無需RF變頻的可重配置Ka波段衛星通訊

作者 : Rajan Bedi,Spacechips執行長兼創辦人

為了利用更大的資訊頻寬,營運商轉向了Ku、K和Ka波段,以支援更高頻率,同時採用首款太空級寛頻ADC和DAC,據此透過分別直接數位化和重配置IF載波,以減少整個RF變頻級的數量...

電信衛星營運商希望能夠在全世界任何地方、任何時間為其客戶提供彈性化的數據和廣播服務。瞬息萬變的全球性事件——例如突發新聞、飛機的持續監控或全球時區的不同需求——都對衛星傳輸訊號的覆蓋範圍、形狀、大小和功率,以及其中所包含的通訊頻道之頻寬和容量提出了即時、每日或季節性的要求。

目前的衛星設計方法由於特定於任務和個別客戶的RF需求,幾乎每種新應用都需要更改接收器和發射器的規格。這對於關鍵專案增加了不必要且非經常性的重新設計和重新驗證成本與工作量,營運商也抱怨開發有效載荷的成本過高,以及交付時間過長。如今,全球衛星產業受到傳統RF變頻彈性度差、複雜性高,以及功耗、質量、尺寸和成本等各方面的困擾。對於提供多達50個通道的對地靜止地球軌道(GEO)電信衛星供應商而言,類比超外差轉換器使有效載荷的總成本增加了40%以上。

競爭大型全球招標的衛星製造商希望為營運商提供彈性化的通訊服務,以因應即時的用戶需求和不斷變化的鏈路要求。儘管航空電子技術取得了重大進步,其有效載荷為客戶提供了更大的頻寬和更高的數據吞吐量,但轉發器的設計幾十年來整體卻保持不變。OEM受到當前收發器技術的限制,因而藉由在軌道上硬體的可重新配置性提高任務彈性度,從而為營運商提供更多營收和效率。現在,一些典型配置包括了其他硬體,可以在需要時將其切入和切出。這種方法導致有效載荷的質量、功耗、成本和效率均可隨著太空船所有者所要求的彈性度而增加。1顯示具有機載數位處理功能的多通道電信轉發器架構。

three block diagrams of telecommunication transponder architectures1:傳統數衛星有效載荷架構。

寬頻太空級ADC大約在10年前即已推出,直接為L和S波段載波實現數位化。對於以這些頻率進行通訊的衛星,導通欠採樣技術使接收器能夠對RF上行鏈路直接進行數位化,因而無需使用傳統的超外差下變頻器。這導致轉發器的實體尺寸更小、質量更輕、功耗更低且成本更低。

首個寬頻太空級DAC也大約在同一時間推出,能夠將數位基頻直接上變頻為C波段。由於採用歸零的類比輸出,減少了較高奈奎斯特(Nyquist)區段的sinc滾降,從而能以這些頻率存取影像。對於UHF、L、S和C波段衛星來說,無需傳統的RF上變頻器就可以使用EV12DS130 MUX-DAC發送器,從而提供尺寸更小、質量更輕、功耗與成本都更低的轉發器(2)。

block diagram of direct converting a digital payload2:寬頻太空級ADCDAC有效載荷的直接變頻。

EV10AS180A和EV12DS130不僅無需進行傳統RF變頻,還能夠讓衛星通訊利用軟體定義無線電(SDR)的優勢,為營運商提供更高的彈性度,例如能夠因應即時用戶需求而在軌道上更改RF頻率計劃。對於轉發器製造商而言,SDR能夠經由出售可供通訊、對地觀測、導航以及物聯網/機器對機器(IoT/M2M)應用重複使用​​的單個通用多任務有效載荷,為其減少非重複性工程(NRE)和重複性工程成本。

L和S波段的傳統衛星通訊變得很擁擠,為了利用更大的資訊頻寬,營運商轉向了Ku、K和Ka波段。為了支援這些更高的頻率,首款寬頻、太空級ADC和DAC獲得採用,據此就能透過分別直接數位化和重配置IF載波,以減少整個RF變頻級的數量(3)。

block diagram of a K-band digital payload3現有的K波段數有效載荷架構。

為了支援向Ka波段的過渡,Teledyne e2v自2019年開始進行研究,探討新型K波段(18-27GHz)ADC的潛力,並採用24GHz前端、追蹤並保持放大器以及交錯四個ADC核心的四通道ADC加以實現。他們開發了一款原型並進行了測試,結果表明,相較於基頻運作,對於更高頻率實現最佳化INL校準,以及最大程度地降低單個ADC之間無法匹配的補償,有助於使動態K波段的性能實現最大化(4)。

photo of the K-band ADC prototype
graph showing K-band ADC measured performance
圖4:通過概念驗證的K波段ADC(上),以及測得的性能(下)。 (圖片來源:Teledyne e2v)

該研究的最終目標在於開發首個用於衛星通訊的Ka波段ADC和DAC,以消除傳統的類比變頻。這將為營運商提供更高的軌道彈性度和即時RF敏捷性。2020年的進一步研發發現,從首個原型可實現的性能存在局限性。要想增加訊號雜訊比(SNR)、無雜散動態範圍(SFDR)以及從K波段到Ka波段的頻率,必須進行一些根本性的改變。

過去五十年來,摩爾定律(Moore’s Law)一直在推動半導體產業的發展,利用各種更小的幾何結構提高性能並降低功耗。透過利用CMOS微縮所獲得的更快速度和更低功耗等優勢,使得以直接變頻ADC和DAC實現L、S和C波段的SDR成為可能。但是,在28nm以下,由於製程寄生效應,Fmax從360GHz的峰值發生下降,而最新的超深次微米節點太小,不足以支援Ka波段混合訊號轉換器的開發。此外,在這些幾何結構下的製造成本是天文數字,針對體積相對較小的太空產業來說,在商業上是不可行的。90nm矽鍺(SiGe)異質接面雙極電晶體(HBT)的Fmax目前為600GHz。

為了提高較高Nyquist區段的動態性能,並從K波段變為Ka波段,需要使用與概念驗證ADC不同的外形尺寸。系統級封裝(SiP)由於可將多個不同的裸片放置在單個通用基板上,因此實現了顯著的RF微型化。在微波頻率下的封裝寄生效應(尤其提採用打線接合的元件),以及材料的選擇,都限制了Ka波段的性能。傳統的RF MMIC使用LTCC基板,而根據研究顯示,使用更快的有機基板能夠改善在更高頻率下的作業。

2020年,開發出第二款原型,結合了兩個CMOS交錯式四通道ADC和一個SiGe 30GHz追蹤保持放大器。它採用具有較低寄生效應的覆晶封裝,在較高頻率下安裝在低介電常數的有機基板上,然後放置在33mm×19mm的小尺寸SiP中,如5所示。在K波段並測得了改進的性能。

photo of an exposed K-band ADC prototype

5第二個K波段ADC原型()獲得了性能改進() (圖片來源:Teledyne e2v)

在2019年和2020年進行研究之後,Teledyne e2v計劃在2021年下半年發表太空應用的首個Ka波段ADC樣品。這款SiP產品將包括40GHz前端追蹤和保持放大器,以便直接採樣Ka波段載波。

為了補強Ka波段ADC的開發,還將提供12位元、12GSPS、25GHz DAC,從而實現軟體定義微波(SDM)的衛星通訊。與最初的太空級SDR DAC EV12DS130相較,EV12DD700將採樣頻率、重配置頻寬,以及可將基頻數位輸入直接上變頻的頻率範圍提高為原來的四倍。新型EV12DD700包含一種新穎的2RF模式,能夠存取K波段較高Nyquis區段中的影像。

這種雙通道元件還提供了×4、×8和×16插值比,以降低輸入數據速率;它還提供了可編程的數位anti-sinc濾波器,用於彌平頻域中兩個通道的輸出響應。實數和複數I/Q數據可以重配置,而且每個DAC均可對增益、內插因子和數位上變頻(DUC)本地振盪頻率進行個別調整。整合的DDS可以產生斜坡、CW音調或線性調頻(chirp)訊號,並且支援快速跳頻而對下行鏈路提供保護。相較於DAC的歸零上變頻模式,使用DUC可以使用較少的序列鏈路,將瞬態頻寬減小的基頻輸入轉換到較高的Nyquist區段。

photo of the EV12DD700 DACgraph showing EV12DD700 DAC direct up-converting modes6EV12DD700 DAC()及其直接上變頻模式()(圖片來源:Teledyne e2v)

為了支援衛星通訊,特別是波束成型應用,ADC和DAC都具有在多通道上增益和相位延遲同步的功能,以確保確定性的延遲與處理。在上電後,SYNC輸入脈衝將兩個元件的時脈路徑內所有分頻器進行重設,以確保電路確定性地重啟。 SYNCO輸出則連接到另一個元件以進行多元件鎖定。

ADC和DAC的數位介面使用12Gbps高速序列鏈路和ESIstream協議實現。這是根據14b/16b進行編碼,每個訊框都包含加擾的數據以確保定時過渡以及兩位元的開銷:一位元用於控制直流(DC)等化的差異,另一位元用於觸發同步監控。而當搭配上述ADC/DAC SYNC和SYNCO訊號時,這些鏈路支援多元件同步和確定性延遲。現在已有免費ESIstream IP可用於太空級FPGA!

透過此YouTube視訊展示Ka波段ADC和DAC原型的功能。

第一次,Ka波段ADC和DAC的前景提供了將SDR擴展到SDM進行衛星通訊的潛力。這將使營運商能夠改變RF頻率計劃和軌道轉發器運行,以因應即時用戶需求和鏈路要求。透過重新配置單個有效載荷的規範和功能,技術展示衛星將能夠提供電信、地球觀測、IoT和導航服務,並降低新的多任務概念等風險。

RF敏捷性和彈性將使營運商能夠盡可能地從其昂貴的太空船資產中獲得最大回報,以因應不斷變化的通訊和市場需求。重新配置和重複使用相同轉發器硬體的能力具有高度突破性,將有助於減少NRE和重複成本、延長硬體的任務壽命,並且降低存取衛星通訊的整體價格。使用Ka波段ADC和DAC將為RF有效載荷帶來重要的SWaP優勢!

改變有效載荷RF上行/下行載波頻率、瞬態處理頻寬、波形和調變類型的能力,以及透過重新配置FPGA在軌道上提供的基本服務,象徵著衛星通訊領域取得了顛覆性的進步。‘SoftSats’將會實現許多新的任務類型和轉發器系統架構,但如何在未來的應用中進一步利用這種獨特的技術?例如,是否仍會將收發器放置在主要的有效載荷內?是否考慮將Ka波段ADC和DAC放置在接收和發射天線處,分別直接處理上行鏈路和下行鏈路載波,然後使用高速電鏈路或光鏈路連接到機載數位處理器,如7所示?

block diagram of a distributed satellite receiver architecture

7:分佈式衛星接收器架構。 (圖片來源:Teledyne e2v)

Ka波段ADC和DAC的首批樣品將於今年上市,另有採購和驗證選項以及輻射硬度數據,也將在不久後發佈。

為了向航空產業提供進一步的整合和機載處理優勢,接下來還將以小尺寸外形結合微波ADC和DAC,並搭配合格的FPGA以提供SiP(8)。首款產品將以Xilinx XQRKU060元件為基準,並計劃在整體發展藍圖中增加太空級FPGA。

product concept combines RF ADCs and DACs with an FPGA. 圖8:新的產品開發概念是結合RF ADC和DAC,並搭配Xilinx XQRKU060 FPGA。

(參考原文:Reconfigurable Ka-band satellite communication without RF frequency conversion,by Rajan Bedi)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年6月號雜誌

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