在射頻軟件化的道路上，Teledyne e2v的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器可直接訪問(wèn)Ka波段，并突破數(shù)字信號(hào)處理的極限

摘要

本文闡述了當(dāng)今宇航產(chǎn)業(yè)所面臨的市場(chǎng)的變革，這不但可能顛覆當(dāng)前的商業(yè)假設(shè)，而且預(yù)示著未來(lái)太空基礎(chǔ)設(shè)施的架構(gòu)和運(yùn)行方式的重大變化。未來(lái)市場(chǎng)和技術(shù)發(fā)展的方向是更靈活的多任務(wù)平臺(tái)。這些軟衛(wèi)星和現(xiàn)有的衛(wèi)星不同，它們的操作參數(shù)和接口都是軟編碼的（即主要由軟件決定），而不是像今天的硬件那樣普遍采用硬連接的方式。這樣，運(yùn)營(yíng)商將獲得更靈活、更敏捷的平臺(tái)，有助于保護(hù)他們的技術(shù)投資，并隨著時(shí)間的推移向他們傳遞更強(qiáng)的市場(chǎng)反應(yīng)能力。此外，市場(chǎng)也會(huì)受益，因?yàn)檫@些創(chuàng)新有望通過(guò)更多的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用、增強(qiáng)的靈活性和可重用的系統(tǒng)降低宇航應(yīng)用的成本。

軟衛(wèi)星的一個(gè)關(guān)鍵組成部分是新一代的寬帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器首次實(shí)現(xiàn)直接訪問(wèn)Ka波段，從而消除中頻無(wú)線電環(huán)節(jié)，并首次將射頻軟件化引入了關(guān)鍵頻譜波段。實(shí)現(xiàn)這種復(fù)雜的寬帶器件需要詳細(xì)的工程步驟，包括實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)兩個(gè)概念設(shè)計(jì)的評(píng)估結(jié)果。結(jié)論很清楚：現(xiàn)在是重新評(píng)估架構(gòu)選擇和準(zhǔn)備設(shè)計(jì)軟衛(wèi)星的時(shí)候了。量產(chǎn)的樣品預(yù)計(jì)在2021年底發(fā)布。同時(shí)，當(dāng)前的初始樣片使進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)工作得以快速進(jìn)行。

圖1 利用射頻軟件化，一個(gè)軟衛(wèi)星可提供多種潛在的客戶服務(wù)

“新太空”簡(jiǎn)介和未來(lái)的軟衛(wèi)星愿景

歐盟委員會(huì)2019年關(guān)于歐洲空間部門未來(lái)發(fā)展的一份報(bào)告1指出，新太空業(yè)務(wù)的發(fā)展將給全球范圍帶來(lái)顯著的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。這份全面的報(bào)告包含新興的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，并強(qiáng)調(diào)了主要的應(yīng)用、廣泛的風(fēng)險(xiǎn)和獲取資金的挑戰(zhàn)。

新空間趨勢(shì)的結(jié)果之一是高度靈活的衛(wèi)星即將到來(lái)。這些系統(tǒng)（本文稱之為軟衛(wèi)星）是一類復(fù)雜的軟件定義的空間平臺(tái)。軟衛(wèi)星徹底改造了宇航核心基礎(chǔ)設(shè)施，尤其是其接口，很大程度上將催生全新的商業(yè)模式。對(duì)于Teledyne e2v，軟衛(wèi)星是一類將星上軟件定義處理能力與敏捷直接訪問(wèn)軟無(wú)線電(DASRs)相結(jié)合的衛(wèi)星，能夠支持多種任務(wù)和動(dòng)態(tài)切換操作模式，以適應(yīng)市場(chǎng)需求和操作環(huán)境，如圖1中的表格所示。

軟衛(wèi)星的兩個(gè)特點(diǎn)是模塊化和直接訪問(wèn)射頻硬件，使射頻軟件化的使用結(jié)合了重新配置的能力。這給予了軟衛(wèi)星任務(wù)靈活性和多模式操作，同時(shí)降低其對(duì)未來(lái)市場(chǎng)變化的敏感度。

重新配置大大降低了與固定硬件（單一任務(wù)）載荷相關(guān)的巨大風(fēng)險(xiǎn)。軟衛(wèi)星允許根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)引入新的無(wú)線電頻率計(jì)劃，或重新分配每個(gè)應(yīng)答機(jī)以滿足任務(wù)更新的需要。此外，結(jié)合電子轉(zhuǎn)向天線（ESA)，服務(wù)提供商可獲得通用的長(zhǎng)壽命星載應(yīng)用。

軟衛(wèi)星可以推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化的浪潮，進(jìn)一步降低總體成本。事實(shí)上，這一發(fā)展的浪潮可能預(yù)示著“衛(wèi)星做為一種服務(wù)2"的出現(xiàn)，正如Altas空間行動(dòng)的CTO最近設(shè)想的那樣。 這可能看起來(lái)有些牽強(qiáng)，但這一想法得到了即將上市的新型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的支持。有史以來(lái)第一次，直接在Ka波段轉(zhuǎn)換將成為現(xiàn)實(shí)，允許人們重新思考未來(lái)的微波接口和衛(wèi)星通信基礎(chǔ)設(shè)施。

本文的其余部分將考慮顛覆性的技術(shù)和市場(chǎng)趨勢(shì)對(duì)航天產(chǎn)業(yè)的影響，然后介紹Teledyne e2v將如何應(yīng)對(duì)。

根據(jù)ITU的2019年寬帶狀況報(bào)告，目前地球軌道上有4980顆衛(wèi)星，其中15%用于通信。

2.‘未來(lái)是衛(wèi)星通訊的服務(wù)’，Brad Bode, Altas空間行動(dòng)的CTO和聯(lián)合創(chuàng)始人，2020年10月2日

市場(chǎng)大趨勢(shì)：激烈的競(jìng)爭(zhēng)和永不停止的數(shù)據(jù)增長(zhǎng)影響著空間基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展前景

在過(guò)去的30年里，通信衛(wèi)星通常被認(rèn)為是由大企業(yè)或政府運(yùn)營(yíng)的高度專業(yè)化的單一任務(wù)平臺(tái)，例如用作天基基站或數(shù)據(jù)中繼器的GEO高吞吐量衛(wèi)星(HTS)。今天，大部分的地面數(shù)據(jù)和通信基礎(chǔ)設(shè)施依賴于這種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面基礎(chǔ)設(shè)施形成閉環(huán)。我們過(guò)去幾十年的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)在很大程度上要?dú)w功于這種傳統(tǒng)模式，盡管它現(xiàn)在已顯示出不堪重負(fù)的跡象。要使天基平臺(tái)的發(fā)展跟上地面商業(yè)發(fā)展的步伐，仍然面臨挑戰(zhàn)；技術(shù)的快速進(jìn)步需要數(shù)年才能應(yīng)用于太空，增加了運(yùn)營(yíng)商的風(fēng)險(xiǎn)。由硬件而不是軟件定義的星載應(yīng)用容易過(guò)時(shí)，這是一個(gè)使運(yùn)營(yíng)商頭痛的問(wèn)題。最近，傳統(tǒng)的太空運(yùn)營(yíng)商和他們的客戶都在尋找降低運(yùn)營(yíng)成本、風(fēng)險(xiǎn)和投資的方法。與此同時(shí)，太空經(jīng)濟(jì)的創(chuàng)業(yè)在過(guò)去的5年里蓬勃發(fā)展，其中值得注意的私營(yíng)投資包括：

●   2015年，SpaceX公布了其Starlink項(xiàng)目，計(jì)劃在低軌(LEO)放置多達(dá)30,000顆衛(wèi)星，向所有人提供低延遲寬帶接入服務(wù)。

●   OneWeb星座項(xiàng)目幾乎與Starlink項(xiàng)目同時(shí)公布，初期將包含650顆衛(wèi)星。

●   Jeff Bezos于2019年4月宣布，亞馬遜Kuiper項(xiàng)目計(jì)劃在未來(lái)10年再次發(fā)射3236顆衛(wèi)星，用于低軌寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

根據(jù)IDC在2018年的預(yù)測(cè)， 預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)為61%，到2025年將產(chǎn)生175ZB (1ZB = 10^21字節(jié)即1萬(wàn)億GB)的需求。

不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求對(duì)衛(wèi)星性能的發(fā)展有重大的影響。有關(guān)這一話題的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)令人瞠目結(jié)舌。新的5G無(wú)線系統(tǒng)和不斷增長(zhǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將加速數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)。IDC在2018年的預(yù)測(cè)3顯示，其增長(zhǎng)的速度令人震驚。IDC預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)的年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)為61%，到2025年將產(chǎn)生175ZB (1ZB = 10^21字節(jié)即1萬(wàn)億GB)的需求。

除此以外，由商業(yè)驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)增長(zhǎng)多是一些更深?yuàn)W的應(yīng)用和需求。各國(guó)政府正越來(lái)越多地為了國(guó)防利益而加倍致力于太空計(jì)劃。一些跡象表明，一場(chǎng)基于高超音速導(dǎo)彈技術(shù)的軍備競(jìng)賽正在加速進(jìn)行，這引起了幾個(gè)全球超級(jí)大國(guó)的興趣。另外，在這個(gè)逐漸變暖的世界上，科學(xué)家們正試圖更好地監(jiān)測(cè)氣候變化的影響，因此他們對(duì)更高分辨率的儀器越來(lái)越感興趣，例如用于地球觀測(cè)的合成孔徑雷達(dá)。這些快速變化的數(shù)據(jù)需求要求行業(yè)必須做出反應(yīng)。下一個(gè)十年將是各種空間能力快速發(fā)展和商業(yè)化的成熟時(shí)期。值得慶幸的是，通信技術(shù)已經(jīng)基本準(zhǔn)備好幫助推動(dòng)這一迫在眉睫的轉(zhuǎn)變。

術(shù)語(yǔ)表

新太空一種包括新的太空投資理念和一系列技術(shù)進(jìn)步的全球趨勢(shì)，促進(jìn)了相關(guān)的私營(yíng)公司迅速發(fā)展。這一趨勢(shì)將為未來(lái)十年更廣泛的太空項(xiàng)目和其發(fā)展埋下種子，并加劇太空領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)。

軟衛(wèi)星 (軟件衛(wèi)星)衛(wèi)星系統(tǒng)提供星載軟件定義處理能力，結(jié)合靈活的直接訪問(wèn)軟件無(wú)線電（DASR)，能支持多種多模式集成任務(wù)（通信、導(dǎo)航和傳感），并動(dòng)態(tài)切換工作場(chǎng)景以適應(yīng)市場(chǎng)需求。軟衛(wèi)星的工作任務(wù)和無(wú)線電接口由加載到衛(wèi)星上的主動(dòng)固件定義。雖然目前還沒有已知的在軌商用軟衛(wèi)星，但ESA計(jì)劃在2020年投入運(yùn)行OPS-SAT，這是一個(gè)成熟的軟衛(wèi)星的先驅(qū)。

直接訪問(wèn)軟件無(wú)線電 (DASR)一種智能軟件無(wú)線電，其運(yùn)行特性由算法確定。它在很大程度上不受傳統(tǒng)硬件的限制，并可以通過(guò)應(yīng)用新的代碼動(dòng)態(tài)重新配置。

3.‘?dāng)?shù)字化的世界：從邊緣到核心’, IDC ?2018

半導(dǎo)體的技術(shù)問(wèn)題對(duì)航天業(yè)務(wù)的產(chǎn)品供應(yīng)鏈的影響

除非您對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)非常了解，否則您現(xiàn)在可能還沒意識(shí)到芯片行業(yè)面臨的問(wèn)題對(duì)您未來(lái)的產(chǎn)品采購(gòu)戰(zhàn)略的影響。有以下兩個(gè)關(guān)鍵的因素：

●   在28nm的節(jié)點(diǎn)以下，CMOS工藝的最大頻率已達(dá)極限。因此，最新的節(jié)點(diǎn)根本不支持建立高級(jí)的高頻采樣系統(tǒng)。從工藝的角度看，射頻軟件化是有好處的。

●   開發(fā)下一代精細(xì)工藝的費(fèi)用和使用這種工藝制造的產(chǎn)品的成本增長(zhǎng)迅速，以至于其只能支持大用量的消費(fèi)類產(chǎn)品。精細(xì)工藝越來(lái)越遵循收益遞減規(guī)律，其不能帶來(lái)顯著的功耗改進(jìn)，也不能提高晶體管的密度。與此同時(shí)，開發(fā)和制造成本卻急劇增長(zhǎng)。

RF CMOS 的技術(shù)瓶頸

過(guò)去的20年里，軟件定義基帶無(wú)線電技術(shù)的價(jià)格一直與遵循摩爾定律的大用量核心CMOS制程的價(jià)格下降勢(shì)頭相關(guān)。每一個(gè)新節(jié)點(diǎn)的商業(yè)化帶來(lái)的迭代創(chuàng)新，極大地提升了性能，降低了功耗，并支持越來(lái)越多的應(yīng)用。多年來(lái)，這似乎是一種自然法則。然而，最近基礎(chǔ)的設(shè)備物理學(xué)的發(fā)展遇到了瓶頸，使創(chuàng)新停滯不前。

MOSFET半導(dǎo)體的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是fmax（最大頻率）。Fmax以高頻增益的形式體現(xiàn)了原始制程的性能。Fmax（圖2）是晶體管功率增益降至1時(shí)的頻率。多年來(lái)，隨著門電路尺寸的減小，fmax頻率逐漸增加。不幸的是，現(xiàn)在頻率的提升逐步減緩，甚至發(fā)生逆轉(zhuǎn)。在28nm時(shí)，fmax的峰值大約是360GHz。隨后，在14nm節(jié)點(diǎn)中，fmax暴跌至28nm時(shí)的一半，即160GHz。頻率降低的原因是復(fù)雜的。制程寄生電阻和電容的增加，逐漸成為限制性能提高的主導(dǎo)因素。另外，暴跌的閾值電壓影響動(dòng)態(tài)范圍、驅(qū)動(dòng)能力和噪聲電平。那么，當(dāng)未來(lái)的模擬電路受到如此大的阻礙時(shí)，行業(yè)將如何保持創(chuàng)新的步伐呢？在歐洲，相關(guān)的研發(fā)已將重點(diǎn)放在如下兩個(gè)方面：

●   DOTSEVEN，一個(gè)為期三年的研發(fā)項(xiàng)目，目標(biāo)是開發(fā)fmax在700GHz左右的硅鍺(SiGe)異質(zhì)雙極型晶體管(HBT)。

●   TARANTO的目標(biāo)是突破新一代BiCMOS技術(shù)發(fā)展的技術(shù)壁壘，以更高的集成度推動(dòng)異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)的性能提升。

這些項(xiàng)目的發(fā)展方向如圖2中上部的紅色軌跡所示。這其實(shí)是放棄了核心數(shù)字CMOS技術(shù)，重新開發(fā)射頻模擬電路的替代制程方法。

圖2 CMOS和SiGe制程的fmax的發(fā)展，表示門電路尺寸小于28nm時(shí)CMOS性能的突然下降(參考: 英飛凌, IEEE Radio &Wireless Week Jan. 2020, San Antonio, TX (USA)

精細(xì)SoC設(shè)計(jì)的成本增長(zhǎng)呼喚未來(lái)的替代方案

硅的設(shè)計(jì)成本增長(zhǎng)迅速。根據(jù)IBS的一項(xiàng)研究4，IC的設(shè)計(jì)成本已從65nm的2850萬(wàn)美元上升到28nm的5130萬(wàn)美元（翻了一番），而且在小于28nm時(shí)成本增長(zhǎng)得更快。在軟件無(wú)線電的設(shè)計(jì)背景下，這種經(jīng)濟(jì)方面的考慮在很大程度上是無(wú)關(guān)緊要的，因?yàn)檫@些成本已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了專業(yè)市場(chǎng)的承受能力。然而，需要強(qiáng)調(diào)的關(guān)鍵一點(diǎn)是，在建造定制系統(tǒng)時(shí)，航天產(chǎn)業(yè)通常依賴于CMOS的規(guī)模和性能收益，這些收益來(lái)自于設(shè)計(jì)ASIC，以實(shí)現(xiàn)未來(lái)的成本縮減和功率改進(jìn)。但是，越來(lái)越多的專業(yè)模擬電路要么依賴于舊的制程節(jié)點(diǎn)，要么必須采用最新的BiCMOS工藝的硅鍺(SiGe)HBT以實(shí)現(xiàn)更高的頻率器件。

因此，由于上文所述的性能挑戰(zhàn)，信號(hào)路徑的創(chuàng)新需逐步放棄定制的ASIC方案。未來(lái)的射頻信號(hào)路徑必然將從Bulk CMOS中脫離出，采用一種改進(jìn)的架構(gòu)，其中混合信號(hào)前端將與最新的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)提供的強(qiáng)大的信號(hào)處理能力相結(jié)合。使用FPGA可降低成本并提升性能。

在這樣的背景下，像Teledyne e2v這樣的創(chuàng)新公司一直致力于投資制造基礎(chǔ)設(shè)施，從而將一種新型的小型集成片上系統(tǒng)(SiP)推向市場(chǎng)。SIP注定是射頻小型化的下一階段發(fā)展的核心，并成為軟衛(wèi)星設(shè)計(jì)的主要驅(qū)動(dòng)。

圖3 PS620實(shí)驗(yàn)前端板

軟衛(wèi)星的核心技術(shù)發(fā)展

為使軟衛(wèi)星的理論成為現(xiàn)實(shí)，有哪些必要的核心技術(shù)發(fā)展？

最重要的發(fā)展圍繞可重復(fù)編程處理、信號(hào)調(diào)制和解調(diào)、協(xié)議編碼和頻率生成，包括：

1.GHz的寬帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(ADC和DAC)的可用性，其信號(hào)帶寬可達(dá)Ka波段(40GHz)，將超過(guò)傳統(tǒng)模擬RF信號(hào)鏈的性能。這些器件將與星載數(shù)字上下變頻能力和數(shù)字控制一起提高附加值。

2.支持12Gbps甚至更高數(shù)據(jù)率的超高速互聯(lián)和背板技術(shù)，包括未來(lái)的硅光子技術(shù)。

3.多通道精確時(shí)間同步，確保采樣點(diǎn)同步并保持系統(tǒng)間的信號(hào)相位。

4.新型高性能、低介電常數(shù)的有機(jī)基材提高了SiP的增益和頻譜特性。

5.宇航級(jí)或同樣可靠性的器件。

6.改進(jìn)的固態(tài)功率放大器。

以上每一項(xiàng)都對(duì)研發(fā)成熟的航天產(chǎn)業(yè)的軟衛(wèi)星有重大影響。由于篇幅所限，本文的其余部分將集中討論其中最重要的四個(gè)方面。設(shè)定K波段及更高波段的射頻軟件化的方向Teledyne e2v于2019年年中啟動(dòng)了構(gòu)建完整Ka波段采樣系統(tǒng)的基礎(chǔ)步驟的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目將一個(gè)高度線性的24GHz信號(hào)量化器（或跟蹤保持放大器THA)連接到一個(gè)全新的寬帶ADC EV12AQ600，如圖3所示。

器件的核心參數(shù)

EV12AQ600 ADC

●   四個(gè)12-bit 1.6 GSps ADC核心，支持 1、2或4通道時(shí)域交織

●   全交織模式下高達(dá)6.4 GSps的采樣率

●   6.5 GHz輸入帶寬 (-3dB)

●   集成的寬帶交叉點(diǎn)開關(guān)

●   支持多通道同步的同步鏈技術(shù)

RTH120 THA

●   24 GHz輸入帶寬

●   雙THA使輸出保持時(shí)間可超過(guò)半個(gè)采樣時(shí)鐘周期

●   全差分設(shè)計(jì)

最終的PS620原理驗(yàn)證模塊包括一個(gè)微波THA和一個(gè)四核心ADC,其每個(gè)核心支持1.5Gsps采樣率，并集成了6.5GHz模擬輸入帶寬的寬帶交叉點(diǎn)開關(guān)。這個(gè)ADC的設(shè)計(jì)可用于核心交織。利用四個(gè)核心的時(shí)域交織，可實(shí)現(xiàn)超過(guò)6Gsps的采樣率。將奈奎斯特折疊原理應(yīng)用到K波段THA并選擇合適的采樣頻率，可以預(yù)計(jì)從K波段下變頻到EV12AQ600的6GHz的基帶將產(chǎn)生良好的結(jié)果。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果在之前的白皮書里有詳細(xì)的描述5。使用該模塊進(jìn)行測(cè)試的目的是確定上述量化器的K波段(18到26.5GHz)直接轉(zhuǎn)換的有效極限。從初始的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)的測(cè)試中可以發(fā)現(xiàn)三個(gè)具體的問(wèn)題：

●   輸入信號(hào)的功率對(duì)原始THA動(dòng)態(tài)性能有很大影響

●   工廠校準(zhǔn)對(duì)ADC高奈奎斯特域交織性能的顯著影響

●   在高奈奎斯特域采樣時(shí)ADC積分非線性(INL)誤差的影響

圖4 高頻優(yōu)化交織的影響

最初的實(shí)驗(yàn)報(bào)告有一些局限性。最值得注意的是核心交織校準(zhǔn)(ILG)。初始的ILG針對(duì)基帶頻率優(yōu)化。然而，頻譜分析清楚地表明以Fc/4為中心的頻譜毛刺必然是由于每個(gè)核心的交織帶來(lái)的偏置誤差而產(chǎn)生的。不出所料，這種偏置在一系列測(cè)試頻率范圍內(nèi)都有影響。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整，F(xiàn)c/4的毛刺有了顯著的減少(圖4)。在K波段工作時(shí)，基于中心21.5GHz的校準(zhǔn)產(chǎn)生了令人鼓舞的結(jié)果，在K波段獲得了近15dB的增益。

進(jìn)一步優(yōu)化的可能性似乎有限。而另一方面，轉(zhuǎn)換器的積分非線性(INL)對(duì)三次諧波(H3)有明顯的影響。與ILG誤差一樣，在生產(chǎn)測(cè)試時(shí)，INL的校準(zhǔn)是針對(duì)基帶操作的。然而，測(cè)試工程師們期待高頻校準(zhǔn)能實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的性能提升。事實(shí)上，我們確實(shí)觀察到H3進(jìn)一步下降了3到5dB。這些綜合的結(jié)果（圖5）有助于Teledyne e2v建立其直接微波訪問(wèn)計(jì)劃。本文將介紹這一計(jì)劃。

圖5 初始PC樣機(jī)的K波段SFDR的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：校準(zhǔn)前和校準(zhǔn)后的對(duì)比

新興的微波直接訪問(wèn)產(chǎn)品路線圖

Teledyne e2v一直致力于Ka波段直接訪問(wèn)。除了PS620的直接訪問(wèn)接收路徑的原理驗(yàn)證之外，Teledyne e2v還規(guī)劃了2次進(jìn)一步迭代，如圖6所示。

在2020年，第一個(gè)原理驗(yàn)證樣機(jī)的能力得到了擴(kuò)展。第二個(gè)的樣機(jī)PS640通過(guò)時(shí)域交織一對(duì)EV12AQ600 ADC并使用新的微波采樣器，使采樣率翻倍，并具有30GHz的可用帶寬。這是超越K波段的第一步。

圖6 Teledyne e2v Ka波段軟件無(wú)線電發(fā)展路線圖

初始完整Ka波段實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的結(jié)果

圖7的SFDR圖表明第二個(gè)原型設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了令人鼓舞的結(jié)果。這表明，在10Gsps采樣時(shí)，輸入25GHz的信號(hào)，3次諧波的毛刺是-57dBFS，考慮到輸入電平，大約等效于-51dBc的SFDR。這是非常優(yōu)秀的結(jié)果。與最初的PS620采用的基于標(biāo)準(zhǔn)封裝和RF印制電路板的設(shè)計(jì)不同，PS640采用了一種全新的有機(jī)低介電的基材，并使用倒裝器件，在改善RF性能的同時(shí)減少了占用的空間。這個(gè)33mmx19mm的SiP模塊由Teledyne e2v制造，采用0.8mm的球間距互聯(lián)，包含總計(jì)799個(gè)節(jié)點(diǎn)。另一方面，這個(gè)模塊的焊球和凸起互聯(lián)都符合RoHS，以滿足未來(lái)的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)要求。這個(gè)6.3mm2的微型模塊是業(yè)內(nèi)第一款能實(shí)現(xiàn)直接Ka波段轉(zhuǎn)換的模塊。成品的照片如圖8所示。

Ka波段拼圖的最后一塊明年年底，計(jì)劃中的第三階段的初始樣片有望發(fā)布。這是一款用于量產(chǎn)的SiP。我們?yōu)槠浠ㄙM(fèi)了36個(gè)月或更長(zhǎng)的研發(fā)時(shí)間。它將包括第二代的微波采樣器。這個(gè)采樣器與下一代的ADC核心配對(duì)。Teledyne e2v表示，雖然目前還不能透露太多關(guān)于完整功能的信息，這款A(yù)DC將實(shí)現(xiàn)幾項(xiàng)重要的功能增強(qiáng)，以改善核心時(shí)域交織的性能，并提供一系列數(shù)字控制功能以簡(jiǎn)化其在軟件無(wú)線電設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。Teledyne e2v在最近的研發(fā)中放棄了平衡差分模擬信號(hào)和時(shí)鐘線，轉(zhuǎn)而使用單端信號(hào)策略。這個(gè)重要的架構(gòu)選擇，標(biāo)志著Ka波段功能應(yīng)用與之前的應(yīng)用的差異。這個(gè)決定帶來(lái)了一些重要的優(yōu)點(diǎn)。通常，宇航級(jí)認(rèn)證的器件較難獲取，而找到合適的巴倫則更加困難。此外，這些器件都很昂貴，尺寸也不小。考慮到大多數(shù)的微波源都是單端的，這是個(gè)明智的決定。Teledyne e2v的研發(fā)團(tuán)隊(duì)也在開發(fā)對(duì)應(yīng)的發(fā)射路徑解決方案。一款雙路12位電流控制的RF DAC正在研發(fā)中，支持合成Ka波段頻率產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的器件的典型寬帶輸出功率譜如圖9所示。EV12DD700將包括一系列先進(jìn)的功能，為發(fā)射端帶來(lái)巨大的靈活性，包括：

●   -3 dB 模擬帶寬為25 GHz

●   多種輸出模式，包括2RF模式，允許靈活的上變頻，合成頻率支持21GHz及更高的頻率

●   數(shù)字波束形成

●   可編程反正弦濾波器

●   快速可編程的復(fù)雜混頻器，支持高度靈活的跳頻

●   使用32位NCO的數(shù)字上變頻

●   通過(guò)同步鏈實(shí)現(xiàn)的多器件同步

圖9 2.26 GHz 多音輸出功率譜 (Fclk = 20 GSps) ，2RF 模式, 4倍插值, ASINC = ON

這款DAC的SFDR優(yōu)于-55dBc。此外，它還支持包括多模跳頻的高靈活性快速跳頻功能（通過(guò)集成的RTZ、連續(xù)和相干模式）。與Teledyne e2v早期的DAC方案相同，該產(chǎn)品具有多種輸出編碼模式，可根據(jù)所需的頻譜合成信號(hào)帶寬修改輸出的功率特性。2RF模式的輸出功率峰值跨越了Ka波段（如圖10中的綠色虛線所示）。

圖10 未來(lái)的雙通道DAC EV12DD700的三種輸出特性模擬

管理高速數(shù)據(jù)當(dāng)使用現(xiàn)代的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時(shí)，管理高速串行數(shù)據(jù)流是一個(gè)挑戰(zhàn)。Teledyne e2v的產(chǎn)品采用一種名為ESIstream(高效串行接口)的開源12Gbps鏈接技術(shù)。這種串行協(xié)議的設(shè)計(jì)開銷很小，并可為一系列的FPGA(如Xilinx Kintex Ultrascale和Virtex 7, Intel Arria 10)提供簡(jiǎn)單的無(wú)需許可證的IP。ESIstream協(xié)議提供了87.5%的數(shù)據(jù)效率，其基于一個(gè)使用線性反饋移位寄存器(LFSR)擾頻器的14b/16b編碼器。我們?cè)黾恿?個(gè)差異校驗(yàn)位確保直流平衡傳輸，和額外的切換位使能同步監(jiān)視。鏈路通過(guò)使用獨(dú)立的同步信號(hào)(SYNC)和簡(jiǎn)單的接收端SYNC觸發(fā)計(jì)數(shù)器，支持多器件同步和確定性延遲（圖11）。計(jì)數(shù)器在用戶定義的時(shí)間從ESIstream接收IP的輸出緩沖釋放數(shù)據(jù)，以確保確定的鏈路延遲。

圖11 ESIstream協(xié)議支持的單個(gè)ADC確定性延遲的原理

關(guān)鍵時(shí)序和采樣同步問(wèn)題今天，許多無(wú)線電應(yīng)用都使用波束形成來(lái)提高系統(tǒng)性能。波束形成利用信號(hào)干擾對(duì)信號(hào)功率進(jìn)行空間定向。這種系統(tǒng)需要同步采樣，即所有通道都在同一時(shí)刻精確采樣。這樣，信號(hào)空間（或相位）信息可在天線陣列中得以保持。盡管存在一些不利因素，如復(fù)雜度增加，但這種設(shè)計(jì)仍有一些可取的優(yōu)點(diǎn)：

●   更高的通道信噪比(SNR)可提高無(wú)線電鏈路的余量，從而增加信號(hào)范圍(或降低所需的發(fā)射功率）

●   由于干擾能量來(lái)自特定的方向，波束形成算法可使用信號(hào)歸零來(lái)限制或減少干擾然而，工作在GHz頻率，無(wú)論是在IC器件或是板級(jí)，信號(hào)的傳遞時(shí)間都是重要的因素。印制電路板(PCB)的走線行為類似于傳輸線，信號(hào)走線的長(zhǎng)度是否匹配對(duì)保持相位信息至關(guān)重要。與166ps的時(shí)鐘周期相比（對(duì)于6GHz的時(shí)鐘），1厘米的走線長(zhǎng)度將增加60至75ps的信號(hào)傳輸時(shí)間。因此，板子走線會(huì)顯著影響設(shè)計(jì)，這也是為什么印制電路板的布線是微波系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否成功的一個(gè)關(guān)鍵要素。此外，我們還需考慮另一個(gè)數(shù)字域的重要的因素。亞穩(wěn)態(tài)是數(shù)字系統(tǒng)中的一種不確定的狀態(tài)。隨著時(shí)鐘頻率的增加，出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)事件干擾系統(tǒng)時(shí)序的可能性越來(lái)越大。使用適當(dāng)?shù)耐讲呗钥梢詫?duì)抗亞穩(wěn)態(tài)的影響，即Teledyne e2v使用的同步鏈功能。一般來(lái)說(shuō)，很難通過(guò)其他方法保證亞穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)下的確定性操作。JEDEC JESD204B sub-class 1的方法難以正常工作，給設(shè)計(jì)師們留下了糟糕的印象。Teledyne e2v提供了一種健壯的、適應(yīng)力強(qiáng)的同步方案——使用同步信號(hào)為每個(gè)器件重新對(duì)齊主時(shí)鐘。確定性同步是通過(guò)一對(duì)事件驅(qū)動(dòng)的差分電信號(hào)實(shí)現(xiàn)的，即同步和同步輸出(SYNC和SYNCO)。在它們之間，這些信號(hào)確保目標(biāo)器件的時(shí)序重置，所有數(shù)字子系統(tǒng)都正確鎖定到這個(gè)主參考時(shí)鐘。此外，同步還可以擴(kuò)展到大型多通道系統(tǒng)中的多個(gè)設(shè)備。

同步鏈的優(yōu)點(diǎn)有：

●   相對(duì)簡(jiǎn)單——無(wú)需額外的時(shí)鐘，而在系統(tǒng)的生命周期內(nèi)多個(gè)并行通道的同步是有保證的

●   只需訓(xùn)練一次，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步

●   即使環(huán)境條件（如P, V或T)變化，時(shí)序參數(shù)保持不變同步鏈提供了一個(gè)穩(wěn)定的跨系統(tǒng)同步源。新型高性能封裝和互聯(lián)方法封裝技術(shù)是微波系統(tǒng)設(shè)計(jì)的“魔法”之一。對(duì)于任何半導(dǎo)體，封裝提供了健壯的機(jī)械特性。它使半導(dǎo)體裸片和鄰近的環(huán)境隔離，有利于散熱，在多數(shù)情況下，支持復(fù)雜設(shè)計(jì)中大量的互聯(lián)節(jié)點(diǎn)。

圖12 封裝管腳和IC連接的集總模型

對(duì)于微波IC而言，實(shí)現(xiàn)最佳的性能還有一個(gè)關(guān)鍵的要素，這個(gè)要素與封裝的寄生效應(yīng)有關(guān)。寄生效應(yīng)是由封裝產(chǎn)生的非理想化的電路元器件，和每個(gè)封裝的材料特性有關(guān)。在微波頻率下，典型的明顯寄生效應(yīng)包括管腳和裸片的引線特性，以及印制電路板和封裝連接處的材料不連續(xù)性。當(dāng)檢查IC連接時(shí)，通常使用圖12所示的集總模型簡(jiǎn)化互聯(lián)的電氣特性。這張圖說(shuō)明了寄生效應(yīng)引起的不同阻抗，并強(qiáng)調(diào)了隨著頻率的提高進(jìn)行阻抗匹配的必要性。因此，封裝的材料的選擇起著關(guān)鍵的作用。傳統(tǒng)上，許多微波IC使用LTCC(低溫共燒陶瓷)作為基板的材料。而在Ka波段，則需要使用更快的有機(jī)基板。

圖13 陶瓷（左側(cè)）和有機(jī)（右側(cè)）基板的頻率特性

表明使用有機(jī)材料的必要性產(chǎn)品開發(fā)流程包括詳細(xì)的封裝帶狀線設(shè)計(jì)的有限元分析。高頻結(jié)構(gòu)模擬（HFSS)模擬電路板-封裝-硅片接口的電磁特性，優(yōu)化器件的電性能。在這個(gè)分析中，可以看到曲線由PCB（左下），到焊球(PCB和封裝的接口），再到IC基材，最后通過(guò)凸起（即封裝和倒裝IC的接口）到硅片。接著，針對(duì)高達(dá)65GHz的頻率的HF信號(hào)連接器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)特性的驗(yàn)證。

展望分布式軟件無(wú)線電設(shè)計(jì)的未來(lái)

從前面討論的技術(shù)瓶頸可以看出引入新的架構(gòu)的必要性。今天，最先進(jìn)的Ka波段直接訪問(wèn)量化器體現(xiàn)了當(dāng)前設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，如圖14所示。圖中，射頻數(shù)據(jù)采集器件和FPGA的信號(hào)處理配合工作。每個(gè)器件都針對(duì)獨(dú)立的任務(wù)選擇了最優(yōu)的制程工藝?？梢钥闯?，由此產(chǎn)生的密集型SiP，推動(dòng)了小型化的發(fā)展，并降低了成本，減小了器件封裝。

即將到來(lái)的硅光子技術(shù)預(yù)示著一種增強(qiáng)的設(shè)計(jì)范式，將適合一種更基本的、系統(tǒng)兼容的用于衛(wèi)星無(wú)線電架構(gòu)的數(shù)字方法。 光學(xué)互聯(lián)系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)由光學(xué)網(wǎng)絡(luò)工作論壇6的工作標(biāo)準(zhǔn)化，已經(jīng)建立了一項(xiàng)涵蓋6Gbps到56Gbps的串行。

圖14 模塊化Ka波段量化器和右側(cè)的Teledyne e2v的射頻前端SiP方案的例子

您準(zhǔn)備好迎接軟衛(wèi)星了嗎？

本文介紹了軟衛(wèi)星。軟衛(wèi)星是通用軟件定義的宇航平臺(tái)，代表著在未來(lái)十年從單一任務(wù)、高成本的傳統(tǒng)衛(wèi)星向本質(zhì)上更復(fù)雜的應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。推動(dòng)這一轉(zhuǎn)變的是前沿?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和信號(hào)處理半導(dǎo)體的出現(xiàn)。

互聯(lián)的實(shí)施協(xié)議。這將允許實(shí)現(xiàn)一種全分布式的未來(lái)無(wú)線電架構(gòu)（圖15），其中超寬帶數(shù)字轉(zhuǎn)換器與天線位于同一位置，并利用光纖將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胩幚韱卧?。這一舉措不僅簡(jiǎn)化了復(fù)雜的波束形成算法，還帶來(lái)了額外的設(shè)計(jì)自由度并減輕了重量。此外，一些令人煩惱的電子問(wèn)題，如信號(hào)失真、噪聲和串?dāng)_，都將得以改進(jìn)。

圖15 未來(lái)的分布式架構(gòu)利用硅光子技術(shù)減輕重量并提高架構(gòu)的靈活性

軟衛(wèi)星將用于物理層接口的軟件無(wú)線電和多任務(wù)OTA可重新配置的載荷結(jié)合起來(lái)?？紤]到目前的市場(chǎng)力量，這種轉(zhuǎn)變是非常顯然的。幸運(yùn)的是，這種需求得到了新興的商業(yè)和技術(shù)上可行的直接訪問(wèn)Ka波段軟件無(wú)線電的支持，其核心技術(shù)是新型的寬帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。

綜上所述，Teledyne e2v制定了涵蓋接收端和發(fā)射端的戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃。在未來(lái)的一年至18個(gè)月的時(shí)間里，這項(xiàng)工作的成果將會(huì)顯現(xiàn)。同時(shí)，Teledyne e2v已經(jīng)提供了最先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)演示，為其計(jì)劃的商業(yè)和技術(shù)可行性提供了可靠的證明。幫助實(shí)現(xiàn)軟衛(wèi)星的研究需要行業(yè)內(nèi)的眾多努力。

令作者感到鼓舞的是，今天，軟衛(wèi)星概念的許多要素正在進(jìn)行任務(wù)測(cè)試。其中一個(gè)值得注意的項(xiàng)目是歐洲航天局于2019年12月發(fā)射的OPS-SAT衛(wèi)星。其他并行的行業(yè)發(fā)展為軟衛(wèi)星的清晰愿景添加了實(shí)質(zhì)性的內(nèi)容，這也提出了對(duì)更高性能數(shù)字處理的要求。值得慶幸的是，處理器正在快速地發(fā)展，以幫助解決具有挑戰(zhàn)性的地面設(shè)備的問(wèn)題，例如隨著人工智能(AI)的快速發(fā)展，自動(dòng)駕駛解決方案的開發(fā)者面臨的關(guān)鍵圖像識(shí)別和傳感器數(shù)據(jù)融合的挑戰(zhàn)。

軟衛(wèi)星的另一個(gè)要素的發(fā)展則更為順利。固態(tài)放大器技術(shù)的發(fā)展提高了效率并降低了SWaP(尺寸、重量和功耗）。包括Advantech和Tesat在內(nèi)的幾家公司正在開發(fā)這些解決方案，并轉(zhuǎn)向新的氮化鎵（GaN）器件。太空項(xiàng)目依然充滿風(fēng)險(xiǎn)，然而創(chuàng)新的機(jī)會(huì)正在迅速增長(zhǎng)。因此，現(xiàn)在是評(píng)估RF軟件化技術(shù)和軟衛(wèi)星概念將如何重塑您的開發(fā)計(jì)劃的好時(shí)機(jī)。當(dāng)今，真正的風(fēng)險(xiǎn)是，行動(dòng)緩慢的企業(yè)將被動(dòng)作迅速的企業(yè)超越。軟衛(wèi)星范式的早期應(yīng)用者很有可能享受相當(dāng)大的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)在是采用直接訪問(wèn)Ka波段技術(shù)的時(shí)候了。

通往軟衛(wèi)星之路的在軌應(yīng)用

ESA的OPS-SAT是一顆7kg的3U立方體衛(wèi)星。它的軌道高度為515km，被稱為“太空軟件實(shí)驗(yàn)室”，使用軟件定義無(wú)線電和雙核ARM cortex A9。這顆衛(wèi)星的設(shè)計(jì)者表示，它將用于革命性的控制系統(tǒng)和軟件的在軌演示，因?yàn)樵诔墒斓男l(wèi)星上驗(yàn)證的風(fēng)險(xiǎn)太大。超過(guò)100家歐洲公司和機(jī)構(gòu)簽署了該平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目計(jì)劃。