带宽需求给卫星通信设计带来新压力

作者：Duncan Bosworth and Wyatt Taylor

在过去的二十年里，航空航天和国防以及商业航空界一直依靠卫星通信来协调海外军事行动和民用乘客旅行。随着数据流和物联网（IoT）应用的增加，对卫星通信系统的需求从未如此之大。

士兵和前沿作战基地需要比以往更多的数据，以及全球军事行动对无人机 （UAV） 技术的需求增加。同样重要的是，公务机和主要客机对商用飞机高带宽数据访问的需求不断增加。正在发射支持更高频率的新卫星，以实现带宽的增加。本文将回顾这些技术趋势，以及使用商用和可定制架构实现所需性能和快速上市的解决方案。

卫星通信介绍和历史

对提高数据速率的需求正在推动卫星通信领域的许多新发展。基于士兵的卫星通信链路将从kbps增加到Mbps数据速率，这将实现更高效的数据和视频传输。无人机在国防领域的扩散（以及很快的商业世界）创造了卫星通信链接的新领域。商业航空航天市场对数据和互联网接入的永不满足的需求正在推动K的新发展u-波段和 K一个-频段支持高达 1000 Mbps 的数据速率。同时，支持传统数据链路，最小化尺寸、重量和功耗（SWaP）以及减少系统开发投资，推动了开发灵活架构和最大化系统重用的需求。

卫星通信系统传统上使用地球静止轨道（GEO）卫星 - 相对于地球表面的卫星将停留在固定位置。为了实现地球静止轨道，卫星必须处于非常高的高度 - 距离地球表面超过30公里。如此高轨道的好处是，覆盖大面积地面所需的卫星很少，并且由于具有已知的永久坐标，因此简化了向卫星的传输。由于这些系统的启动成本，它们的设计生命周期较长，从而形成了一个稳定但有时过时的系统。

由于海拔和辐射挑战，通常需要额外的设备屏蔽或卫星屏蔽。此外，由于卫星距离太远，地面用户将面临重大损失，从而影响信号链设计和组件选择。较长的地面到卫星距离也会导致用户和卫星之间的高延迟，这可能会影响一些数据和通信链路。

最近，已经提出了许多GEO卫星的替代品或补充系统，正在考虑无人机和低地球轨道（LEO）卫星。由于轨道较低，这些系统减轻了基于GEO的系统所描述的大部分挑战，但以牺牲覆盖范围为代价，需要更多的卫星或无人机来实现类似的全球覆盖。

士兵卫星通信挑战

有效的通信和数据链路对于战斗部队在全球范围内有效行动至关重要。尽管卫星通信网络用于各种平台，但当任务或位置使传统的视线无线电接入无法进行时，士兵系统可能是最具挑战性的。由于这些卫星通信无线电需要手提，因此SWaP对设计至关重要。此外，这些无线电需要在任何物理环境中工作 - 从丛林中的树冠下到拥挤的大都市地区，这导致这些系统通常在300 MHz左右的UHF频段运行。由于最初的应用设计为通过一键通（PTT）语音操作，因此平台将运行时分双工模式模组，从而节省大量功耗，因为语音带宽为数十千赫兹，PTT允许接收器和发射器占空比。

然而，未来的士兵卫星通信要求比安全语音需要更多的信息，从监控图像到更新的地图和天气信息。一种解决方案是移动用户目标系统（MUOS），它仍然在UHF频段运行，但数据速率和信号带宽显着增加。此外，MUOS是全双工波形，这意味着接收器和发射器同时处于活动状态。

无人机和商用航空

航空公司和公务机乘客在全球旅行时需要互联网连接。航空公司正在寻求增加与驾驶舱的数据链路，而物联网系统监控和报告的潜力需要具有数百甚至数千Mbps数据链路的高数据速率SATCOM平台。

到目前为止，这种高带宽数据链路主要在飞机在陆地上空提供，使用地面安装系统提供与飞机的链接。例如，对于全横贯大陆的覆盖，SATCOM是提供与Inmarsat的L波段覆盖连接的唯一有效方式。将来，为了达到所需的带宽，工作频率必须移动到Ku-波段或K一个-乐队。虽然这些高频可以提供所需的带宽，但仍存在设计挑战，系统必须支持传统数据链路是不可避免的。

无人机也面临着类似的挑战。先进的防御无人机需要通过远程驾驶在全球范围内运行，可能来自不同的大陆。这些要求推动了对高带宽数据链路的需求，以支持视频、控制和高级有效载荷数据，这可能会使现有通信基础设施饱和。随着商用无人机在未来也将扩大覆盖范围，全球网络高带宽连接将带来与商用航空相同的卫星通信挑战。

Ku-乐队/K一个-波段和LEO系统

Inmarsat正在为用户提供使用其GEO卫星的能力。一个-波段数据链路，以解决上述一些挑战。从架构的角度来看，这为带宽不足提供了解决方案，但也给设计工程师带来了新的挑战。图1显示了在K下工作的典型超外差接收和发送信号链一个-波段和 Ku-乐队。这些系统通常需要两个，有时甚至三个模拟上变频和下变频级，每个级都需要一个频率合成器、放大和滤波来驱动系统SWaP。然而，要适应现有的客机基础设施和配电系统，为所有可能的数据链路提供这样的信号链可能是站不住脚的。

图 1.传统K一个-波段/Ku-波段超外差接收和发送信号链。

虽然这显然是一个简化的原理图，但假设每个功能都是使用分立器件实现的，SWaP的含义是显而易见的。大量的元件、功耗和隔离挑战意味着印刷电路板（PCB）将会很大。由于高频布线，可能需要更多适合RF的PCB材料，从而显着影响成本。由于需要继续支持L波段的工作频率，SWaP和设计工作的挑战变得更加复杂。

LEO卫星可能会提供一些缓解。它们在低得多的高度运行 - 距离地球表面约1公里 - 但在这个高度它们不是静止的，实际上扫过地球表面，轨道周期约为30分钟。低空降低了发射成本，并且在不那么恶劣的环境中，可能需要更少的屏蔽和屏蔽。至关重要的是，低海拔意味着更少的传播延迟。但LEO系统的主要困难在于卫星仅在用户范围内进行相当短的突发，因此需要使用切换。

无人机也可能是该问题的解决方案，某些平台被视为扩展互联网覆盖范围的一种手段。无人机可以提供低延迟高带宽链路，类似于LEO，但现在具有相对静止的好处。但是，对于全球应用程序而言，此实现的成本与覆盖范围可能具有挑战性。

解决卫星通信困境

尽管上述卫星通信挑战似乎令人生畏，但许多新的高级解决方案可用于缓解挑战、降低SWaP或提供可在系统之间部分重用或利用的信号架构。

对于MUOS等高带宽UHF卫星通信，新型连续时间Σ-Δ（CTSD）带通模数转换器（ADC）提供了RF采样解决方案。例如，AD6676是一款集成ADC、模拟增益控制（AGC）和数字下变频的中频接收器子系统。CTSD ADC能够用本底噪声换取带宽，从而提供系统灵活性以及固有的带通滤波器响应，从而降低外部滤波要求。由于AD6676可以直接对MUOS下行链路进行采样，因此无需前端混频级和频率合成器，信号链简化为低噪声放大器和简单的无源滤波器。

图2.AD6676接收器子系统架构

然而，由于MUOS使用全双工模式，功率放大器（PA）的功耗也变得至关重要。由于手持式卫星通信无线电需要在1 W至10 W的功率水平下进行传输，HMC1099等新型氮化镓（GaN）放大器器件可提供更高的功率效率，当与数字预失真（DPD）等其他线性化技术结合使用时，它们可为这些系统提供极具吸引力的SWaP解决方案。

对于 Ku-波段和 K一个-频段系统，新的、集成度更高的架构提供了SWaP和信号链的简化，并可能支持L波段和K之间的重要系统重用一个-乐队。图3显示了AD9361 RF收发器用作IF转换器时可能节省的成本，无需第二上变频和下变频级、放大器和滤波器以及ADC和DAC。

图3.基于集成中频接收器的K一个-波段/Ku-频段接收和发送信号链。

RF收发器通常用作捷变直接变频无线电，可用作L波段解决方案的一部分。当以这种方式使用时，它提供了跨这些平台的重要通用性，并最大限度地提高了软件和固件的重用。聚合SWaP也降低了，对于大多数应用，功耗仅为1.1 W，并且封装在10 mm×10 mm的封装中。

此外，ADF5355等新型PLL和VCO器件可提供非常宽带、高性能、低SWaP频率源。ADF5355采用5 mm×5 mm封装，提供低功耗、高性能LO源，可从VHF扫描至13.6 GHz，是常见平台设计的理想解决方案。

最后，对于未来的LEO系统，波束控制架构对于确保链路的效率至关重要。尽管使用HMC247等数字移相器的模拟波束成形解决方案提供了当今的解决方案，但随着转换器技术的集成度越来越高，低功耗器件中信号处理能力的提高，数字波束成形RF信号链在整个阵列中保持相同，波束在数字域中创建。数字波束控制的一个关键难点是管理多个ADC或DAC器件的尺寸、时序和功耗。设备之间的任何时间或过程偏差都会对光束的质量产生影响。AD9681等新器件大大简化了数字波束控制设计。多达 8 个 ADC 均使用相同的基准电压源和时钟源，可提高光束质量，并且器件的集成可创建更小、功耗更低的封装。

总结

在过去的几十年里，SATCOM在商业和军事通信和数据系统中发挥了越来越大的作用。但是，全球对带宽的永不满足的需求为未来的航空航天和国防卫星通信设计带来了新的挑战，需要新的架构和系统设计。无论目标是延长士兵的电池寿命，安装到小型无人机有效载荷中，还是在下一次飞行中提供互联网，卫星通信无线电的SWaP都将变得越来越重要。新的高线性度中频子系统、多通道、高分辨率ADC、集成RF收发器以及VCO和PLL组合将为下一代卫星通信无线电提供低SWaP解决方案。

审核编辑：郭婷