【導讀】衛星通信(satcom)是一種成熟的語(yǔ)音、視頻和數據傳輸方式，在所有主要軌道（包括地球同步赤道軌道GEO、中地球軌道MEO和LEO）上廣泛使用。衛星通信被認為是傳輸GPS導航信號、天氣信息、電視廣播、語(yǔ)音、數據的有效手段，同時(shí)也用于成像和科學(xué)應用。承諾提供高速互聯(lián)網(wǎng)連接的新一波計劃已經(jīng)圍繞LEO衛星星座展開(kāi)，它將為下一代互聯(lián)網(wǎng)通信提供低延遲、高容量的寬帶連接。
LEO連接——通向成功之路
在持續部署5G蜂窩網(wǎng)絡(luò )方面，LEO衛星發(fā)揮著(zhù)重要作用。衛星網(wǎng)絡(luò )越來(lái)越多地參與到3GPP標準化中，其在未來(lái)網(wǎng)絡(luò )中的預期作用早就在研發(fā)當中。2017年，3GPP標準機構啟動(dòng)相關(guān)活動(dòng)，以了解衛星通信網(wǎng)絡(luò )在5G連接中的可行性。通過(guò)3GPP標準第15、16、17和18版的發(fā)布，已有多種活動(dòng)來(lái)支持衛星網(wǎng)絡(luò )的集成。LEO衛星可以為服務(wù)欠缺的地區提供大范圍覆蓋，可以為移動(dòng)中的人們提供連續服務(wù)，可以連接到機器到機器(M2M)/物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設備，而且是一條值得關(guān)注的具有成本效益的5G升級途徑。
下一代LEO系統將在距離地球表面500公里到2000公里的軌道上運行，實(shí)現比過(guò)去的衛星網(wǎng)絡(luò )更具技術(shù)優(yōu)勢的解決方案。如此接近地球意味著(zhù)它們將能提供更低延遲的連接，這對于消費類(lèi)或商業(yè)使用場(chǎng)景（如互聯(lián)網(wǎng)游戲或實(shí)時(shí)控制工業(yè)/醫療設備）非常重要。LEO衛星的延遲約為50ms（下一代技術(shù)會(huì )將此延遲改善到20ms以下），而GEO則為700ms。
LEO衛星的一個(gè)關(guān)鍵推動(dòng)因素是，由于軌道較低，其輻射暴露量要低得多。這很重要，因為這意味著(zhù)可以放寬昂貴且有時(shí)令人望而卻步的抗輻射測試要求。由此將產(chǎn)生規模經(jīng)濟性，現在建造LEO衛星的成本已大大降低。更少的輻射意味著(zhù)有更廣泛的半導體工藝和更多的元器件可供使用。
鑒于軌道較低，預計部署的衛星數量會(huì )多很多。此類(lèi)衛星的平均壽命將比以前的類(lèi)似衛星短得多。也許經(jīng)過(guò)5到8年，這些衛星就會(huì )脫離軌道并需要替換。LEO衛星必須具有成本效益才能支撐衛星和替代衛星的發(fā)射。
隨著(zhù)LEO寬帶連接業(yè)務(wù)開(kāi)始變得強大，所有這些趨勢引起了行業(yè)監管機構的注意?；貞?990年代，這種互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)是多家公司的目標，但遺憾的是，由于部署成本高且需求有限，它以失敗告終?？爝M(jìn)到今天，半導體技術(shù)有了長(cháng)足進(jìn)步，能夠提供不同以往的性能和集成度。再加上相對偏遠或服務(wù)欠缺的地方對高速、低延遲互聯(lián)網(wǎng)連接的需求急劇增長(cháng)，以及衛星通信與5G標準的整合，使得未來(lái)的LEO星座處在一個(gè)好得多的基礎之上，取得成功的可能性更大。
在撰寫(xiě)本文時(shí)，預計用戶(hù)可以實(shí)現100Mbps的最大下行數據速度，未來(lái)可能會(huì )提高到150Mbps，從而很好地滿(mǎn)足多用戶(hù)全時(shí)視頻流傳輸需求。
LEO面臨的一個(gè)挑戰是衛星始終在不斷移動(dòng)，星座只有完全部署好才能提供最低可行的服務(wù)。這意味著(zhù)初始支出會(huì )很高，因為L(cháng)EO衛星的軌道較低，因而數量巨大。但即便如此，這似乎也并未阻擋其現在的成功，而且投資者對無(wú)處不在的覆蓋的商業(yè)前景十分看好。
LEO衛星系統如何工作？
LEO衛星通信系統主要由三部分組成，如圖1所示。
圖1.LEO衛星通信的地空場(chǎng)景示例
用戶(hù)終端/用戶(hù)設備(UE)
這些終端是用戶(hù)和衛星之間的直接聯(lián)系手段，往往成本低、易于設置且位于家中，但也可以是移動(dòng)終端，如海事衛星通信、移動(dòng)中的衛星通信、戰術(shù)單人無(wú)線(xiàn)電等。用戶(hù)終端利用高水平的IC集成來(lái)簡(jiǎn)化物料清單(BOM)，降低成本，并保持較小的外形尺寸。
地面站/網(wǎng)關(guān)
這些是連接到服務(wù)器（用于互聯(lián)網(wǎng)連接的數據中心）的地面連接，通常通過(guò)光纖連接。它們將衛星連接到地面，部署于地球上的固定位置。
衛星
衛星群被稱(chēng)為星座，在軌道上繞著(zhù)地球運轉，提供同時(shí)連接終端和網(wǎng)關(guān)的鏈路。
LEO衛星在太空中移動(dòng)，通常一顆衛星環(huán)繞地球一圈的時(shí)間在90分鐘到110分鐘之間，這稱(chēng)為軌道周期。因此，連接到衛星的用戶(hù)處于該衛星的范圍內的時(shí)間很短（最多20分鐘）。普通用戶(hù)在正常運行期間會(huì )連接到多顆衛星。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，系統必須將用戶(hù)移交給進(jìn)入范圍內的其他衛星，此方式類(lèi)似于在行駛的汽車(chē)中使用手機的人，蜂窩網(wǎng)絡(luò )中的一個(gè)基站將用戶(hù)移交給另一個(gè)基站。這對如何控制波束以保持與最合適衛星的最佳鏈接提出了嚴格要求。
另一個(gè)有趣的演變是衛星系統在超出地面站的范圍時(shí)如何維持運行。圖1展示了一些可能影響通向地面站的鏈路速度的不利天氣狀況。傳統上，衛星使用彎管技術(shù)，也就是衛星必須始終找到一條通往地球或其他物體（如飛機）的鏈路，將其作為跳板來(lái)連接太空中的另一顆衛星，后者當時(shí)可能處在地面站的范圍內。一項新技術(shù)是通過(guò)衛星間鏈路，在太空中使用光學(xué)或V/E頻段連接來(lái)鏈接衛星。
用戶(hù)終端上/下變頻器的進(jìn)展
用戶(hù)終端對IC集成度提出了很高要求，ADI利用硅工藝技術(shù)的性能和集成能力來(lái)響應這一需求。這些解決方案需要非常高的IC集成度，以實(shí)現尺寸非常小的無(wú)線(xiàn)電終端，同時(shí)保持非常低的功耗，并嚴格遵守優(yōu)化的無(wú)線(xiàn)電成本要求。
上/下變頻器(UDC)是用戶(hù)終端中的基礎產(chǎn)品，它們將調制解調器IF或基帶信息直接連接到Ku頻段或Ka頻段。
RFIC UDC的頻率覆蓋目標是：
● Ku頻段：~10.7GHz至~14.5GHz
○ 下行鏈路（衛星到地面）：10.7GHz至12.7GHz
○ 上行鏈路（地面到衛星）：14GHz至14.5GHz
● Ka頻段：~18GHz至~31GHz
○ 下行鏈路（衛星到地面）：17.7GHz至21GHz
○ 上行鏈路（地面到衛星）：27GHz至31GHz
下行鏈路和上行鏈路在頻率上是分開(kāi)的，故從衛星到用戶(hù)終端的通信使用兩個(gè)單獨的頻段。因此，RFIC公司必須針對不同頻段設計每個(gè)用戶(hù)終端的上下變頻器。
用戶(hù)終端鏈路通常覆蓋125MHz至250MHz的通道帶寬(BW)，網(wǎng)關(guān)覆蓋250MHz至500MHz的帶寬，具體帶寬取決于是上行鏈路還是下行鏈路。不過(guò)，一些部署具有在用戶(hù)和網(wǎng)關(guān)鏈路之間共享帶寬的能力，因此通道帶寬可以在其工作的頻率中重新配置。
LEO衛星在不斷移動(dòng)，如圖1所示。因此，終端內上/下變頻器的頻率合成器必須實(shí)現快速鎖定以提供不間斷連接。頻率合成器用于輔助上變頻和下變頻。它們在賦能終端在運行期間連接和重新連接不同衛星方面發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用，因為從一顆衛星到另一顆衛星，空中頻率在工作頻段（即Ka和Ku頻段）內不斷變化。
ADI開(kāi)發(fā)了一系列針對用戶(hù)終端的Ku和Ka頻段UDC，以解決尺寸、重量、面積、功耗和成本(SWaP-C)問(wèn)題。這些UDC包含眾多RF和IF信號調理功能，例如濾波器、放大器、衰減器、PLLVCO和功率檢測。所有IC的設計都考慮到了用戶(hù)終端的信號鏈性能。ADMV4630/ADMV4640是Ku頻段UDC，支持衛星調制解調器的IF接口，如圖2和圖3所示，表中顯示了IC性能的亮點(diǎn)。
圖2.高度集成的Ku頻段上變頻器，IF接口直接來(lái)自衛星通信調制解調器
圖3.高度集成的Ku頻段下變頻器，IF接口直接通向衛星通信調制解調器
針對更高頻率的Ka頻段，ADI開(kāi)發(fā)了ADMV4530/ADMV4540 UDC（圖4和圖5），它們支持需要I/Q基帶接口的衛星通信調制解調器。 請注意，ADMV4530上變頻器是雙模器件，它還能支持IF接口。這些解決方案采用硅工藝設計，集成度非常高，可應對大批量終端應用中常見(jiàn)的集成壓力。
圖4.高度集成的Ka頻段上變頻器，I/Q和IF接口直接來(lái)自衛星通信調制解調器
圖5.高度集成的Ka頻段下變頻器，I/Q接口直接通向衛星通信調制解調器
更高性能的終端UDC
終端市場(chǎng)中的一些應用是由性能驅動(dòng)的，對尺寸和最低成本設計目標的限制較少。這些應用可以選用分立RFIC解決方案。由于元器件位于不同封裝中，因此可以混合使用多種工藝技術(shù)——包括MESFET、pHEMT、BiCMOS和CMOS IC——來(lái)優(yōu)化設計要求。分立設計允許對性能與尺寸進(jìn)行多方面權衡，設計過(guò)程的靈活性非常大。設計人員可以創(chuàng )建更高性能、提供更高輸出功率并支持更寬帶寬的無(wú)線(xiàn)電。此外，設計人員可以提高接收器靈敏度以改善動(dòng)態(tài)范圍和雜散性能。應當注意的是，地面站/網(wǎng)關(guān)也屬于此類(lèi)解決方案。網(wǎng)關(guān)的尺寸更大，其集成度要求當然不能與終端同日而語(yǔ)。網(wǎng)關(guān)利用不同的工藝技術(shù)來(lái)為市場(chǎng)提供性能優(yōu)化的解決方案。ADI將繼續擴大分立解決方案產(chǎn)品系列以應對這種使用場(chǎng)景。圖6展示了一種分立式高性能解決方案。
圖6.分立式HMC798A Ka頻段用戶(hù)終端的功能框圖
使用電子可控天線(xiàn)降低用戶(hù)終端成本
傳統上需要專(zhuān)業(yè)承包商來(lái)安裝設備和定位衛星位置，與此相關(guān)的安裝成本很昂貴，故多家公司致力于消除這種安裝成本以降低用戶(hù)終端的部署成本。為實(shí)現這一目標，須將天線(xiàn)與處理通信鏈路所需的所有電子設備（如移相元件、RFIC UDC）結合在一個(gè)室外單元(ODU)中。ODU是位于室外并瞄準天空的天線(xiàn)陣列。室內單元(IDU)連接到ODU，用作傳統路由器（有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)），為用戶(hù)（如PC或電話(huà)）提供互聯(lián)網(wǎng)連接。
如前所述，LEO星座會(huì )有許多衛星進(jìn)出地面終端的視野，而電子可控天線(xiàn)(ESA)可以通過(guò)電子方式控制衛星方向上的發(fā)射和接收能量束，從而實(shí)現高指向性，故使用ESA的效率要高得多。因此，當衛星進(jìn)出用戶(hù)終端的視野時(shí)，從一顆衛星到另一顆衛星的切換幾乎瞬時(shí)完成，最佳鏈路得以保持。事實(shí)上，考慮到軌道周期和正常運行過(guò)程中需要連接的衛星數量，那么ESA幾乎是一項必不可少的要求。
為了應對這一挑戰，ADI開(kāi)發(fā)了Ku頻段波束成形集成電路(BFIC)技術(shù)。ADMV4680是一款針對用戶(hù)終端設計的硅解決方案，允許通過(guò)半雙工通道獨立控制信號的增益和相位。令人驚異的是，該IC的尺寸只有8.2 mm2，如圖7所示。
圖7.高度集成的半雙工Ku頻段4通道波束成形IC
為了開(kāi)發(fā)BFIC技術(shù)以使整體無(wú)線(xiàn)電成本最小化，最重要的是系統和陣列專(zhuān)業(yè)知識。機械組裝和PCB設計（包括堆疊和層數）是無(wú)線(xiàn)電成本驅動(dòng)因素的一部分。在開(kāi)發(fā)BFIC的時(shí)候顧及到機械和PCB設計，就能盡量降低整體無(wú)線(xiàn)電成本。ADI與客戶(hù)密切合作，并有內部PCB專(zhuān)家來(lái)幫助解決這個(gè)問(wèn)題。事實(shí)上，IC設計和最終配置是系統權衡研究的一部分。
采用ESA來(lái)跟蹤LEO衛星并優(yōu)化鏈路速度，可以實(shí)現低成本設置，這些設備通常是即插即用的。ESA和向集成度更高的ODU的遷移，從根本上簡(jiǎn)化了系統的部署并降低了成本。ESA還有利于實(shí)現更扁平的面板和賞心悅目的設計。
值得注意的是，最高性能的終端應用會(huì )使用雙拋物面操縱的天線(xiàn)。在這種情況下，成本和美觀(guān)不是主要驅動(dòng)因素，整體性能才是重點(diǎn)。對于消費類(lèi)和注重成本的小型企業(yè)解決方案，ESA是實(shí)現低無(wú)線(xiàn)電成本并且達成系統設計目標的有效方式。
結語(yǔ)
LEO互聯(lián)網(wǎng)連接是一個(gè)令人激動(dòng)的新領(lǐng)域，如今大多數政府和互聯(lián)網(wǎng)提供商都在思考這場(chǎng)太空競賽。隨著(zhù)世界的互聯(lián)程度不斷提高，LEO將進(jìn)一步增強3GPP標準從太空到農村地區的連接能力，從而在5G中發(fā)揮重要作用。用戶(hù)終端的RFIC集成要求變得越來(lái)越有挑戰性，ADI將繼續在這一領(lǐng)域開(kāi)發(fā)解決方案并按規劃推出IC新產(chǎn)品。
關(guān)于A(yíng)DI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導體公司，致力于在現實(shí)世界與數字世界之間架起橋梁，以實(shí)現智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng )新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數字化工廠(chǎng)、汽車(chē)和數字醫療等領(lǐng)域的持續發(fā)展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶(hù)，ADI助力創(chuàng )新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪(fǎng)問(wèn)www.analog.com/cn。
關(guān)于作者
Donal McCarthy是ADI公司微波通信部（愛(ài)爾蘭科克）市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)與業(yè)務(wù)發(fā)展總監。他擁有科克大學(xué)的工商管理學(xué)士學(xué)位、波士頓學(xué)院的工商管理碩士學(xué)位和都柏林愛(ài)爾蘭管理學(xué)院的市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)學(xué)位。Donal擔任過(guò)多個(gè)職位，包括MACOM設計工程師、Hittite現場(chǎng)銷(xiāo)售工程師和營(yíng)銷(xiāo)職位以及ADI公司營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理和總監職位。
作者：ADI市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)與業(yè)務(wù)發(fā)展總監Donal McCarthy
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