【導讀】衛星通信(satcom)是一種成熟的語音、視頻和數據傳輸方式，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
、數據的有效手段，同時也用於成像和科學應用。承諾提供高速互聯網連接的新一波計劃已經圍繞LEO衛星星座展開，它將為下一代互聯網通信提供低延遲、高容量的寬帶連接。

LEO連接——通向成功之路

在持續部署5G蜂窩網絡方麵，LEO衛星發揮著重要作用。衛星網絡越來越多地參與到3GPP標準化中，其在未來網絡中的預期作用早就在研發當中。2017年，3GPP標準機構啟動相關活動，以了解衛星通信網絡在5G連接中的可行性。通過3GPP標準第15、16
、17和18版的發布，已有多種活動來支持衛星網絡的集成。LEO衛星可以為服務欠缺的地區提供大範圍覆蓋，可以為移動中的人們提供連續服務
，可以連接到機器到機器(M2M)/物聯網(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係統將在距離地球表麵500公裏到2000公gong裏li的de軌gui道dao上shang運yun行xing，實shi現xian比bi過guo去qu的de衛wei星xing網wang絡luo更geng具ju技ji術shu優you勢shi的de解jie決jue方fang案an。如ru此ci接jie近jin地di球qiu意yi味wei著zhe它ta們men將jiang能neng提ti供gong更geng低di延yan遲chi的de連lian接jie
，這zhe對dui於yu消xiao費fei類lei或huo商shang業ye使shi用yong場chang景jing（如互聯網遊戲或實時控製工業/醫療設備）非常重要。LEO衛星的延遲約為50ms（下一代技術會將此延遲改善到20ms以下），而GEO則為700ms。

LEOweixingdeyigeguanjiantuidongyinsushi
，youyuguidaojiaodi
，qifushebaoluliangyaodideduo。zhehenzhongyao，yinweizheyiweizhekeyifangkuanangguiqieyoushilingrenwangerquebudekangfusheceshiyaoqiu。youcijiangchanshengguimojingjixing，xianzaijianzaoLEO衛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。

鑒於軌道較低，預計部署的衛星數量會多很多。此類衛星的平均壽命將比以前的類似衛星短得多。也許經過5到8年，這些衛星就會脫離軌道並需要替換。LEO衛星必須具有成本效益才能支撐衛星和替代衛星的發射。

隨著LEO寬帶連接業務開始變得強大，所有這些趨勢引起了行業監管機構的注意。回憶1990年nian代dai

，這zhe種zhong互hu聯lian網wang業ye務wu是shi多duo家jia公gong司si的de目mu標biao
，但dan遺yi憾han的de是shi，由you於yu部bu署shu成cheng本ben高gao且qie需xu求qiu有you限xian
，它ta以yi失shi敗bai告gao終zhong。快kuai進jin到dao今jin天tian
，半ban導dao體ti技ji術shu有you了le長chang足zu進jin步bu，能neng夠gou提ti供gong不bu同tong以yi往wang的de性xing能neng和he集ji成cheng度du。再zai加jia上shang相xiang對dui偏pian遠yuan或huo服fu務wu欠qian缺que的de地di方fang對dui高gao速su、低延遲互聯網連接的需求急劇增長
，以及衛星通信與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100Mbps的最大下行數據速度，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麵臨的一個挑戰是衛星始終在不斷移動

，星座隻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衛星的軌道較低，因而數量巨大。但即便如此，這似乎也並未阻擋其現在的成功

，而且投資者對無處不在的覆蓋的商業前景十分看好。

LEO衛星係統如何工作？

LEO衛星通信係統主要由三部分組成，如圖1所示。

圖1.LEO衛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星之間的直接聯係手段，往往成本低、易於設置且位於家中，但也可以是移動終端，如海事衛星通信、移動中的衛星通信、戰術單人無線電等。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
，並保持較小的外形尺寸。

地麵站/網關

這些是連接到服務器（用於互聯網連接的數據中心）的地麵連接，通常通過光纖連接。它們將衛星連接到地麵，部署於地球上的固定位置。

衛星

衛星群被稱為星座
，在軌道上繞著地球運轉
，提供同時連接終端和網關的鏈路。

LEO衛星在太空中移動，通常一顆衛星環繞地球一圈的時間在90分鍾到110分鍾之間
，這稱為軌道周期。因此，連接到衛星的用戶處於該衛星的範圍內的時間很短（最多20分鍾）。putongyonghuzaizhengchangyunxingqijianhuilianjiedaoduokeweixing。jingguoyidingshijianhou，xitongbixujiangyonghuyijiaogeijinrufanweineideqitaweixing，cifangshileisiyuzaixingshideqichezhongshiyongshoujideren，fengwowangluozhongdeyigejizhanjiangyonghuyijiaogeilingyigejizhan。zheduiruhekongzhiboshuyibaochiyuzuiheshiweixingdezuijialianjietichuleyangeyaoqiu。

另一個有趣的演變是衛星係統在超出地麵站的範圍時如何維持運行。圖1zhanshileyixiekenengyingxiangtongxiangdimianzhandelianlusududebulitianqizhuangkuang。chuantongshang，weixingshiyongwanguanjishu，yejiushiweixingbixushizhongzhaodaoyitiaotongwangdiqiuhuoqitawuti（如飛機）的de鏈lian路lu
，將jiang其qi作zuo為wei跳tiao板ban來lai連lian接jie太tai空kong中zhong的de另ling一yi顆ke衛wei星xing，後hou者zhe當dang時shi可ke能neng處chu在zai地di麵mian站zhan的de範fan圍wei內nei。一yi項xiang新xin技ji術shu是shi通tong過guo衛wei星xing間jian鏈lian路lu
，在zai太tai空kong中zhong使shi用yong光guang學xue或huoV/E頻段連接來鏈接衛星。

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利用矽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，以實現尺寸非常小的無線電終端
，同時保持非常低的功耗
，並嚴格遵守優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，它們將調製解調器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（衛星到地麵）：10.7GHz至12.7GHz

    ○ 上行鏈路（地麵到衛星）：14GHz至14.5GHz

●   Ka頻段：~18GHz至~31GHz

    ○ 下行鏈路（衛星到地麵）：17.7GHz至21GHz

    ○ 上行鏈路（地麵到衛星）：27GHz至31GHz

下行鏈路和上行鏈路在頻率上是分開的，故從衛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)，網關覆蓋250MHz至500MHz的(de)帶(dai)寬(kuan)，具(ju)體(ti)帶(dai)寬(kuan)取(qu)決(jue)於(yu)是(shi)上(shang)行(xing)鏈(lian)路(lu)還(hai)是(shi)下(xia)行(xing)鏈(lian)路(lu)。不(bu)過(guo)，一(yi)些(xie)部(bu)署(shu)具(ju)有(you)在(zai)用(yong)戶(hu)和(he)網(wang)關(guan)鏈(lian)路(lu)之(zhi)間(jian)共(gong)享(xiang)帶(dai)寬(kuan)的(de)能(neng)力(li)，因(yin)此(ci)通(tong)道(dao)帶(dai)寬(kuan)可(ke)以(yi)在(zai)其(qi)工(gong)作(zuo)的(de)頻(pin)率(lv)中(zhong)重(zhong)新(xin)配(pei)置(zhi)。

LEO衛星在不斷移動，如圖1所示。因此
，終端內上/下xia變bian頻pin器qi的de頻pin率lv合he成cheng器qi必bi須xu實shi現xian快kuai速su鎖suo定ding以yi提ti供gong不bu間jian斷duan連lian接jie。頻pin率lv合he成cheng器qi用yong於yu輔fu助zhu上shang變bian頻pin和he下xia變bian頻pin。它ta們men在zai賦fu能neng終zhong端duan在zai運yun行xing期qi間jian連lian接jie和he重zhong新xin連lian接jie不bu同tong衛wei星xing方fang麵mian發fa揮hui著zhe至zhi關guan重zhong要yao的de作zuo用yong，因yin為wei從cong一yi顆ke衛wei星xing到dao另ling一yi顆ke衛wei星xing，空kong中zhong頻pin率lv在zai工gong作zuo頻pin段duan（即Ka和Ku頻段）內不斷變化。

ADI開發了一係列針對用戶終端的Ku和Ka頻段UDC，以解決尺寸、重量
、麵積、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，支持衛星調製解調器的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接口直接來自衛星通信調製解調器

圖3.高度集成的Ku頻段下變頻器，IF接口直接通向衛星通信調製解調器

針對更高頻率的Ka頻段，ADI開發了ADMV4530/ADMV4540 UDC（圖4和圖5）
，它們支持需要I/Q基帶接口的衛星通信調製解調器。 請注意，ADMV4530上變頻器是雙模器件
，它還能支持IF接口。這些解決方案采用矽工藝設計，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接口直接來自衛星通信調製解調器

圖5.高度集成的Ka頻段下變頻器
，I/Q接口直接通向衛星通信調製解調器

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製較少。這些應用可以選用分立RFIC解決方案。由於元器件位於不同封裝中
，因此可以混合使用多種工藝技術——包括MESFET
、pHEMT
、BiCMOS和CMOS IC——來優化設計要求。分立設計允許對性能與尺寸進行多方麵權衡，設計過程的靈活性非常大。設計人員可以創建更高性能、提ti供gong更geng高gao輸shu出chu功gong率lv並bing支zhi持chi更geng寬kuan帶dai寬kuan的de無wu線xian電dian。此ci外wai，設she計ji人ren員yuan可ke以yi提ti高gao接jie收shou器qi靈ling敏min度du以yi改gai善shan動dong態tai範fan圍wei和he雜za散san性xing能neng。應ying當dang注zhu意yi的de是shi
，地di麵mian站zhan/網(wang)關(guan)也(ye)屬(shu)於(yu)此(ci)類(lei)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。網(wang)關(guan)的(de)尺(chi)寸(cun)更(geng)大(da)，其(qi)集(ji)成(cheng)度(du)要(yao)求(qiu)當(dang)然(ran)不(bu)能(neng)與(yu)終(zhong)端(duan)同(tong)日(ri)而(er)語(yu)。網(wang)關(guan)利(li)用(yong)不(bu)同(tong)的(de)工(gong)藝(yi)技(ji)術(shu)來(lai)為(wei)市(shi)場(chang)提(ti)供(gong)性(xing)能(neng)優(you)化(hua)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。ADI將繼續擴大分立解決方案產品係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

chuantongshangxuyaozhuanyechengbaoshanglaianzhuangshebeihedingweiweixingweizhi，yucixiangguandeanzhuangchengbenhenanggui，guduojiagongsizhiliyuxiaochuzhezhonganzhuangchengbenyijiangdiyonghuzhongduandebushuchengben。weishixianzheyimubiao，xujiangtianxianyuchulitongxinlianlusuoxudesuoyoudianzishebei（如移相元件、RFIC UDC）結合在一個室外單元(ODU)中。ODU是位於室外並瞄準天空的天線陣列。室內單元(IDU)連接到ODU，用作傳統路由器（有線或無線）
，為用戶（如PC或電話）提供互聯網連接。

如前所述

，LEO星座會有許多衛星進出地麵終端的視野，而電子可控天線(ESA)可以通過電子方式控製衛星方向上的發射和接收能量束，從而實現高指向性，故使用ESAdexiaolvyaogaodeduo。yinci，dangweixingjinchuyonghuzhongduandeshiyeshi
，congyikeweixingdaolingyikeweixingdeqiehuanjihushunshiwancheng，zuijialianludeyibaochi。shishishang，kaolvdaoguidaozhouqihezhengchangyunxingguochengzhongxuyaolianjiedeweixingshuliang，nameESA幾乎是一項必不可少的要求。

為了應對這一挑戰，ADI開發了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矽解決方案
，允許通過半雙工通道獨立控製信號的增益和相位。令人驚異的是，該IC的尺寸隻有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BFIC技術以使整體無線電成本最小化，最重要的是係統和陣列專業知識。機械組裝和PCB設計（包括堆疊和層數）是無線電成本驅動因素的一部分。在開發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
，並有內部PCB專家來幫助解決這個問題。事實上
，IC設計和最終配置是係統權衡研究的一部分。

采用ESA來跟蹤LEO衛星並優化鏈路速度
，可以實現低成本設置，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，從根本上簡化了係統的部署並降低了成本。ESA還有利於實現更扁平的麵板和賞心悅目的設計。

值(zhi)得(de)注(zhu)意(yi)的(de)是(shi)，最(zui)高(gao)性(xing)能(neng)的(de)終(zhong)端(duan)應(ying)用(yong)會(hui)使(shi)用(yong)雙(shuang)拋(pao)物(wu)麵(mian)操(cao)縱(zong)的(de)天(tian)線(xian)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，成(cheng)本(ben)和(he)美(mei)觀(guan)不(bu)是(shi)主(zhu)要(yao)驅(qu)動(dong)因(yin)素(su)
，整(zheng)體(ti)性(xing)能(neng)才(cai)是(shi)重(zhong)點(dian)。對(dui)於(yu)消(xiao)費(fei)類(lei)和(he)注(zhu)重(zhong)成(cheng)本(ben)的(de)小(xiao)型(xing)企(qi)業(ye)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，ESA是實現低無線電成本並且達成係統設計目標的有效方式。

結語

LEO互聯網連接是一個令人激動的新領域，如今大多數政府和互聯網提供商都在思考這場太空競賽。隨著世界的互聯程度不斷提高，LEO將進一步增強3GPP標準從太空到農村地區的連接能力，從而在5G中發揮重要作用。用戶終端的RFIC集成要求變得越來越有挑戰性，ADI將繼續在這一領域開發解決方案並按規劃推出IC新產品。

關於ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力於在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠
、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，並建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬餘人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息

，請訪問www.analog.com/cn。

關於作者

Donal McCarthy是ADI公司微波通信部（愛爾蘭科克）市場營銷與業務發展總監。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現場銷售工程師和營銷職位以及ADI公司營銷經理和總監職位。

作者：ADI市場營銷與業務發展總監Donal McCarthy

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