مع نمو احتياجات الاتصال العالمية ، فإن العديد من أنظمة الاتصالات الساتلية (ساتكوم) تعتمد بشكل متزايد النطاق Ka ، وكذلك متطلبات معدل البيانات. اليوم ، يمكن لسلاسل الإشارات عالية الأداء دعم النطاق الترددي الفوري متعدد جيجابت ، وقد يكون هناك المئات أو الآلاف من أجهزة الإرسال والاستقبال في النظام ، مما يجعل معدلات البيانات فائقة الإنتاجية حقيقة واقعة.
بالإضافة إلى ذلك ، بدأت العديد من الأنظمة في الانتقال من الهوائيات المكافئة الثابتة الموضوعة ميكانيكيًا إلى الهوائيات ذات الصفيف المرحلي النشط. مدفوعًا بالتكنولوجيا المحسنة والتكامل الأعلى ، تم تقليل حجم المكون بشكل كبير لتلبية احتياجات النطاق Ka. تعمل تقنية الصفيف المرحلي أيضًا على تحسين أداء تقليل التداخل من خلال إنشاء قيم خالية في مخطط الهوائي على طول اتجاه إشارة التداخل.
فيما يلي وصف موجز لبعض خيارات المقايضة الموجودة في بنيات جهاز الإرسال والاستقبال الحالية وقابلية تطبيق أنواع مختلفة من البنى في أنواع مختلفة من الأنظمة. سيحلل هذا التحليل بعض المواصفات الفنية الرئيسية لنظام القمر الصناعي وكيفية اشتقاق المواصفات لكل مكون من مكونات طبقة سلسلة إشارة جهاز الإرسال والاستقبال من هذه المواصفات على مستوى النظام.
قم بتفصيل المواصفات الفنية من تحليل مستوى النظام
من منظور كلي ، تحتاج أنظمة الاتصالات الساتلية إلى الحفاظ على نسبة معينة من الموجة الحاملة إلى الضوضاء (CNR) ، والتي تنتج عن حسابات موازنة الارتباط. يمكن أن يضمن الحفاظ على معدل CNR معدل خطأ بت معين (BER). تعتمد نسبة CNR المطلوبة على عوامل مختلفة مثل تصحيح الخطأ وتشفير المعلومات وعرض النطاق ونوع التشكيل. بعد تحديد متطلبات CNR ، يمكن تحليل المواصفات الفنية لكل جهاز استقبال وجهاز إرسال وفقًا لمتطلبات النظام عالية المستوى. نموذجياً ، يتم الحصول أولاً على رقم الكسب إلى درجة حرارة ضوضاء النظام (G / T) الخاص بجدارة جهاز الإرسال والاستقبال والقدرة المشعة المتناحية الفعالة (EIRP) للمرسل.
بالنسبة للمستقبل ، لاشتقاق مواصفات سلسلة إشارة المستقبل منخفضة المستوى من G / T ، يحتاج مصمم النظام إلى معرفة كسب الهوائي ودرجة حرارة ضوضاء النظام ، وهي دالة لتوجيه الهوائي ودرجة حرارة ضوضاء المستقبل ، كما هو موضح في المعادلة 1. بناءً على ذلك ، يمكن الحصول على درجة حرارة جهاز الاستقبال باستخدام المعادلة 2.
يمكن بعد ذلك حساب رقم ضوضاء سلسلة إشارة المستقبل باستخدام المعادلة 3:
بمجرد معرفة رقم ضوضاء المستقبِل ، يمكن إجراء تحليل تسلسلي للتأكد من أن سلسلة الإشارة تفي بهذه المواصفات الضرورية وأن التعديلات مطلوبة.
بالنسبة لجهاز الاستقبال ، حدد أولاً EIRP المطلوب بناءً على مسافة المستقبل (من الأرض إلى القمر الصناعي أو المسافة من القمر الصناعي إلى الأرض) وحساسية جهاز الاستقبال. بمجرد معرفة متطلبات EIRP ، يجب إجراء مفاضلة بين قدرة خرج سلسلة إشارة الإرسال وكسب الهوائي. بالنسبة للهوائيات عالية الكسب ، يمكن تقليل استهلاك الطاقة وحجم جهاز الإرسال ، ولكن على حساب زيادة حجم الهوائي. يتم حساب EIRP بواسطة المعادلة 4.
من خلال الاختيار الدقيق للمكونات المستخدمة في سلسلة الإشارة ، يمكن الحفاظ على طاقة الخرج دون إضعاف المعلمات المهمة الأخرى ، مثل ضوضاء الخرج وطاقة التردد اللاسلكي خارج النطاق التي تتداخل مع الأنظمة الأخرى.
تشمل المواصفات الفنية الهامة الأخرى لجهاز الإرسال والاستقبال ما يلي:
عرض النطاق الترددي اللحظي: عرض النطاق الترددي الطيفي الذي يمكن لسلسلة الإشارة تحويله إلى صيغة رقمية في أي وقت
معالجة الطاقة: أقصى قوة إشارة يمكن لسلسلة الإشارة التعامل معها دون تدهور الأداء
اتساق الطور بين القنوات: بالنسبة لأنظمة تشكيل الحزم الناشئة ، فإن ضمان إمكانية التنبؤ بالطور بين القنوات يبسط معالجة إشارة تكوين الحزمة ومعايرتها
الأداء الهامشي: التأكد من أن أجهزة الاستقبال والمرسلات لا تولد طاقة RF بترددات غير مرغوبة يمكن أن تؤثر على أداء هذا النظام أو الأنظمة الأخرى
الشكل 1. مقارنة البنية: (أ) IF (TRx المتكامل) ، (ب) معمارية التحويل المزدوج الفائق (مع GSPS ADC)
(ج) بنية متغايرة أحادية التحويل (مع GSPS ADC) ، (د) التحويل المباشر (باستخدام خالط I / Q)
من المهم وضع هذه المواصفات وغيرها في الاعتبار أثناء تصميم سلسلة الإشارة للتأكد من أن نظامًا عالي الأداء مصمم لتلبية احتياجات أي تطبيق معين ، سواء كان محور تجميع متعدد النطاق عريض النطاق أو واحد محطة اتصالات الأقمار الصناعية المحمولة ذات النطاق الضيق.
مقارنة العمارة المشتركة
بمجرد تحديد المواصفات الفنية عالية المستوى ، يمكن اتخاذ القرار بشأن بنية سلسلة الإشارة المراد استخدامها. يعد النطاق الترددي الفوري أحد المواصفات الرئيسية المذكورة سابقًا والتي يمكن أن يكون لها تأثير كبير على البنية. تؤثر هذه المواصفات على المحول التناظري إلى الرقمي الخاص بجهاز الاستقبال (ADC) والمحول الرقمي إلى التناظري الخاص بجهاز الإرسال (DAC). من أجل تحقيق عرض النطاق الترددي الفوري العالي ، يجب أخذ عينات من محولات البيانات بمعدل أعلى ، مما يؤدي عمومًا إلى زيادة استهلاك الطاقة لسلسلة الإشارة بأكملها ، ولكنه يقلل من استهلاك الطاقة عند النظر إليها من حيث طاقة الوحدة (W / GHz).
بالنسبة للأنظمة ذات عرض النطاق الترددي الأقل من 100 ميجا هرتز ، يفضل في كثير من الحالات بنية تحتية مماثلة للشكل 1 أ. تجمع هذه البنية بين مرحلة التحويل السفلي القياسي وشريحة جهاز الإرسال والاستقبال ذات التحويل المباشر المتكاملة. يتيح جهاز الإرسال والاستقبال المدمج مستوى عالٍ جدًا من التكامل ، مما ينتج عنه حجم كبير وتقليل للطاقة.
لتحقيق عرض نطاق ترددي يبلغ 1.5 جيجاهرتز ، يمكن دمج بنية متجانسة كلاسيكية مزدوجة التحويل مع تقنية ADC الحديثة ؛ كما هو موضح في الشكل 1 ب. هذه معمارية عالية الأداء مثبتة ومرحلة تحويل تردد متكامل لتصفية الإشارات الهامشية غير المطلوبة. استنادًا إلى نطاق التردد المستلم ، تقوم مرحلة التحويل النازل بتحويل الإشارة المستقبلة إلى تردد وسيط (IF) ، ثم تقوم مرحلة أخرى بتحويل إشارة خفض التردد إلى إشارة تردد منخفضة يمكن لـ ADC تحويلها إلى إشارات رقمية. كلما انخفض مؤشر IF النهائي ، ارتفع أداء ADC ، ولكن على حساب متطلبات التصفية المتزايدة. بشكل عام ، تعد هذه البنية هي الأكبر والأكثر جوعًا للطاقة من بين الخيارات الأربعة المقدمة في هذه المقالة ، نظرًا لزيادة عدد المكونات.
يظهر خيار مشابه في الشكل 1 ج ، حيث يتم استخدام مرحلة تحويل واحد لتحويل الإشارة إلى تردد وسيط ، والذي يتم أخذ عينات منه بعد ذلك بواسطة GSPS ADC. تستفيد هذه البنية من المزيد من عرض النطاق الترددي للتردد اللاسلكي الذي يمكن لـ ADC تحويله إلى رقمية مع انخفاض ضئيل في الأداء. يمكن لأحدث GSPS ADCs في السوق أخذ عينات مباشرة من ترددات RF حتى 9 جيجا هرتز. في هذا الخيار ، يتركز IF بين 4 جيجاهرتز و 5 جيجاهرتز ، مما يوفر أفضل توازن بين متطلبات تصفية سلسلة الإشارة ومتطلبات ADC.
يظهر الخيار الأخير في الشكل 1 د. إن الزيادة اللحظية في عرض النطاق لهذه البنية أكبر ، ولكن على حساب التعقيد وإمكانية تدهور الأداء. هذه هي بنية التحويل المباشر باستخدام خالط I / Q السلبي الذي ينتج اثنين من IFs في النطاق الأساسي التي يتم تعويضها بمقدار 90 درجة عن بعضها البعض. يتم بعد ذلك ترقيم كل مسار I و Q باستخدام GSPS ADC ثنائي القناة. في هذه الحالة ، يمكن الحصول على عرض نطاق فوري يصل إلى 3 غيغاهرتز. يتمثل التحدي الرئيسي في هذا الخيار في الحفاظ على توازن التربيع بين المسارين I و Q حيث تنتشر الإشارة عبر الخلاط ومرشح التمرير المنخفض ومحرك ADC. اعتمادًا على متطلبات CNR المحددة ، قد يكون هذا الحل الوسط مقبولًا.
يقدم ما ورد أعلاه نظرة عامة موجزة عن كيفية عمل بنيات المستقبل هذه على المستوى الكلي. القائمة ليست شاملة ، ويمكن استخدام العديد من الخيارات معًا. على الرغم من أن المقارنة لا تشمل سلسلة إشارة الإرسال ، فإن كل خيار في الشكل 1 له سلسلة إشارة إرسال مقابلة مع مقايضات مماثلة.
مثال على مستقبل اتصالات القمر الصناعي Ka-band
بعد أن ناقشنا مزايا وعيوب البنى المختلفة ، يمكننا الآن تطبيق هذه المعرفة على مثال على سلسلة إشارات في العالم الحقيقي. حاليًا ، تعمل العديد من أنظمة الاتصالات الساتلية في النطاق Ka لتقليل حجم الهوائي وزيادة معدلات البيانات. هذا مهم بشكل خاص في أنظمة الأقمار الصناعية عالية الإنتاجية. فيما يلي أمثلة على البنى المختلفة التي سنقارنها بمزيد من التفصيل.
بالنسبة للأنظمة التي تتطلب عرض نطاق فوري أقل من 100 ميجاهرتز ، مثل المطاريف ذات الفتحة الصغيرة جدًا (VSAT) ، يمكن استخدام معمارية IF (AD9371) مع شريحة جهاز إرسال واستقبال متكاملة ، كما هو موضح في الشكل 2. يحقق التصميم نسبة ضوضاء منخفضة ، وبسبب مستوى تكامله العالي ، فإن حجم تصميمه ضئيل للغاية. يتم الآن تلخيص أدائها في الجدول 1.
الشكل 2. IF (TRx المتكامل) ، يصل عرض النطاق الترددي إلى 100 MHz
كمحاور للعديد من المستخدمين لأنظمة الاتصالات الساتلية ، قد تضطر هذه الأنظمة إلى معالجة إشارات حاملة متعددة في وقت واحد. في هذه الحالة ، يصبح عرض النطاق الترددي / عرض النطاق الترددي / القدرة لكل جهاز استقبال مهمًا للغاية. تستخدم سلسلة الإشارة الموضحة في الشكل 3 ADC عالي السرعة ، AD9208 ، وهو ADC عالي السرعة تم إصداره مؤخرًا يمكنه رقمنة عرض النطاق الترددي اللحظي حتى 1.5 جيجا هرتز. في هذا المثال ، يتم وضع IF عند 4.5 جيجاهرتز من أجل تحقيق عرض نطاق فوري قدره 1 جيجاهرتز. يعتمد عرض النطاق الترددي الذي يمكن تحقيقه هنا على متطلبات الترشيح لمرشح منع التشويش الموضوع قبل ADC ، ولكنه يقتصر عمومًا على حوالي 75٪ من منطقة Nyquist (نصف معدل أخذ العينات).
الشكل 3. تحويل فردي إلى IF باستخدام GSPS ADC
في الأنظمة التي تتطلب أعلى عرض نطاق ترددي لحظي ، ربما على حساب CNR ، يمكن استخدام سلسلة الإشارة الموضحة في الشكل 4. تستخدم سلسلة الإشارة جهاز مزج I / Q ، HMC8191HMC8191 ، الذي يحتوي على رفض للصورة يبلغ ~ 25 ديسيبل. في هذه الحالة ، يكون أداء رفض الصورة مقيدًا بسعة الاتساع وتوازن الطور بين قناتي الإخراج I و Q. هذا هو العامل المحدد لسلسلة الإشارة هذه دون استخدام تقنيات تصحيح الخطأ التربيعي الأكثر تقدمًا (QEC). يتم تلخيص أداء سلسلة الإشارة هذه في الجدول 1. من المهم ملاحظة أن أداء NF و IP3 مشابه للخيارات الأخرى ، لكن مقياس الطاقة / جيجاهرتز هو الأدنى من الثلاثة ، وهو أيضًا أفضل حجم من حيث مقدار النطاق الترددي المتاح في أي وقت.
الشكل 4. التحويل المباشر باستخدام خالط I / Q و GSPS ADC.
يتم عرض خيارات الاستقبال الثلاثة المعروضة هنا في الجدول أدناه ، ولكن تجدر الإشارة إلى أن هذا الجدول لا يسرد جميع الخيارات الممكنة. يهدف الملخص هنا إلى توضيح الاختلافات بين خيارات سلسلة الإشارات المختلفة. في أي نظام معين ، قد تكون سلسلة الإشارة المثلى النهائية إما أحد الخيارات الثلاثة ، أو مجموعة من أي من الخيارات.
أيضًا ، على الرغم من أن الجدول يعرض جانب المستقبِل فقط ، إلا أن هناك مقايضات مماثلة في سلسلة إشارة جهاز الإرسال. عادة ، عندما ينتقل نظام من المتغاير الفائق إلى بنية التحويل المباشر ، يكون هناك مفاضلة بين النطاق الترددي والأداء.
واجهة البيانات
بعد أن يتم رقمنة البيانات بواسطة ADC أو جهاز الإرسال والاستقبال ، يجب تسليمها إلى النظام للمعالجة من خلال الواجهة الرقمية. تستخدم جميع محولات البيانات المذكورة هنا معيار JESD204b عالي السرعة لتلقي إشارات من محولات البيانات ، وتجميعها في إطارات ، ونقلها عبر عدد صغير من الآثار. يختلف معدل بيانات الشريحة اعتمادًا على متطلبات النظام ، ولكن جميع الأجهزة المذكورة هنا لها وظائف رقمية للتدمير وتحويل التردد ، ويمكن أن تتكيف مع معدلات البيانات المختلفة لتلبية متطلبات النظام المختلفة. تدعم هذه المواصفات ما يصل إلى 12.5 GSPS على حارة JESD204b ، والتي يتم استغلالها بواسطة أنظمة النطاق الترددي العالي التي تنقل كميات كبيرة من البيانات. ارجع إلى أوراق البيانات AD9208 و AD9371 للحصول على وصف تفصيلي لهذه الواجهات. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يأخذ اختيار FPGA هذه الواجهة في الاعتبار. أصبح لدى العديد من FPGAs من البائعين مثل Xilinx® و Altera® المعيار المدمج في أجهزتهم ، مما يسهل التكامل مع محولات البيانات هذه.
ختاماً
توضح هذه المقالة بالتفصيل المفاضلات المختلفة وتعطي بعض الأمثلة على سلاسل الإشارات المناسبة لأنظمة الاتصالات الساتلية ذات النطاق الترددي Ka. تم أيضًا وصف العديد من الخيارات المعمارية ، بما في ذلك خيار التحويل الفردي IF باستخدام جهاز الإرسال والاستقبال المتكامل AD9371 ، وهي بنية مماثلة تحل محل جهاز الإرسال والاستقبال المدمج مع GSPS ADC لزيادة عرض النطاق الترددي اللحظي ، ونهج مباشر يزيد عرض النطاق الترددي ولكنه يقلل من أداء رفض الصورة. هندسة تحويل التردد. على الرغم من أنه يمكن استخدام سلسلة الإشارة المقدمة خارج الصندوق ، إلا أنه يوصى بالتصميم بناءً عليها. اعتمادًا على التطبيق المحدد على مستوى النظام ، ستظهر متطلبات مختلفة ، وسيصبح اختيار سلسلة الإشارة أكثر وضوحًا مع تقدم أعمال التصميم.
دارة مرجعية
Bosworth و Duncan و Wyatt Taylor. “مطالب النطاق الترددي تضع ضغوطًا جديدة على تصميم اتصالات الأقمار الصناعية”. Analog Devices، Inc.، 2016.
ديلوس ، بيتر. “نظرة عامة على خيارات بنية مستقبل النطاق العريض.” Analog Devices، Inc.، 2017.
Hall، Brad and Wyatt Taylor. “Small Form Factor Satellite Communications Solutions.” Analog Devices، Inc.، 2017.
أنظمة اتصالات الأقمار الصناعية – الإصدار الخامس. وست ساسكس: جون وايلي وأولاده ، 2009.