型高性能封裝和互聯(lián)方法封裝技術(shù)是微波系統設計的“魔法”之一。對于任何半導體，封裝提供了健壯的機械特性。它使半導體裸片和鄰近的環(huán)境隔離，有利于散熱，在多數情況下，支持復雜設計中大量的互聯(lián)節點(diǎn)。
圖 12 - 封裝管腳和IC連接的集總模型
對于微波IC而言，實(shí)現最佳的性能還有一個(gè)關(guān)鍵的要素，這個(gè)要素與封裝的寄生效應有關(guān)。寄生效應是由封裝產(chǎn)生的非理想化的電路元器件，和每個(gè)封裝的材料特性有關(guān)。在微波頻率下，典型的明顯寄生效應包括管腳和裸片的引線(xiàn)特性，以及印制電路板和封裝連接處的材料不連續性。當檢查IC連接時(shí)，通常使用圖12所示的集總模型簡(jiǎn)化互聯(lián)的電氣特性。
這張圖說(shuō)明了寄生效應引起的不同阻抗，并強調了隨著(zhù)頻率的提高進(jìn)行阻抗匹配的必要性。因此，封裝的材料的選擇起著(zhù)關(guān)鍵的作用。傳統上，許多微波IC使用LTCC(低溫共燒陶瓷)作為基板的材料。而在Ka波段，則需要使用更快的有機基板。
圖 13 - 陶瓷（左側）和有機（右側）基板的頻率特性表明使用有機材料的必要性
產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程包括詳細的封裝帶狀線(xiàn)設計的有限元分析。高頻結構模擬（HFSS)模擬電路板-封裝-硅片接口的電磁特性，優(yōu)化器件的電性能。在這個(gè)分析中，可以看到曲線(xiàn)由PCB（左下），到焊球(PCB和封裝的接口），再到IC基材，最后通過(guò)凸起（即封裝和倒裝IC的接口）硅片。接著(zhù)，針對高達65GHz的頻率的HF信號連接器進(jìn)行實(shí)驗特性的驗證。
展望分布式軟件無(wú)線(xiàn)電設計的未來(lái)
從前面討論的技術(shù)瓶頸可以看出引入新的架構的必要性。今天，最先進(jìn)的Ka波段直接訪(fǎng)問(wèn)量化器體現了當前設計的發(fā)展方向，如圖14所示。圖中，射頻數據采集器件和FPGA的信號處理配合工作。每個(gè)器件都針對獨立的任務(wù)選擇了最優(yōu)的制程工藝?？梢钥闯?，由此產(chǎn)生的密集型SiP，推動(dòng)了小型化的發(fā)展，并降低了成本，減小了器件封裝。
互聯(lián)的實(shí)施協(xié)議。這將允許實(shí)現一種全分布式的未來(lái)無(wú)線(xiàn)電架構（圖15），其中超寬帶數字轉換器與天線(xiàn)位于同一位置，并利用光纖將數字數據傳輸到中央處理單元。這一舉措不僅簡(jiǎn)化了復雜的波束形成算法，還帶來(lái)了額外的設計自由度并減輕了重量。此外，一些令人煩惱的電子問(wèn)題，如信號失真、噪聲和串擾，都將得以改進(jìn)。
圖 14 - 模塊化Ka波段量化器和右側的Teledyne e2v的射頻前端SiP方案的例子
即將到來(lái)的硅光子技術(shù)預示著(zhù)一種增強的設計范式，將適合一種更基本的、系統兼容的用于衛星無(wú)線(xiàn)電架構的數字方法。 光學(xué)互聯(lián)系統已經(jīng)經(jīng)由光學(xué)網(wǎng)絡(luò )工作論壇6的工作標準化，已經(jīng)建立了一項涵蓋6Gbps到56Gbps的串行
您準備好迎接軟衛星了嗎？本文介紹了軟衛星。軟衛星是通用軟件定義的宇航平臺，代表著(zhù)在未來(lái)十年從單一任務(wù)、高成本的傳統衛星向本質(zhì)上更復雜的應用的轉變。推動(dòng)這一轉變的是前沿數據轉換器和信號處理半導體的出現。
互聯(lián)的實(shí)施協(xié)議。這將允許實(shí)現一種全分布式的未來(lái)無(wú)線(xiàn)電架構（圖15），其中超寬帶數字轉換器與天線(xiàn)位于同一位置，并利用光纖將數字數據傳輸到中央處理單元。這一舉措不僅簡(jiǎn)化了復雜的波束形成算法，還帶來(lái)了額外的設計自由度并減輕了重量。此外，一些令人煩惱的電子問(wèn)題，如信號失真、噪聲和串擾，都將得以改進(jìn)。
圖 15 - 未來(lái)的分布式架構利用硅光子技術(shù)減輕重量并提高架構的靈活性
6.‘OIF-CEI-56G 項目, 源: OIF 2015年9月
您準備好迎接軟衛星了嗎？本文介紹了軟衛星。軟衛星是通用軟件定義的宇航平臺，代表著(zhù)在未來(lái)十年從單一任務(wù)、高成本的傳統衛星向本質(zhì)上更復雜的應用的轉變。推動(dòng)這一轉變的是前沿數據轉換器和信號處理半導體的出現。軟衛星將用于物理層接口的軟件無(wú)線(xiàn)電和多任務(wù)OTA可重新配置的載荷結合起來(lái)?？紤]到目前的市場(chǎng)力量，這種轉變是非常顯然的。幸運的是，這種需求得到了新興的商業(yè)和技術(shù)上可行的直接訪(fǎng)問(wèn)Ka波段軟件無(wú)線(xiàn)電的支持，其核心技術(shù)是新型的寬帶數據轉換器。
綜上所述，Teledyne e2v制定了涵蓋接收端和發(fā)射端的戰略發(fā)展規劃。在未來(lái)的一年至18個(gè)月的時(shí)間里，這項工作的成果將會(huì )顯現。同時(shí)，Teledyne e2v已經(jīng)提供了最先進(jìn)的現場(chǎng)演示，為其計劃的商業(yè)和技術(shù)可行性提供了可靠的證明。幫助實(shí)現軟衛星的研究需要行業(yè)內的眾多努力。令作者感到鼓舞的是，今天，軟衛星概念的許多要素正在進(jìn)行任務(wù)測試。其中一個(gè)值得注意的項目是歐洲航天局于2019年12月發(fā)射的OPS-SAT衛星。其他并行的行業(yè)發(fā)展為軟衛星的清晰愿景添加了實(shí)質(zhì)性的內容，這也提出了對更高性能數字處理的要求。值得慶幸的是，處理器正在快速地發(fā)展，以幫助解決具有挑戰性的地面設備的問(wèn)題，例如隨著(zhù)人工智能(AI)的快速發(fā)展，自動(dòng)駕駛解決方案的開(kāi)發(fā)者面臨的關(guān)鍵圖像識別和傳感器數據融合的挑戰。
通往軟衛星之路的在軌應用
ESA的OPS-SAT是一顆7kg的3U立方體衛星。它的軌道高度為515km，被稱(chēng)為“太空軟件實(shí)驗室”，使用軟件定義無(wú)線(xiàn)電和雙核ARM cortex A9。這顆衛星的設計者表示，它將用于革命性的控制系統和軟件的在軌演示，因為在成熟的衛星上驗證的風(fēng)險太大。超過(guò)100家歐洲公司和機構簽署了該平臺的實(shí)驗項目計劃。
幫助實(shí)現軟衛星的研究需要行業(yè)內的眾多努力。令作者感到鼓舞的是，今天，軟衛星概念的許多要素正在進(jìn)行任務(wù)測試。其中一個(gè)值得注意的項目是歐洲航天局于2019年12月發(fā)射的OPS-SAT衛星。其他并行的行業(yè)發(fā)展為軟衛星的清晰愿景添加了實(shí)質(zhì)性的內容，這也提出了對
軟衛星的另一個(gè)要素的發(fā)展則更為順利。固態(tài)放大器技術(shù)的發(fā)展提高了效率并降低了SWaP(尺寸、重量和功耗）。包括Advantech和Tesat在內的幾家公司正在開(kāi)發(fā)這些解決方案，并轉向新的氮化鎵（GaN）器件。太空項目依然充滿(mǎn)風(fēng)險，然而創(chuàng )新的機會(huì )正在迅速增長(cháng)。因此，現在是評估RF軟件化技術(shù)和軟衛星概念將如何重塑您的開(kāi)發(fā)計劃的好時(shí)機。當今，真正的風(fēng)險是，行動(dòng)緩慢的企業(yè)將被動(dòng)作迅速的企業(yè)超越。軟衛星范式的早期應用者很有可能享受相當大的市場(chǎng)優(yōu)勢?，F在是采用直接訪(fǎng)問(wèn)Ka波段技術(shù)的時(shí)候了。
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請電話(huà)或者郵箱聯(lián)系小編進(jìn)行侵刪。
