Ka频段卫星通信系统适用的信号链列举及分析
随着全球连接需求的增长，许多卫星通信(satcom)系统日益采用Ka频段，对数据速率的要求也水涨船高。目前，高性能信号链已经能支持数千兆瞬时带宽，一个系统中可能有成百上千个收发器，超高吞吐量数据速率已经成为现实。
另外，许多系统已经开始从机械定位型静态抛物线天线转向有源相控阵天线。在增强的技术和更高集成度的推动下，元件尺寸得以大幅减小，已能满足Ka频段的需求。通过在沿干扰信号方向的天线方向图中形成零位，相控阵技术还能提高降干扰性能。
下面将简要描述现有收发器架构中存在的一些折衷选项，以及不同类型的架构在不同类型的系统中的适用性。本分析将分解介绍卫星系统的部分关键技术规格，以及如何从这些系统级技术规格获得收发器信号链层各组件的规格。
从宏观层面来看，卫星通信系统需要维持一定的载噪比(CNR)，此为链预算计算的结果。维持该CNR可以一定的误码率(BER)。需要的CNR取决于多种因素，如纠错、信息编码、带宽和调制类型。确定CNR要求之后，就可以依据高层系统要求向下分解得到各个接收器与发射器的技术规格。一般地，首先得到的是收发器的增益-系统噪声温度(G/T)品质因数和发射器的有效全向辐射功率(EIRP)。
对于接收器，要从G/T得到低层接收器信号链规格，系统设计师需要知道天线增益和系统噪声温度，该值为天线指向与接收器噪声温度的函数，如等式1所示。基于此，可以用等式2得到接收器温度。
获知接收器噪声指数以后，可以进行级联分析，确保信号链是否符合这些必要技术规格的要求，以及是否需要进行调整。
对于接收器，首先基于接收器的距离（地到卫星或卫星到地的距离）和接收器灵敏度确定需要的EIRP。获知EIRP要求之后，需要在发射信号链的输出功率与天线增益之间做出折衷。对于高增益天线，可以减小发射器的功耗和尺寸，但其代价是增加天线尺寸。EIRP通过等式4计算。
只要谨慎选择信号链所用组件，就能维持输出功率不变，并且不会导致其他重要参数下降，例如干扰其他系统的输出噪声和带外射频能量。
通道间的相位相干性：针对新兴的波束赋形系统，确保通道间相位的可预测性可以简化波束赋形信号的处理和校准
杂散性能：确保接收器和发射器不会在不期望的频率下产生射频能量，以免影响该系统或其他系统的性能
图1. 架构比较，(a) 高中频（集成TRx），(b) 双变频超外差架构（带GSPS ADC），(c) 单变频超外差架构（带GSPS ADC），(d) 直接变频（带I/Q混频器）。
在信号链的设计过程中，务必记住这些和其他技术规格，以确保设计出能满足任何给定应用需求的高性能系统，无论是宽带多载波聚合集线器还是单个窄带手持式卫星通信终端。
确定高层技术规格以后即可决定采用哪种信号链架构。前面列出过并且可能对架构产生重大影响的一个关键技术规格是瞬时带宽。该规格会影响接收器的模数转换器(ADC)和发射器的数模转换器(DAC)。为了实现高瞬时带宽，必须以更高的速率对数据转换器采样，结果一般会推高整个信号链的功耗，但是，如果从单位功耗(W/GHz)来看，则会降低功耗。
对于带宽不足100 Mhz的系统，许多情况下最好采用类似于图1a的基础架构。该架构将标准下变频级与集成式直接变频收发器芯片结合起来。集成的收发器可实现超高的集成度，从而大幅减小尺寸和功耗。
为了达到1.5 Ghz的带宽，可以将经典的双变频超外差架构与最先进的ADC技术结合起来；如图1b所示。这是一种成熟的高性能架构，集成的变频级用于滤除无用的杂散信号。根据收到的频段，用一个下变频级将接收的信号转换成中频(IF)，然后用另一个下变频级将最终的中频信号转换成ADC可以数字化的低频信号。最终中频越低，ADC性能越高，但其代价是会增加滤波要求。一般地，受组件数量增加影响，该架构是本文所提四个选项中尺寸最大、功耗最高的架构。
与其类似的选项如图1c所示，图中是一个单次变频级，用于将信号转换成高中频，再由GSPS ADC采样。该架构利用了ADC能数字化的更多射频带宽，几乎不会导致性能下降。市场上最新的GSPS ADC可以对最高9 Ghz的射频频率直接采样。在本选项中，中频中心在4 Ghz和5 Ghz之间，可在信号链滤波要求与ADC要求之间达到最佳平衡。
最后一个选项如图1d所示。该架构的瞬时带宽增幅甚至更大，但其代价常复杂，并且有可能导致性能下滑。这是一种直接变频架构，采用一个无源I/Q混频器，后者可以在基带上输出两个相互偏移90的中频。然后用一个双通道GSPS ADC对各I和Q进行数字化。在这种情况下，可以获得最高达3 Ghz的瞬时带宽。该选项的主要挑战是在信号通过混频器、低通滤波器和ADC驱动器时，要在I和Q径之间维持正交平衡。根据具体的CNR要求，这种折衷可能是可以接受的。
以上从宏观层面简要介绍了这些接收器架构的工作原理。列表并未穷尽所有情况，也可以把各种选项综合起来使用。虽然比较未涉及发射信号链，但图1中的每个选项都有一个对应的发射信号链，其折衷情况也相似。
以上讨论了各种架构的优点和不足，接下来，我们可以将这些知识运用到真实的信号链示例当中。目前，许多卫星通信系统都运行在Ka频段，以减小天线尺寸、提高数据速率。在高吞吐量卫星系统中，这一点尤其重要。以下是采用不同架构的示例，我们将对其进行更加详细的比较。
对于要求100 Mhz以下瞬时带宽的系统，如甚小孔径终端(VSAT)，可以采用集成收发器芯片的高中频架构(AD9371)，如图2所示。该设计可以实现低噪声指数，并且由于具有高集成度，所以其设计尺寸最小。现将其性能总结于表1中。
作为卫星通信系统多个用户的集线器，这些系统可能要同时处理多个载波信号。这种情况下，每个接收器的带宽或带宽/功率就变得非常重要。图3所示信号链采用一款高速ADC，即AD9208，这是最近发布的一款高采样速率ADC，可以数字化最高1.5 Ghz的瞬时带宽。在本例中，为了实现1 Ghz的瞬时带宽，中频被置于4.5 GHz。这里可实现的带宽取决于位于ADC之前的抗混叠滤波器的滤波要求，但一般局限于奈奎斯特区的~75%（采样速率的一半）。
在要求最高瞬时带宽并且可能以CNR为代价的系统中，可以采用图4所示信号链。该信号链采用一个I/Q混频器，即HMC8191HMC8191，其镜像性能为~25 dBc。在这种情况下，镜像性能受到I和Q输出通道间幅度和相位平衡的。在不采用更先进的正交误差校正(QEC)技术的情况下，这是该信号链的因素。该信号链的性能总结见表1。需要注意的是，NF和IP3性能与其他选项类似，但功率/GHz指标则为三者中最低，并且从任意时间可以利用的带宽量来看，其尺寸也属最佳状态。
这里给出的三种接收选项如下表所示，但需要注意的是，该表并未列出全部可能选项。这里的总结旨在展示各种信号链选项之间的差异。在任何给定系统中，最终的最优信号链既可能是三者之一，也可能是任意选项的综合运用。
另外，虽然表中只显示了接收器端的情况，但发射器信号链也存在类似的折衷情况。一般地，系统从超外差架构转向直接变频架构后，需要在带宽与性能之间进行折衷。
在数据被ADC或收发器数字化以后，必须通过数字接给系统处理。这里提到的所有数据转换器都采用了高速JESD204b标准，从数据转换器接收信号，然后把信号打包组帧，再通过少量走线进行传输。芯片的数据速率因系统要求而异，但这里提到的所有器件都有用于抽取和频率转换的数字功能，能够适应不同数据速率，以满足不同系统要求。该规格在JESD204b通道上最高支持12.5 GSPS的速率，传输大量数据的高带宽系统即充分利用了这一点。有关这些接口的详细描述请AD9208和AD9371的数据手册。另外，FPGA的选择必须考虑该接口。供应商（如Xilinx®和Altera®）提供的许多FPGA目前已经在其器件中集成该标准，为与这些数据转换器的集成提供了便利条件。
本文详细介绍了各种折衷情况，并就Ka频段卫星通信系统适用的信号链列举了一些例子。还介绍了几种架构选项，包括利用集成式收发器AD9371的高中频单次变频选项，用GSPS ADC取代集成收发器以提高瞬时带宽的类似架构，以及可以提高带宽但会降低镜像性能的直接变频架构。介绍的信号链虽然可以直接使用，但以其为基础进行设计。根据具体的系统级应用，会出现不同的要求，随着设计工作的推进，信号链的选择会越来越明晰。
文章出处：【微信号：FPGA-EETrend，微信号：FPGA开发圈】欢迎添加关注！文章转载请注明出处。
根据协议，贵阳市负责提供政策扶持以及重大事项协调等，从项目审批、政策支持、市场引导等方面给予项目....
嫦娥二号的主要工作是用作实验、验证部分新技术核心装备，降低往后工程的风险，深化月球科学探测。它于20....
A 误码率基础 误码率（Bit error rate, BER）是用于评估传输数字数据的系统的关键参....
在数据通信中，如果发送的信号是“1”，而接收到的信号却是“0”，这就是“误码”，也就是发生了一个差错....
误码的产生是由于在信号传输中，衰变改变了信号的电压，致使信号在传输中遭到，产生误码。噪音、交流....
据报道，中国启动全球移动宽带卫星互联网系统建设，一期工程将建设54颗卫星，，最后卫星数量超过300颗....
本文介绍如何利用一种高度集成的架构来应对上述挑战，该架构将AD9371收发器用作中频接收机和发射机，....
今天，让我们从一些技术规格、收发器架构、Ka 频段卫星通信系统适用的信号链，来说说 Ka 频段需要的....
由于卫星通信系统与微波接力系统共用频段，会产生同频干扰。为了避免新建卫星地球站建成后的上行频率对地球....
基于强有力的卫星网络管理系统，各个虚拟子网地管理各自设备的注册、入网、退网；调整各自设备数据传输....
天线技术是近年来通信卫星有效载荷中发展很快的技术。许多公司在这一领 域进行着国际性激烈竞争，其中，法....
我国的卫星通信干线主要用于中央、各大区局、省局、城市和边远城市之间的通信。它是国家通信网的重....
为了落实《组织法》的上述原则，ITU自1963年召开首次空间通信特别无线行政大会为多种空间无线电....
车载动中通卫星通信系统具有不受时间、地域、距离的、实现动态和静态条件下的实时双向传输等特点，并具....
Shin公司的新一代互联网协议(IP)卫星iPSTAR总容量达到了40Gbps，据称是现有卫星容量的....
就像几乎所有电信系统一样，对卫星系统的带宽要求也越来越高，原因是在这些链上承载的互联网业务、数字电....
之前明白了SNR和比特信噪比之间的换算关系。那我们怎么利用得到的仿真结果来画图呢？做事要规范！写程序....
本来想进入多进制调制方式的，但有网友给我留言，想知道信噪比和比特信噪比之间的关系。我想到当年我为....
面对均可提供无与伦比的集成度、众多功能以及大量用户可选选项的AD9361和AD9371收发器。AD9....
我国科学家成功实现了洲际量子保密通信。这标志着我国已构建出天地一体化广域量子通信网络雏形，为未来实现....
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....
前段时间中国的重金属取得了重大突破，今天又得到一个振奋的消息那就是我国了发射超级卫星。这个卫星的....
卫星移动通信系统利用高、低不同轨道移动通信卫星可以向用户提供区域乃至全球范围的话音、数据、短信等移动....
美国空军对波音公司宽带全球卫星通信（WGS）项目额外注资8800万，在2017年继续维持卫星网络的操....
日前，中国第一颗碳卫星成功。这意味着我国卫星技术在新应用领域取得突破。在最近印发的《“十三五”国....
美国首次升级后的全球宽带卫星通信系统（WGS）预计于12月7日发射升空。这是其军事卫星通信星座....
据外媒报道，SpaceX公司已向美国申请批准发射提供全球互联网访问服务的卫星。在提交给美国联邦通....
自从1921年发生在意大利罗马的一次意外事故，短波被发现可实现远距离通信以来，短波通信迅速发展，成为....
中投顾问发布的《2017-2021年中国卫星产业深度分析及发展规划咨询报告》指出，未来10年全球....
本届峰会通过分析军用通信卫星产业的发展进程，邀请国内外的行业大咖参与讨论。会议内容涵盖 1. 300....
传统的基站射频解决方案采用分立器件设计，新的SDR SoC实现了高度集成。相比于早期用于小基站的SD....
就像很多其他半导体器件一样，高速模数转换器（ADC）并不能始终像我们期望那样完美运行。它们存在一些固....
全球领先的移动卫星通信服务提供商Inmarsat迎来了GX Aviation又一重要里程碑事件——中....
在普通移动基站无法覆盖的高空情况下，如何提供互联网接入服务？就目前公布的信息来看，空地互联的方式有两....
近日，移动卫星服务运营商Thuraya推出一项新的海上宽带服务，旨在为船员提供实惠高品质海上宽带服务....
罗德与施瓦茨公司推出FSW50型信号与频谱分析仪，可测试用于雷达、卫星通信、以及军事通信的发射机和元....
本文介绍了单片机Atmega128在一种卫星地面测控系统中的应用，该系统利用Atmega128完成了....
伴随通信系统“天地一体化”技术体系的推广，移动通信正朝着无缝覆盖的趋势发展，卫星移动通信覆盖面广的特....
MF-TDMA 卫星网络是由地面主站、备用主站、网控中心、众多从站、卫星转发器等单元组成，系统的主要....
本文对射频前端中几个重要组成部分进行了分析和仿真，在此基础上设计了一种适合于编队飞行的小卫星通信系统....
科锐公司日前在巴尔的摩举行的 2011 年 IEEE 国际微波研讨会上展出业界首款面向卫星通信应用的....
以麦克斯韦电理论为基础，对某卫星通信地球站天馈线中心体中的高频电子设备多次被雷击坏进行了分析，并....
卫星通信系统原理什么? 卫星通信是指地球上（包括地面、水面和低层大气中）的无线电通信站之间和用人造....
什么是卫星通信的有效全向辐射功率(EIRP) 卫星通信中的一种重要参数。有效全向辐射功率EIRP为....
卫星通信地面站,卫星通信地面站是什么意思 任何一条卫星通信线都包括发端和收端地面站、上行和下行线....
卫星通信在信息网络中的应用及发展 当今世界；人们在谈到通信时，总是离不开宽带通信，多通信和移动....