以AD9371系统示例小尺寸卫星,讲述如何进行移动通信
小尺寸卫星很难在室外进行融合，那是因为室外的环境只适合地面站，这种小尺寸、重量轻、低功耗的产品会是无处安放。但我们又在想若干新兴市场推动了对小尺寸ka波段接入的需求，无人机（uav）和步兵若也能接入此类信道，那会是大大受益。
传统ka波段地面站卫星通信系统依赖于室内到室外配置。室外单元包含天线和块下变频接收机，接收机输出l波段的模拟信号。该信号随后被传送到室内单元，室内单元包含滤波、数字化和处理系统。ka波段的干扰信号通常较少，因此，室外单元的主要任务是以线性度为代价来优化噪声系数。室内到室外配置很适合地面站，但难以融合到小尺寸、重量轻、低功耗（swap）的环境中。若干新兴市场推动了对小尺寸ka波段接入的需求。无人机（uav）和步兵若能接入此类信道，将大大受益。对于无人机和步兵，无线电功耗直接决定电池寿命，进而决定任务时长。此外，过去专门用于空中平台的传统ka波段信道，现在正被考虑用于提供更广泛的接入。这意味着，传统上仅需要下变频单个ka信道的空中平台，现在可能需要工作在多个信道上。本文将概述ka波段应用面临的设计挑战，并说明一种支持此类应用实现低swap无线电解决方案的新架构。
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。这在很大程度上是因为该频率范围内很容易实现带宽更宽的收发器。与此同时，x、ku和ka波段中的发射机总数在不断增加。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swap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。
室内和室外概述 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。在天线端下变频至1 ghz到2 ghz信号可防止连接到室内单元的电缆产生额外损耗。室内单元由l波段接收机和解调器组成。此单元负责对信号做进一步滤波、数字化和处理。此外，它与地面传输网络相连，以便将信号发送到中央处理地点。
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。如果接收机和发射机共用该天线，则还会有一个双工器，用以将发射机信号和接收机信号隔离开来。
尺寸和功耗
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。它通常尽可能靠近天线馈线放置，以优化系统噪声系数。室外buc通常有相同的尺寸，而室外hpa可能非常大，具体尺寸取决于输出功率要求。室内设备包含一个19英寸宽机架安装解调器，它可以同其他机架安装调制解调器或处理设备叠放在一起。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。
低swap市场
随着全球移动通信发展的深化，以及人们期望即便在最偏远地区也有通信和数据链路可用，市场对降低swap的呼声越来越高。
小尺寸卫星通信解决方案
近年来，政府和商业对无人机的使用越来越多。无人机可用在距离其基地超过数百英里的偏远地区，日益依赖卫星通信来发送收集到的数据及接收操作员指令。此外，我们看到商业世界开发的无人机用途越来越多，其中许多既需要与卫星通信，也需要与其他航空器通信。这导致使用的频谱更高，而以前对高频谱的使用非常少。随着频谱变得越来越拥挤，滤波、频率规划和灵活性变得越来越重要。
低swap卫星通信持续增长的另一个市场是手持式和便携式领域。除安全通信外，人们还希望发生和接收其他更多内容，这导致对手持设备的需求不断增加。人们渴求快速发送数据，包括照片、音频文件、地图和其他数据，以及捕获带宽更宽的信号。这要求提高瞬时带宽，而外形尺寸则保持不变或比上一代更小，并且要降低功耗，以免携带笨重昂贵的电池包。战术车辆自身的功率有限，空间较小，故而存在类似的swap限制。
另外，与波形无关的系统有很多潜在好处，可以进行配置以使其在任何给定波形环境中发挥作用。在当今的一些军用系统中，航空器上需要三到五个不同的收发器系统以帮助不同系统相互通信。将这些系统合并成一个与波形无关且具有软件定义灵活性的系统，可以让卫星尺寸缩小5倍。
低swap的设计挑战
随着来自低swap市场的需求不断增加，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（if）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。而且这些滤波器并不便宜，每个通常要花费200美元或更多。就此而言，较高中频会很有利，因为这样可以降低滤波器要求。
此外，在低swap市场中，网络的不同节点以网格方式通信，部分网络没有地面基础设施。由于没有一个中央位置来执行处理，因此，各收发器必须能够处理收到的数据。传统卫星通信市场的天线与处理器之间是分离的，但在低swap市场，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网络应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。
为了解决这些接收机挑战，传统办法是采用超外差架构，其会将ka波段下变频至l波段，在下变频到l波段之前可能还有一个中间级。这种方法需要使用大滤波器，器件数量多且功耗高，无法支持低swap要求。鉴于上述限制，典型超外差架构开始在此类应用中势微。
高中频架构
针对此类市场，更好且更合适的架构是高中频架构。这种架构利用了直接变频收发器相关技术的最新进展。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。但最新进展表明，利用这种技术可以满足高性能需求。
这些器件的一些最新进步包括：带宽更高、线性度更好、集成数字信号处理功能更多、校准更轻松。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。
此类器件的另一个进步是集成了连续时间σ-δ型adc （ctsd）。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。
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1 ghz（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，故而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。
采用ad9371的系统示例 图1显示了此类系统的一个例子。该系统由一个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。
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弱，利用现成的廉价小型ltcc滤波器即可轻松完成。这里的关键点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。
结语 世界各地都需要借助通信和数据实现连接，这使得卫星通信收发器的数量越来越多。近年来，x和ku波段日益拥挤，故而推动低swap系统向ka波段发展。无人机、手持式无线电或战术车辆上安装的卫星通信网络的激增，强烈要求通过创新方法来降低swap，同时保持高性能指标。在高中频架构中，我们已展示了一个合适的平台来在这些频段中实现更高的选择率，其利用了目前可用的集成直接变频收发器的小尺寸和低功耗特性。ad9371用作中频收发器可将收发器的整体尺寸缩小一个数量级，从而为解决下一代卫星通信难题提供大量解决方案。
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室内和室外概述 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。在天线端下变频至1 ghz到2 ghz信号可防止连接到室内单元的电缆产生额外损耗。室内单元由l波段接收机和解调器组成。此单元负责对信号做进一步滤波、数字化和处理。此外，它与地面传输网络相连，以便将信号发送到中央处理地点。
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。如果接收机和发射机共用该天线，则还会有一个双工器，用以将发射机信号和接收机信号隔离开来。
尺寸和功耗
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。它通常尽可能靠近天线馈线放置，以优化系统噪声系数。室外buc通常有相同的尺寸，而室外hpa可能非常大，具体尺寸取决于输出功率要求。室内设备包含一个19英寸宽机架安装解调器，它可以同其他机架安装调制解调器或处理设备叠放在一起。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。
低swap市场
随着全球移动通信发展的深化，以及人们期望即便在最偏远地区也有通信和数据链路可用，市场对降低swap的呼声越来越高。
小尺寸卫星通信解决方案
近年来，政府和商业对无人机的使用越来越多。无人机可用在距离其基地超过数百英里的偏远地区，日益依赖卫星通信来发送收集到的数据及接收操作员指令。此外，我们看到商业世界开发的无人机用途越来越多，其中许多既需要与卫星通信，也需要与其他航空器通信。这导致使用的频谱更高，而以前对高频谱的使用非常少。随着频谱变得越来越拥挤，滤波、频率规划和灵活性变得越来越重要。
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另外，与波形无关的系统有很多潜在好处，可以进行配置以使其在任何给定波形环境中发挥作用。在当今的一些军用系统中，航空器上需要三到五个不同的收发器系统以帮助不同系统相互通信。将这些系统合并成一个与波形无关且具有软件定义灵活性的系统，可以让卫星尺寸缩小5倍。
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随着来自低swap市场的需求不断增加，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（if）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。而且这些滤波器并不便宜，每个通常要花费200美元或更多。就此而言，较高中频会很有利，因为这样可以降低滤波器要求。
此外，在低swap市场中，网络的不同节点以网格方式通信，部分网络没有地面基础设施。由于没有一个中央位置来执行处理，因此，各收发器必须能够处理收到的数据。传统卫星通信市场的天线与处理器之间是分离的，但在低swap市场，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网络应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。
为了解决这些接收机挑战，传统办法是采用超外差架构，其会将ka波段下变频至l波段，在下变频到l波段之前可能还有一个中间级。这种方法需要使用大滤波器，器件数量多且功耗高，无法支持低swap要求。鉴于上述限制，典型超外差架构开始在此类应用中势微。
高中频架构
针对此类市场，更好且更合适的架构是高中频架构。这种架构利用了直接变频收发器相关技术的最新进展。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。但最新进展表明，利用这种技术可以满足高性能需求。
这些器件的一些最新进步包括：带宽更高、线性度更好、集成数字信号处理功能更多、校准更轻松。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。
此类器件的另一个进步是集成了连续时间σ-δ型adc （ctsd）。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。
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1 ghz（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，故而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。
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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弱，利用现成的廉价小型ltcc滤波器即可轻松完成。这里的关键点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。
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