基于ADI AD9371高中频架构满足低SWaP要求与设计挑战

出处:网络整理 发布于:2020-02-07 12:40:20 | 73 次阅读

  向小型化发展是全球卫星产业的主要发展方向之一。按照国际上普遍接受的标准,所谓小卫星一般质量在500kg以下,相比于大型航天器具有研制时间短、开发/发射费用低、机动灵活、组网能力强等优势,小卫星在政府和商业航天领域的应用越来越广泛。
卫星通信行业的最新趋势显示,信号传输正从X波段和Ku波段推进到Ka波段。过去,Ka波段中的发射机数量非常少,但随着这种趋势的发展,此范围内的频谱会变得越来越拥堵。这给此类系统的收发器设计提出了挑战,尤其是针对低尺寸、重量和功耗(SWaP)的市场,这些市场的尺寸和功耗要求会限制可达到的选择率。由于选择率压力越来越大,人们自然会折中考虑,降低选择率要求。某些情况下,例如频谱环境不那么明确的移动平台中,这种折中是有意义的。但在其他可以非常精确地预测干扰的平台中,选择率仍将是最高优先目标。
新兴移动卫星通信带来更低的SWaP要求
在典型的永久性卫星通信设施中,室外设备和室内设备在功能上是分开的。室外设备由Ka波段天线、低噪声块(LNB)和下变频级组成,其将Ka波段信号下变频为L波段信号,然后发送到室内单元。LNB和下变频级通常合并为一个单元,其输出端利用同轴电缆或光纤将信号发送到室内以供进一步处理。在发射侧,波形产生发生在室内L波段设备中。信号通过同轴电缆或光纤发送到室外设备。室外设备包含如下器件:一个块上变频器(BUC),用以将信号从L波段变频至Ka波段;一个HPA,用以将信号放大到所需的发射功率水平;以及一根天线。
由于是永久设施,固定安装地点中的器件通常不是针对低SWaP而设计。根据其特性和滤波要求,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,室内设备包含一个19英寸宽机架安装解调器。此设备负责完成接收和发射卫星通信信号的任务,但其SWaP效率可能不是很高。
随着政府和商业无人机使用越来越多以及便携式领域应用设备对卫星通信功能的需求增长,传统的固定安装基础设施的卫星通信已经满足不了要求,而且要求更高的瞬时带宽以满足图形以及语言等大数据的传输,而外形尺寸则保持不变甚至比上一代更小,并且要降低功耗以免携带笨重昂贵的电池。SWaP限制需求日益增强。
利用高中频架构克服低SWaP设计挑战
低SWaP的需求不断增加,但还有许多挑战需要克服。举例来说,单单滤波这一项要求就会使此类系统的尺寸增加不少。随着频率范围提高到Ka波段,当下变频到1 GHz中频时,越来越难以实现同样的抑制性能。这就需要增加滤波器数量或增大滤波器尺寸,但由此会增加这些滤波器带来的额不菲成本。
在低SWaP应用中人们希望数字化处理和FPGA尽可能靠近天线,这种本地处理为此类使用多少带宽设置了限制,因为要处理的带宽越宽,则所需的时钟速率和器件功耗越高。在传统固定安装的Ka波段网络中,可以使用高达1 GHz的瞬时带宽。在低SWaP市场中,100 MHz到200 MHz更符合实际。针对此类市场,更好且更合适的架构是高中频架构。这种架构利用了最新的直接变频收发器相关技术。在直接变频收发器中,输入RF能量直接变频到基带,并分割为I和Q两个单独的流。此类产品已将其频率范围提高到6 GHz,从而支持新的独特使用场景。
过去,这些器件的性能满足不了要求超高性能的军用和商用系统的需要,而最近几年这种技术的新突破已经可以满足这些高性能需求,特别是实现了更高带宽、更好线性度、更多集成数字信号处理功能、更容易校准。这些器件的典型带宽高达200 MHz,而且可以针对不需要高带宽的情况进行调整。在频谱拥挤的环境中,此类器件的高线性度还有助于提高性能。这会使灵敏度略有降低,但在这种环境中,此类折中是必要的。此外,集成DSP功能可降低系统中FPGA的负担,节省功耗,减少复杂性。这些器件集成的FIR滤波器可进一步帮助解决拥挤环境中常见的许多通道选择率问题。此类器件还集成了连续时间Σ-Δ型ADC,抗混叠滤波是这类ADC的固有功能,因此不再需要SAW滤波器,这有助于降低此类系统的延迟。
基于ADI公司AD9371的高中频架构应用分析
在高中频架构中,Ka波段不是直接变频为基带,而是先转换到高中频,然后馈入直接变频接收机。由于此类转换器的频率范围得到提高,该中频可以放在5 GHz到6 GHz之间。中频频率从1GHz(当今的典型系统)提高到5 GHz,使得镜像频率范围比以前离得更远,从而将前端滤波要求大大降低(前端滤波简化是缩小此类系统尺寸的一个因素。)ADI公司前几年推出的捷变频收发器AD9371就是此类高中频架构的一个典型案例,这是一款高度集成的宽带RF收发器,提供双通道发射器和接收器、集成式频率合成器和测试和数字信号处理功能。
图中显示了基于AD9371的系统案例,此系统由一个17 GHz到21 GHz的接收机通道和一个27 GHz到31 GHz的独立发射机通道组成。从接收机通道开始,输入RF能量先由Ka波段LNA放大,再进行滤波以让17 GHz到21 GHz信号通过混频器。混频器利用一个22 GHz到26 GHz范围的可调谐LO将17 GHz到21 GHz频段以100 MHz一段下变频至5 GHz IF。前端滤波器处理27 GHz到31 GHz范围中的镜像抑制、LO抑制和带外信号的一般抑制,防止来自m × n镜像的杂散信号通过混频器。此滤波器很可能需要定制,但由于对此滤波器的要求降低,所以其尺寸、重量和成本会比传统系统要低。
基于ADI AD9371高中频架构满足低SWaP要求与设计挑战
图. 采用AD9371的接收机和发射机卫星通信系统示例
一旦将RF前端转换到5 GHz的高中频,就会进行进一步放大和滤波,然后发送到AD9371。高中频所需的滤波比较简单,利用现成的廉价小型LTCC滤波器即可轻松完成。这里的主要关注是要确保无中频谐波影响AD9371。在发射侧,AD9371可用来产生并输出最高+4 dBm的5 GHz波形。IF位于5.3 GHz的频率,不同于接收机上的5.1 GHz,这是为了降低两个通道之间发生串扰的可能性。然后对输出滤波以降低谐波水平,接着馈入上变频混频器,变频到27 GHz至31 GHz前端。这可以利用与接收机侧相同的22 GHz至26 GHz范围的LO来完成。
此外,采用直接变频收发器可为频率规划提供更大的灵活性。这里仅给出了一个例子,但还有许多可能的频段可以使用相同的架构。AD9371能够快捷轻松地改变其IF频率,使得系统可以灵活地避免有问题的杂散响应,或者像人们对软件定义无线电的预期那样进行性能优化。
总结
尽管通用移动通信获得迅猛发展,但对随时随地实现通信和数据连接的需求来说依然有盲区,小尺寸卫星通信市场由此快速发展,。此外,随着X和Ku波段日益拥挤,推动低SWaP系统向Ka波段发展。利用利用集成式收发器AD9371的高中频架构,用GSPS ADC取代集成收发器以提高瞬时带宽,并有效满足低SWaP要求。
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关键词:ADI_AD9371

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