【導讀】衛(wèi)星通信(satcom)是一種成熟的語音、視頻和數(shù)據(jù)傳輸方式，在所有主要軌道（包括地球同步赤道軌道GEO、中地球軌道MEO和LEO）上廣泛使用。衛(wèi)星通信被認為是傳輸GPS導航信號、天氣信息、電視廣播、語音、數(shù)據(jù)的有效手段，同時也用于成像和科學應用。承諾提供高速互聯(lián)網(wǎng)連接的新一波計劃已經圍繞LEO衛(wèi)星星座展開，它將為下一代互聯(lián)網(wǎng)通信提供低延遲、高容量的寬帶連接。
LEO連接——通向成功之路
在持續(xù)部署5G蜂窩網(wǎng)絡方面，LEO衛(wèi)星發(fā)揮著重要作用。衛(wèi)星網(wǎng)絡越來越多地參與到3GPP標準化中，其在未來網(wǎng)絡中的預期作用早就在研發(fā)當中。2017年，3GPP標準機構啟動相關活動，以了解衛(wèi)星通信網(wǎng)絡在5G連接中的可行性。通過3GPP標準第15、16、17和18版的發(fā)布，已有多種活動來支持衛(wèi)星網(wǎng)絡的集成。LEO衛(wèi)星可以為服務欠缺的地區(qū)提供大范圍覆蓋，可以為移動中的人們提供連續(xù)服務，可以連接到機器到機器(M2M)/物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設備，而且是一條值得關注的具有成本效益的5G升級途徑。
下一代LEO系統(tǒng)將在距離地球表面500公里到2000公里的軌道上運行，實現(xiàn)比過去的衛(wèi)星網(wǎng)絡更具技術優(yōu)勢的解決方案。如此接近地球意味著它們將能提供更低延遲的連接，這對于消費類或商業(yè)使用場景（如互聯(lián)網(wǎng)游戲或實時控制工業(yè)/醫(yī)療設備）非常重要。LEO衛(wèi)星的延遲約為50ms（下一代技術會將此延遲改善到20ms以下），而GEO則為700ms。
LEO衛(wèi)星的一個關鍵推動因素是，由于軌道較低，其輻射暴露量要低得多。這很重要，因為這意味著可以放寬昂貴且有時令人望而卻步的抗輻射測試要求。由此將產生規(guī)模經濟性，現(xiàn)在建造LEO衛(wèi)星的成本已大大降低。更少的輻射意味著有更廣泛的半導體工藝和更多的元器件可供使用。
鑒于軌道較低，預計部署的衛(wèi)星數(shù)量會多很多。此類衛(wèi)星的平均壽命將比以前的類似衛(wèi)星短得多。也許經過5到8年，這些衛(wèi)星就會脫離軌道并需要替換。LEO衛(wèi)星必須具有成本效益才能支撐衛(wèi)星和替代衛(wèi)星的發(fā)射。
隨著LEO寬帶連接業(yè)務開始變得強大，所有這些趨勢引起了行業(yè)監(jiān)管機構的注意?；貞?990年代，這種互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務是多家公司的目標，但遺憾的是，由于部署成本高且需求有限，它以失敗告終?？爝M到今天，半導體技術有了長足進步，能夠提供不同以往的性能和集成度。再加上相對偏遠或服務欠缺的地方對高速、低延遲互聯(lián)網(wǎng)連接的需求急劇增長，以及衛(wèi)星通信與5G標準的整合，使得未來的LEO星座處在一個好得多的基礎之上，取得成功的可能性更大。
在撰寫本文時，預計用戶可以實現(xiàn)100Mbps的最大下行數(shù)據(jù)速度，未來可能會提高到150Mbps，從而很好地滿足多用戶全時視頻流傳輸需求。
LEO面臨的一個挑戰(zhàn)是衛(wèi)星始終在不斷移動，星座只有完全部署好才能提供最低可行的服務。這意味著初始支出會很高，因為LEO衛(wèi)星的軌道較低，因而數(shù)量巨大。但即便如此，這似乎也并未阻擋其現(xiàn)在的成功，而且投資者對無處不在的覆蓋的商業(yè)前景十分看好。
LEO衛(wèi)星系統(tǒng)如何工作？
LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要由三部分組成，如圖1所示。
圖1.LEO衛(wèi)星通信的地空場景示例
用戶終端/用戶設備(UE)
這些終端是用戶和衛(wèi)星之間的直接聯(lián)系手段，往往成本低、易于設置且位于家中，但也可以是移動終端，如海事衛(wèi)星通信、移動中的衛(wèi)星通信、戰(zhàn)術單人無線電等。用戶終端利用高水平的IC集成來簡化物料清單(BOM)，降低成本，并保持較小的外形尺寸。
地面站/網(wǎng)關
這些是連接到服務器（用于互聯(lián)網(wǎng)連接的數(shù)據(jù)中心）的地面連接，通常通過光纖連接。它們將衛(wèi)星連接到地面，部署于地球上的固定位置。
衛(wèi)星
衛(wèi)星群被稱為星座，在軌道上繞著地球運轉，提供同時連接終端和網(wǎng)關的鏈路。
LEO衛(wèi)星在太空中移動，通常一顆衛(wèi)星環(huán)繞地球一圈的時間在90分鐘到110分鐘之間，這稱為軌道周期。因此，連接到衛(wèi)星的用戶處于該衛(wèi)星的范圍內的時間很短（最多20分鐘）。普通用戶在正常運行期間會連接到多顆衛(wèi)星。經過一定時間后，系統(tǒng)必須將用戶移交給進入范圍內的其他衛(wèi)星，此方式類似于在行駛的汽車中使用手機的人，蜂窩網(wǎng)絡中的一個基站將用戶移交給另一個基站。這對如何控制波束以保持與最合適衛(wèi)星的最佳鏈接提出了嚴格要求。
另一個有趣的演變是衛(wèi)星系統(tǒng)在超出地面站的范圍時如何維持運行。圖1展示了一些可能影響通向地面站的鏈路速度的不利天氣狀況。傳統(tǒng)上，衛(wèi)星使用彎管技術，也就是衛(wèi)星必須始終找到一條通往地球或其他物體（如飛機）的鏈路，將其作為跳板來連接太空中的另一顆衛(wèi)星，后者當時可能處在地面站的范圍內。一項新技術是通過衛(wèi)星間鏈路，在太空中使用光學或V/E頻段連接來鏈接衛(wèi)星。
用戶終端上/下變頻器的進展
用戶終端對IC集成度提出了很高要求，ADI利用硅工藝技術的性能和集成能力來響應這一需求。這些解決方案需要非常高的IC集成度，以實現(xiàn)尺寸非常小的無線電終端，同時保持非常低的功耗，并嚴格遵守優(yōu)化的無線電成本要求。
上/下變頻器(UDC)是用戶終端中的基礎產品，它們將調制解調器IF或基帶信息直接連接到Ku頻段或Ka頻段。
RFIC UDC的頻率覆蓋目標是：
● Ku頻段：~10.7GHz至~14.5GHz
○ 下行鏈路（衛(wèi)星到地面）：10.7GHz至12.7GHz
○ 上行鏈路（地面到衛(wèi)星）：14GHz至14.5GHz
● Ka頻段：~18GHz至~31GHz
○ 下行鏈路（衛(wèi)星到地面）：17.7GHz至21GHz
○ 上行鏈路（地面到衛(wèi)星）：27GHz至31GHz
下行鏈路和上行鏈路在頻率上是分開的，故從衛(wèi)星到用戶終端的通信使用兩個單獨的頻段。因此，RFIC公司必須針對不同頻段設計每個用戶終端的上下變頻器。
用戶終端鏈路通常覆蓋125MHz至250MHz的通道帶寬(BW)，網(wǎng)關覆蓋250MHz至500MHz的帶寬，具體帶寬取決于是上行鏈路還是下行鏈路。不過，一些部署具有在用戶和網(wǎng)關鏈路之間共享帶寬的能力，因此通道帶寬可以在其工作的頻率中重新配置。
LEO衛(wèi)星在不斷移動，如圖1所示。因此，終端內上/下變頻器的頻率合成器必須實現(xiàn)快速鎖定以提供不間斷連接。頻率合成器用于輔助上變頻和下變頻。它們在賦能終端在運行期間連接和重新連接不同衛(wèi)星方面發(fā)揮著至關重要的作用，因為從一顆衛(wèi)星到另一顆衛(wèi)星，空中頻率在工作頻段（即Ka和Ku頻段）內不斷變化。
ADI開發(fā)了一系列針對用戶終端的Ku和Ka頻段UDC，以解決尺寸、重量、面積、功耗和成本(SWaP-C)問題。這些UDC包含眾多RF和IF信號調理功能，例如濾波器、放大器、衰減器、PLLVCO和功率檢測。所有IC的設計都考慮到了用戶終端的信號鏈性能。ADMV4630/ADMV4640是Ku頻段UDC，支持衛(wèi)星調制解調器的IF接口，如圖2和圖3所示，表中顯示了IC性能的亮點。
圖2.高度集成的Ku頻段上變頻器，IF接口直接來自衛(wèi)星通信調制解調器
圖3.高度集成的Ku頻段下變頻器，IF接口直接通向衛(wèi)星通信調制解調器
針對更高頻率的Ka頻段，ADI開發(fā)了ADMV4530/ADMV4540 UDC（圖4和圖5），它們支持需要I/Q基帶接口的衛(wèi)星通信調制解調器。 請注意，ADMV4530上變頻器是雙模器件，它還能支持IF接口。這些解決方案采用硅工藝設計，集成度非常高，可應對大批量終端應用中常見的集成壓力。
圖4.高度集成的Ka頻段上變頻器，I/Q和IF接口直接來自衛(wèi)星通信調制解調器
圖5.高度集成的Ka頻段下變頻器，I/Q接口直接通向衛(wèi)星通信調制解調器
更高性能的終端UDC
終端市場中的一些應用是由性能驅動的，對尺寸和最低成本設計目標的限制較少。這些應用可以選用分立RFIC解決方案。由于元器件位于不同封裝中，因此可以混合使用多種工藝技術——包括MESFET、pHEMT、BiCMOS和CMOS IC——來優(yōu)化設計要求。分立設計允許對性能與尺寸進行多方面權衡，設計過程的靈活性非常大。設計人員可以創(chuàng)建更高性能、提供更高輸出功率并支持更寬帶寬的無線電。此外，設計人員可以提高接收器靈敏度以改善動態(tài)范圍和雜散性能。應當注意的是，地面站/網(wǎng)關也屬于此類解決方案。網(wǎng)關的尺寸更大，其集成度要求當然不能與終端同日而語。網(wǎng)關利用不同的工藝技術來為市場提供性能優(yōu)化的解決方案。ADI將繼續(xù)擴大分立解決方案產品系列以應對這種使用場景。圖6展示了一種分立式高性能解決方案。
圖6.分立式HMC798A Ka頻段用戶終端的功能框圖
使用電子可控天線降低用戶終端成本
傳統(tǒng)上需要專業(yè)承包商來安裝設備和定位衛(wèi)星位置，與此相關的安裝成本很昂貴，故多家公司致力于消除這種安裝成本以降低用戶終端的部署成本。為實現(xiàn)這一目標，須將天線與處理通信鏈路所需的所有電子設備（如移相元件、RFIC UDC）結合在一個室外單元(ODU)中。ODU是位于室外并瞄準天空的天線陣列。室內單元(IDU)連接到ODU，用作傳統(tǒng)路由器（有線或無線），為用戶（如PC或電話）提供互聯(lián)網(wǎng)連接。
如前所述，LEO星座會有許多衛(wèi)星進出地面終端的視野，而電子可控天線(ESA)可以通過電子方式控制衛(wèi)星方向上的發(fā)射和接收能量束，從而實現(xiàn)高指向性，故使用ESA的效率要高得多。因此，當衛(wèi)星進出用戶終端的視野時，從一顆衛(wèi)星到另一顆衛(wèi)星的切換幾乎瞬時完成，最佳鏈路得以保持。事實上，考慮到軌道周期和正常運行過程中需要連接的衛(wèi)星數(shù)量，那么ESA幾乎是一項必不可少的要求。
為了應對這一挑戰(zhàn)，ADI開發(fā)了Ku頻段波束成形集成電路(BFIC)技術。ADMV4680是一款針對用戶終端設計的硅解決方案，允許通過半雙工通道獨立控制信號的增益和相位。令人驚異的是，該IC的尺寸只有8.2 mm2，如圖7所示。
圖7.高度集成的半雙工Ku頻段4通道波束成形IC
為了開發(fā)BFIC技術以使整體無線電成本最小化，最重要的是系統(tǒng)和陣列專業(yè)知識。機械組裝和PCB設計（包括堆疊和層數(shù)）是無線電成本驅動因素的一部分。在開發(fā)BFIC的時候顧及到機械和PCB設計，就能盡量降低整體無線電成本。ADI與客戶密切合作，并有內部PCB專家來幫助解決這個問題。事實上，IC設計和最終配置是系統(tǒng)權衡研究的一部分。
采用ESA來跟蹤LEO衛(wèi)星并優(yōu)化鏈路速度，可以實現(xiàn)低成本設置，這些設備通常是即插即用的。ESA和向集成度更高的ODU的遷移，從根本上簡化了系統(tǒng)的部署并降低了成本。ESA還有利于實現(xiàn)更扁平的面板和賞心悅目的設計。
值得注意的是，最高性能的終端應用會使用雙拋物面操縱的天線。在這種情況下，成本和美觀不是主要驅動因素，整體性能才是重點。對于消費類和注重成本的小型企業(yè)解決方案，ESA是實現(xiàn)低無線電成本并且達成系統(tǒng)設計目標的有效方式。
結語
LEO互聯(lián)網(wǎng)連接是一個令人激動的新領域，如今大多數(shù)政府和互聯(lián)網(wǎng)提供商都在思考這場太空競賽。隨著世界的互聯(lián)程度不斷提高，LEO將進一步增強3GPP標準從太空到農村地區(qū)的連接能力，從而在5G中發(fā)揮重要作用。用戶終端的RFIC集成要求變得越來越有挑戰(zhàn)性，ADI將繼續(xù)在這一領域開發(fā)解決方案并按規(guī)劃推出IC新產品。
關于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結合模擬、數(shù)字和軟件技術的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領域的持續(xù)發(fā)展，應對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。
關于作者
Donal McCarthy是ADI公司微波通信部（愛爾蘭科克）市場營銷與業(yè)務發(fā)展總監(jiān)。他擁有科克大學的工商管理學士學位、波士頓學院的工商管理碩士學位和都柏林愛爾蘭管理學院的市場營銷學位。Donal擔任過多個職位，包括MACOM設計工程師、Hittite現(xiàn)場銷售工程師和營銷職位以及ADI公司營銷經理和總監(jiān)職位。
作者：ADI市場營銷與業(yè)務發(fā)展總監(jiān)Donal McCarthy
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