作者：Duncan Bosworth and Wyatt Taylor

在過去的二十年里，航空航天和國防以及商業(yè)航空界一直依靠衛(wèi)星通信來協(xié)調(diào)海外軍事行動(dòng)和民用乘客旅行。隨著數(shù)據(jù)流和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用的增加，對衛(wèi)星通信系統(tǒng)的需求從未如此之大。

士兵和前沿作戰(zhàn)基地需要比以往更多的數(shù)據(jù)，以及全球軍事行動(dòng)對無人機(jī) （UAV） 技術(shù)的需求增加。同樣重要的是，公務(wù)機(jī)和主要客機(jī)對商用飛機(jī)高帶寬數(shù)據(jù)訪問的需求不斷增加。正在發(fā)射支持更高頻率的新衛(wèi)星，以實(shí)現(xiàn)帶寬的增加。本文將回顧這些技術(shù)趨勢，以及使用商用和可定制架構(gòu)實(shí)現(xiàn)所需性能和快速上市的解決方案。

衛(wèi)星通信介紹和歷史

對提高數(shù)據(jù)速率的需求正在推動(dòng)衛(wèi)星通信領(lǐng)域的許多新發(fā)展。基于士兵的衛(wèi)星通信鏈路將從kbps增加到Mbps數(shù)據(jù)速率，這將實(shí)現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)和視頻傳輸。無人機(jī)在國防領(lǐng)域的擴(kuò)散（以及很快的商業(yè)世界）創(chuàng)造了衛(wèi)星通信鏈接的新領(lǐng)域。商業(yè)航空航天市場對數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)接入的永不滿足的需求正在推動(dòng)K的新發(fā)展u-波段和 K一個(gè)-頻段支持高達(dá) 1000 Mbps 的數(shù)據(jù)速率。同時(shí)，支持傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路，最小化尺寸、重量和功耗（SWaP）以及減少系統(tǒng)開發(fā)投資，推動(dòng)了開發(fā)靈活架構(gòu)和最大化系統(tǒng)重用的需求。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳統(tǒng)上使用地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星 - 相對于地球表面的衛(wèi)星將停留在固定位置。為了實(shí)現(xiàn)地球靜止軌道，衛(wèi)星必須處于非常高的高度 - 距離地球表面超過30公里。如此高軌道的好處是，覆蓋大面積地面所需的衛(wèi)星很少，并且由于具有已知的永久坐標(biāo)，因此簡化了向衛(wèi)星的傳輸。由于這些系統(tǒng)的啟動(dòng)成本，它們的設(shè)計(jì)生命周期較長，從而形成了一個(gè)穩(wěn)定但有時(shí)過時(shí)的系統(tǒng)。

由于海拔和輻射挑戰(zhàn)，通常需要額外的設(shè)備屏蔽或衛(wèi)星屏蔽。此外，由于衛(wèi)星距離太遠(yuǎn)，地面用戶將面臨重大損失，從而影響信號鏈設(shè)計(jì)和組件選擇。較長的地面到衛(wèi)星距離也會(huì)導(dǎo)致用戶和衛(wèi)星之間的高延遲，這可能會(huì)影響一些數(shù)據(jù)和通信鏈路。

最近，已經(jīng)提出了許多GEO衛(wèi)星的替代品或補(bǔ)充系統(tǒng)，正在考慮無人機(jī)和低地球軌道（LEO）衛(wèi)星。由于軌道較低，這些系統(tǒng)減輕了基于GEO的系統(tǒng)所描述的大部分挑戰(zhàn)，但以犧牲覆蓋范圍為代價(jià)，需要更多的衛(wèi)星或無人機(jī)來實(shí)現(xiàn)類似的全球覆蓋。

士兵衛(wèi)星通信挑戰(zhàn)

有效的通信和數(shù)據(jù)鏈路對于戰(zhàn)斗部隊(duì)在全球范圍內(nèi)有效行動(dòng)至關(guān)重要。盡管衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)用于各種平臺，但當(dāng)任務(wù)或位置使傳統(tǒng)的視線無線電接入無法進(jìn)行時(shí)，士兵系統(tǒng)可能是最具挑戰(zhàn)性的。由于這些衛(wèi)星通信無線電需要手提，因此SWaP對設(shè)計(jì)至關(guān)重要。此外，這些無線電需要在任何物理環(huán)境中工作 - 從叢林中的樹冠下到擁擠的大都市地區(qū)，這導(dǎo)致這些系統(tǒng)通常在300 MHz左右的UHF頻段運(yùn)行。由于最初的應(yīng)用設(shè)計(jì)為通過一鍵通（PTT）語音操作，因此平臺將運(yùn)行時(shí)分雙工模式模組，從而節(jié)省大量功耗，因?yàn)檎Z音帶寬為數(shù)十千赫茲，PTT允許接收器和發(fā)射器占空比。

然而，未來的士兵衛(wèi)星通信要求比安全語音需要更多的信息，從監(jiān)控圖像到更新的地圖和天氣信息。一種解決方案是移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)（MUOS），它仍然在UHF頻段運(yùn)行，但數(shù)據(jù)速率和信號帶寬顯著增加。此外，MUOS是全雙工波形，這意味著接收器和發(fā)射器同時(shí)處于活動(dòng)狀態(tài)。

無人機(jī)和商用航空

航空公司和公務(wù)機(jī)乘客在全球旅行時(shí)需要互聯(lián)網(wǎng)連接。航空公司正在尋求增加與駕駛艙的數(shù)據(jù)鏈路，而物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)控和報(bào)告的潛力需要具有數(shù)百甚至數(shù)千Mbps數(shù)據(jù)鏈路的高數(shù)據(jù)速率SATCOM平臺。

到目前為止，這種高帶寬數(shù)據(jù)鏈路主要在飛機(jī)在陸地上空提供，使用地面安裝系統(tǒng)提供與飛機(jī)的鏈接。例如，對于全橫貫大陸的覆蓋，SATCOM是提供與Inmarsat的L波段覆蓋連接的唯一有效方式。將來，為了達(dá)到所需的帶寬，工作頻率必須移動(dòng)到Ku-波段或K一個(gè)-樂隊(duì)。雖然這些高頻可以提供所需的帶寬，但仍存在設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，系統(tǒng)必須支持傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路是不可避免的。

無人機(jī)也面臨著類似的挑戰(zhàn)。先進(jìn)的防御無人機(jī)需要通過遠(yuǎn)程駕駛在全球范圍內(nèi)運(yùn)行，可能來自不同的大陸。這些要求推動(dòng)了對高帶寬數(shù)據(jù)鏈路的需求，以支持視頻、控制和高級有效載荷數(shù)據(jù)，這可能會(huì)使現(xiàn)有通信基礎(chǔ)設(shè)施飽和。隨著商用無人機(jī)在未來也將擴(kuò)大覆蓋范圍，全球網(wǎng)絡(luò)高帶寬連接將帶來與商用航空相同的衛(wèi)星通信挑戰(zhàn)。

Ku-樂隊(duì)/K一個(gè)-波段和LEO系統(tǒng)

Inmarsat正在為用戶提供使用其GEO衛(wèi)星的能力。一個(gè)-波段數(shù)據(jù)鏈路，以解決上述一些挑戰(zhàn)。從架構(gòu)的角度來看，這為帶寬不足提供了解決方案，但也給設(shè)計(jì)工程師帶來了新的挑戰(zhàn)。圖1顯示了在K下工作的典型超外差接收和發(fā)送信號鏈一個(gè)-波段和 Ku-樂隊(duì)。這些系統(tǒng)通常需要兩個(gè)，有時(shí)甚至三個(gè)模擬上變頻和下變頻級，每個(gè)級都需要一個(gè)頻率合成器、放大和濾波來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)SWaP。然而，要適應(yīng)現(xiàn)有的客機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施和配電系統(tǒng)，為所有可能的數(shù)據(jù)鏈路提供這樣的信號鏈可能是站不住腳的。

圖 1.傳統(tǒng)K一個(gè)-波段/Ku-波段超外差接收和發(fā)送信號鏈。

雖然這顯然是一個(gè)簡化的原理圖，但假設(shè)每個(gè)功能都是使用分立器件實(shí)現(xiàn)的，SWaP的含義是顯而易見的。大量的元件、功耗和隔離挑戰(zhàn)意味著印刷電路板（PCB）將會(huì)很大。由于高頻布線，可能需要更多適合RF的PCB材料，從而顯著影響成本。由于需要繼續(xù)支持L波段的工作頻率，SWaP和設(shè)計(jì)工作的挑戰(zhàn)變得更加復(fù)雜。

LEO衛(wèi)星可能會(huì)提供一些緩解。它們在低得多的高度運(yùn)行 - 距離地球表面約1公里 - 但在這個(gè)高度它們不是靜止的，實(shí)際上掃過地球表面，軌道周期約為30分鐘。低空降低了發(fā)射成本，并且在不那么惡劣的環(huán)境中，可能需要更少的屏蔽和屏蔽。至關(guān)重要的是，低海拔意味著更少的傳播延遲。但LEO系統(tǒng)的主要困難在于衛(wèi)星僅在用戶范圍內(nèi)進(jìn)行相當(dāng)短的突發(fā)，因此需要使用切換。

無人機(jī)也可能是該問題的解決方案，某些平臺被視為擴(kuò)展互聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍的一種手段。無人機(jī)可以提供低延遲高帶寬鏈路，類似于LEO，但現(xiàn)在具有相對靜止的好處。但是，對于全球應(yīng)用程序而言，此實(shí)現(xiàn)的成本與覆蓋范圍可能具有挑戰(zhàn)性。

解決衛(wèi)星通信困境

盡管上述衛(wèi)星通信挑戰(zhàn)似乎令人生畏，但許多新的高級解決方案可用于緩解挑戰(zhàn)、降低SWaP或提供可在系統(tǒng)之間部分重用或利用的信號架構(gòu)。

對于MUOS等高帶寬UHF衛(wèi)星通信，新型連續(xù)時(shí)間Σ-Δ（CTSD）帶通模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）提供了RF采樣解決方案。例如，AD6676是一款集成ADC、模擬增益控制（AGC）和數(shù)字下變頻的中頻接收器子系統(tǒng)。CTSD ADC能夠用本底噪聲換取帶寬，從而提供系統(tǒng)靈活性以及固有的帶通濾波器響應(yīng)，從而降低外部濾波要求。由于AD6676可以直接對MUOS下行鏈路進(jìn)行采樣，因此無需前端混頻級和頻率合成器，信號鏈簡化為低噪聲放大器和簡單的無源濾波器。

圖2.AD6676接收器子系統(tǒng)架構(gòu)

然而，由于MUOS使用全雙工模式，功率放大器（PA）的功耗也變得至關(guān)重要。由于手持式衛(wèi)星通信無線電需要在1 W至10 W的功率水平下進(jìn)行傳輸，HMC1099等新型氮化鎵（GaN）放大器器件可提供更高的功率效率，當(dāng)與數(shù)字預(yù)失真（DPD）等其他線性化技術(shù)結(jié)合使用時(shí)，它們可為這些系統(tǒng)提供極具吸引力的SWaP解決方案。

對于 Ku-波段和 K一個(gè)-頻段系統(tǒng)，新的、集成度更高的架構(gòu)提供了SWaP和信號鏈的簡化，并可能支持L波段和K之間的重要系統(tǒng)重用一個(gè)-樂隊(duì)。圖3顯示了AD9361 RF收發(fā)器用作IF轉(zhuǎn)換器時(shí)可能節(jié)省的成本，無需第二上變頻和下變頻級、放大器和濾波器以及ADC和DAC。

圖3.基于集成中頻接收器的K一個(gè)-波段/Ku-頻段接收和發(fā)送信號鏈。

RF收發(fā)器通常用作捷變直接變頻無線電，可用作L波段解決方案的一部分。當(dāng)以這種方式使用時(shí)，它提供了跨這些平臺的重要通用性，并最大限度地提高了軟件和固件的重用。聚合SWaP也降低了，對于大多數(shù)應(yīng)用，功耗僅為1.1 W，并且封裝在10 mm×10 mm的封裝中。

此外，ADF5355等新型PLL和VCO器件可提供非常寬帶、高性能、低SWaP頻率源。ADF5355采用5 mm×5 mm封裝，提供低功耗、高性能LO源，可從VHF掃描至13.6 GHz，是常見平臺設(shè)計(jì)的理想解決方案。

最后，對于未來的LEO系統(tǒng)，波束控制架構(gòu)對于確保鏈路的效率至關(guān)重要。盡管使用HMC247等數(shù)字移相器的模擬波束成形解決方案提供了當(dāng)今的解決方案，但隨著轉(zhuǎn)換器技術(shù)的集成度越來越高，低功耗器件中信號處理能力的提高，數(shù)字波束成形RF信號鏈在整個(gè)陣列中保持相同，波束在數(shù)字域中創(chuàng)建。數(shù)字波束控制的一個(gè)關(guān)鍵難點(diǎn)是管理多個(gè)ADC或DAC器件的尺寸、時(shí)序和功耗。設(shè)備之間的任何時(shí)間或過程偏差都會(huì)對光束的質(zhì)量產(chǎn)生影響。AD9681等新器件大大簡化了數(shù)字波束控制設(shè)計(jì)。多達(dá) 8 個(gè) ADC 均使用相同的基準(zhǔn)電壓源和時(shí)鐘源，可提高光束質(zhì)量，并且器件的集成可創(chuàng)建更小、功耗更低的封裝。

總結(jié)

在過去的幾十年里，SATCOM在商業(yè)和軍事通信和數(shù)據(jù)系統(tǒng)中發(fā)揮了越來越大的作用。但是，全球?qū)挼挠啦粷M足的需求為未來的航空航天和國防衛(wèi)星通信設(shè)計(jì)帶來了新的挑戰(zhàn)，需要新的架構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。無論目標(biāo)是延長士兵的電池壽命，安裝到小型無人機(jī)有效載荷中，還是在下一次飛行中提供互聯(lián)網(wǎng)，衛(wèi)星通信無線電的SWaP都將變得越來越重要。新的高線性度中頻子系統(tǒng)、多通道、高分辨率ADC、集成RF收發(fā)器以及VCO和PLL組合將為下一代衛(wèi)星通信無線電提供低SWaP解決方案。

審核編輯：郭婷