传统的Ka波段地面站卫星通信系统依赖于室内到室外的配置。室外单元包括天线和输出L波段模拟信号的块下变频接收机。然后，信号被传输到室内机，室内机包含过滤、数字化和处理系统。Ka频段通常干扰信号很少，所以室外机的主要任务是以牺牲线性度为代价优化噪声系数。室内-室外配置非常适合地面站，但难以集成到小尺寸、轻重量和低功耗(SWaP)环境中。几个新兴市场推动了对小型Ka波段接入的需求。无人机和步兵如果能接入这样的通道，将会受益匪浅。对于无人机和步兵来说，无线电功耗直接决定了续航时间，进而决定了任务时长。此外，传统的Ka波段信道过去专门用于空中平台，现在被认为可以提供更广泛的接入。这意味着，传统上只需要下变频单个Ka通道的天线平台现在可能需要在多个通道上工作。本文将概述Ka频段应用面临的设计挑战，并解释支持此类应用以实现低SWaP无线电解决方案的新架构。
简介
卫星通信产业的最新趋势表明，信号传输正从X波段和Ku波段向Ka波段发展。这在很大程度上是因为在这个频率范围内很容易实现具有更宽带宽的收发器。与此同时，X、Ku和Ka波段的发射机总数正在增加。以前Ka频段的发射机数量很少，但是随着这个趋势的发展，这个频段的频谱会越来越拥堵。这对这种系统的收发器设计提出了挑战，尤其是对于低SWaP市场，其尺寸和功耗要求将限制可实现的选择率。由于选择率的压力越来越大，人们自然会妥协，降低对选择率的要求。在某些情况下，比如频谱环境不清晰的移动平台，这种妥协是有意义的。但是，在其他可以非常准确预测干扰的平台中，选择率仍将是最高优先级。
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频段天线、低噪声块(LNB)和下变频级组成，将Ka频段信号下变频为L频段信号，然后发送到室内机。LNB和下变频级通常组合成一个单元，其输出使用同轴电缆或光纤将信号发送到房间进行进一步处理。在天线端将信号下变频至1 GHz至2 GHz，可以防止连接到室内单元的电缆出现额外损耗。室内机由一个L波段接收机和一个解调器组成。该单元负责进一步过滤、数字化和处理信号。此外，它还连接到地面传输网络，将信号发送到中央处理位置。
在发射端，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。该室外设备包括以下装置：一个阻塞上变频器(BUC ),用于将信号从L波段转换到Ka波段；HPA，用于将信号放大到所需的发射功率电平；和天线。如果接收机和发射机共用天线，还将有一个双工器来隔离发射机信号和接收机信号。
尺寸和功耗
由于是永久性设施，固定安装场所的设备通常不是为低SWaP设计的。根据其特点和滤波要求，室外LNB可达10' 4' 4 '它通常尽可能靠近天馈，以优化系统噪声系数。室外buc通常具有相同的尺寸，而室外HPA可能非常大，具体取决于输出功率要求。室内设备包括一个19英寸宽的机架式调制解调器，它可以与其他机架式调制解调器或处理设备堆叠在一起。这个设备负责接收和发射卫星通信信号，但是它的交换效率可能不是很高。
低掉期市场
虽然全球移动通信的发展正在深入，人们期望即使在最偏远的地区也能获得通信和数据链路，但市场越来越呼吁减少SWaP。
近年来，政府和企业使用的无人机越来越多。无人机可以在距离其基地数百英里以上的偏远地区使用，它越来越依赖卫星通信来发送收集的数据和接收操作员的指令。此外，我们看到商业世界中开发的无人机应用越来越多，其中许多应用需要同时与卫星和其他飞机进行通信。这就导致了使用更高的频谱，这是以前很少使用的。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。
低交换卫星通信继续增长的另一个市场是手持和便携领域。除了安全通信，人们还希望生成和接收更多的内容，这导致对手持设备的需求不断增加。人们渴望快速发送数据，包括照片、音频文件、地图和其他数据，并以更宽的带宽捕捉信号。这需要增加瞬时带宽，同时整体尺寸保持与上一代产品相同或更小，并降低功耗以避免携带笨重和昂贵的电池。战术车动力有限，空间小，所以也有类似的互换限制。
此外，与波形无关的系统有许多潜在优势，可以配置为在任何给定的波形环境中工作。在今天的一些军事系统中，飞机上需要三到五个不同的收发器系统来帮助不同的系统相互通信。将这些系统组合成具有软件定义灵活性的波形独立系统，可以将尺寸缩小5倍。
低SWaP的设计挑战
低掉期市场的需求正在增加，但仍有许多挑战需要克服。例如，单独过滤会增加这种系统的尺寸。随着频率范围增加到Ka波段，当下变频到1 GHz中频(IF)时，越来越难以实现相同的抑制性能。这需要增加过滤器的数量或增加过滤器的尺寸。此外，这些过滤器并不便宜，通常每个要200美元或更多。在这方面，较高的中频将是有益的，因为它可以降低滤波器要求。
此外，在低掉期市场，网络的不同节点以网格方式通信，一些网络没有地面基础设施。由于没有中央位置来执行处理，每个收发器必须能够处理接收到的数据。传统卫星通信市场的天线和处理器是分离的，但在低SWaP市场，人们希望数字处理和FPGA尽可能靠近天线。这种本地处理对这种网络应该使用多少带宽设置了限制，因为要处理的带宽越宽，所需的时钟速率和设备功耗就越高。在传统的固定Ka波段网络中，可以使用高达1 GHz的瞬时带宽。在低SWaP市场，100 MHz至200 MHz更实用。
为了解决这些接收机挑战，传统的做法是采用超外差架构，将Ka频段下变频到L频段，下变频到L频段之前可能有一个中间级。这种方法需要大型滤波器、大量器件和高功耗，并且不能支持低交换要求。鉴于上述限制，典型的超外差架构在此类应用中开始衰落。
高中频架构
对于这类市场，更好更适合的架构是高if架构。这种架构利用了直接变频收发器技术的最新发展。在直接变频收发器中，输入RF能量直接转换到基带，并分成两个独立的流，即I和q。此类产品的频率范围已增加到6 GHz，因此支持新的独特使用场景。在过去，这些器件的性能无法满足军事和商业系统对超高性能的需求。然而，最新的进展表明，这种技术可以满足高性能的要求。
这些器件的一些最新进展包括更高的带宽、更好的线性度、更集成的数字信号处理功能和更容易的校准。这些器件的典型带宽高达200 MHz，可以针对不需要高带宽的情况进行调整。这种器件的高线性度也有助于改善拥挤频谱环境中的性能。这样会稍微降低敏感度，但是在这种环境下，这样的妥协是必要的。此外，集成DSP功能可以减轻系统中FPGA的负担，节省功耗，降低复杂度。这些器件的集成FIR滤波器可以进一步帮助解决拥挤环境中的许多常见通道选择率问题。
这类器件的另一个改进是集成了连续时间 -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，有助于降低这类系统的延迟。
在高中频架构中，Ka频段不是直接转换到基带，而是先转换到高中频，然后馈入直接变频接收机。因为这种转换器的频率范围提高了，中频可以放在5 GHz到6 GHz之间。中频从1GHz(当今典型系统)提高到5 GHz，使镜像频率范围比以前更远，因此前端滤波要求大大降低。前端滤波的简化是减小这种系统尺寸的一个因素。
使用AD9371的系统示例
图1显示了这样一个系统的例子。该系统由17 GHz至21 GHz的接收机通道和27 GHz至31 GHz的独立发射机通道组成。从接收器通道开始，输入RF能量首先通过Ka波段LNA放大，然后进行滤波，让17 GHz至21 GHz的信号通过混频器。该混频器使用22 GHz至26 GHz范围内的可调谐LO，将100 MHz下的频带从17 GHz下变频至21 GHz至5 GHz。前端滤波器处理27 GHz至31 GHz范围内的镜像抑制、LO抑制和带外信号的一般抑制，并防止m n镜像的杂散信号通过混频器。这种过滤器可能需要定制，但其尺寸、重量和成本将低于传统系统，因为对这种过滤器的要求较低。
一旦RF前端转换到5 GHz的高中频，它将被进一步放大和滤波，然后发送到AD9371。高频和中频所需的滤波相对较弱，使用现成的廉价小型LTCC滤波器就可以轻松完成。这里主要考虑的是确保AD9371不受中频谐波的影响。
在发射端，AD9371可以用来产生并输出最大4 dBm的5 GHz波形。IF位于5.3 GHz的频率上，该频率不同于接收器上的5.1 GHz，以降低两个通道之间串扰的可能性。然后输出经过滤波降低谐波水平，再馈入上变频混频器，频率转换到27 GHz到31 GHz的前端。这可以通过在22 GHz至26 GHz范围内使用与接收器端相同的LO来实现。
此外，使用直接变频收发器可以为频率规划提供更大的灵活性。这里只给出一个例子，但是有许多可能的频带可以使用相同的架构。AD9371可以快速轻松地改变其中频频率，因此系统可以灵活地避免有问题的杂散响应，或者优化其性能，正如人们对软件定义无线电的期望。
标签
世界各地都需要通过通信和数据的方式进行连接，这使得卫星通信收发器的数量增加。近年来，X波段和Ku波段变得越来越拥挤，这促进了低交换系统向Ka波段的发展。安装在无人驾驶飞行器、手持无线电或战术车辆上的卫星通信网络的激增强烈要求在保持高性能指标的同时降低SWaP的创新方法。在高中频架构中，我们展示了一个合适的平台，利用当前可用的集成式直接变频收发器的小尺寸和低功耗特性，在这些频段实现更高的选择性。将AD9371用作中频收发器可以将收发器的整体尺寸缩小一个数量级，从而为下一代卫星通信问题提供大量解决方案。
标签：系统KA信号