Latest News

אין גבול עליון לרוחב הפס הטורף של ה-SATCOM

קיימת מגמה גוברת בקרב תעשיית ה-SATCOM במסחר, בתעופה ובביטחון בעד רוחב פס האותות, שבח העיבוד והניתוח גדולים יותר. רוחבי פס רחבים יותר מאפשרים למערכות SATCOM לספק את הדרישות הטורפות לקצבי נתונים מוגברים. באותו הזמן, תחומי המורשת של תדרים נמוכים יותר של C, L ו-UHF יוסיפו להיות הכרחיים במסגרת מערכות SATCOM קריטיות למשימה כדי למתן את השפעות ההפרעות האטמוספריות, דוגמת הגשם, המשפיע על תחומי התדר הגבוהים יותר. עיבוד אותות מעודכן חדשני ופתרונות של המרה מסייעים להפוך מהפכה זו למציאות.
מערכות SATCOM רבות פועלות כיום בתחומי המיקרוגל הגבוהים יותר של X ו-Ku, עם הזזה לכיוון תחומי ה-Ka. הן מסייעות בתמיכה של רוחבי פס לאפנון רחבים יותר, יכולת מוגברת והן נהנות מאנטנה קטנה יותר. ממדי האנטנה מושפעים הפוך על-ידי ריבוע תדר השידור. אם כי מערכות בתחום ה-Ka היו ידועות קודם עבור יישומים רחבי-פס לצרכן, השימוש בהן מתרחב עתה לפתרונות אזרחיים וצבאיים. עם הוספת תדרים ורוחבי פס פעילים בעלי תחום גבוה יותר, שלל אתגרים חדשים עבור מהנדסי תכנון RF מופיע עבור מערכות SATCOM.
מערכות בתחום Ka הן לא רק הרחבות של תחום התדרים של הדור הבא אל תחום ה-Ku בעל המהירות הנמוכה יותר. במקום זאת, הן כוללות סוג חדש של ארכיטקטורת לוויינים בעלת ניהול שידור ורוחב פס חדשים כדי לספק איכות גבוהה יותר, ביצועים טובים יותר ושירותי מהירות נתונים מהירים יותר עבור המשתמשים הסופיים.

איור 1. רוחב פס ADC רחב בעל הספק מלא מאפשר את השימוש בתחומי Nyquist מתחת לראשון עבור דגימה ישירה של תחומי תדר גבוה יותר דוגמת תחום ה-L. סינון של מעבר התחום של אזורי Nyquist ללא שימוש הוא חיוני כדי להמיר אנרגיית אותות בלתי רצויה, מחוץ לתחום העניין IF, היכול להתקפל ל-Nyquist הראשון, ולהשפיע על התחום הדינמי

איור 1. רוחב פס ADC רחב בעל הספק מלא מאפשר את השימוש בתחומי Nyquist מתחת לראשון עבור דגימה ישירה של תחומי תדר גבוה יותר דוגמת תחום ה-L. סינון של מעבר התחום של אזורי Nyquist ללא שימוש הוא חיוני כדי להמיר אנרגיית אותות בלתי רצויה, מחוץ לתחום העניין IF, היכול להתקפל ל-Nyquist הראשון, ולהשפיע על התחום הדינמי

לווייני תחום ה-Ka כוללים בצורה אופיינית משיבים רחבי-פס התומכים ברוחבי פס רחבים יותר דוגמת 300-600 מגה-הרץ, שבהם חל גידול פי עשר בהשוואה למשיבי תחום ה-Ku מ-27 עד 54 מגה-הרץ. רוחב הפס היורד של תחום ה-Ka דורש עמיר (swath) ספקטרום רחב יותר מאשר אלה אשר שימשו בתחומי ה-Ku או תחומי תדר נמוכים יותר. משיבים בעלי רוחב פס רחב יותר ושירותי קצב-ביטים גבוהים יותר דורשים סכמות אפנון מתקדמות כדי לספק תפוקת נושא מרבית. אפנון המשתמש בחמישה סמלי/ביט, 32 APSK, ואפנון מתקדם אחר בעל סדר גבוה יותר יכוונו את דרישות ה-ADC של מערכת המקלט עם ביצועים בתחום דינמי גבוה יותר.
בפתרונות מסחריים, Low Noise Block Down Converter , חלק מהיחידה החיצונית (out-door unit ODU), משתמש במגבר בעל רעש נמוך וממיר לתדרים נמוכים המסונף לזן הלוויין. הוא משמש עבור שידור לוויין כלפי מטה כדי להמיר תדר גבוה יותר לתדר נמוך יותר. תחום ה-L הוא תוצאה של ההמרה כלפי מטה של אות הלוויין הנקלט, לדוגמה בתחום ה-Ku או Ka, מה-LNB. במורד הזרם של מוצא ה-LNB, דרגת המרה כלפי מטה IF שנייה הייתה דרושה בעבר כדי לעבד את תוכן האות בתוך תחום ה-L.
ADC יחיד AD9625, בעל 12 ביט, 2.6 GSPS, יכול לספרת ישירות את כל תחום ה-L מ-1-2 גיגה-הרץ בתוך אזור Nyquist יחיד ללא חפצים סירוגיים. ה-AD9680, ADC כפול-ערוצים, 14 ביט, 1.25 GSPS, מספק תחום דינמי גבוה יותר ויכול לספרת הן את ה-I והן את ה-Q בתוך אזור Nyquist של 625 מגה-הרץ. לשני ה-ADCs רוחבי פס רחבים בהספק מלא ויכולים לדגום ישירות מחוץ לאזור Nyquist הראשון עבור פסים בעלי עניין בתדר גבוה יותר מבלי שמהנדס המערכת יצטרך לפענח דף יישומים סרוג.
מאחר שפתרונות בתחום ה-Ka אינם תומכים בדרישות של כל המקרים של שימוש במערכת SATCOM, ניתן להשתמש בתחומי תדר נמוך אחרים עם ארכיטקטורות דומות. לדוגמה, תחום C מוסיף לגדול כתחום חשוב ביישומים תעשייתיים, צבאיים וימיים רבים בהם הפרעה אטמוספרית עשויה להזיק למשימה. ללא תלות בתחום היורד המשמש מלוויין, המרה כלפי מטה של ספקטרום של 500 מגה-הרץ או 1 גיגה-הרץ ניתנת לדגימה מ-ADC יחיד.

איור 2. במורד הזרם של ה-LNB, מכוון (tuner) לוויין שגרתי עם מקלט superheterodyne (למעלה) בהשוואה למכוון דיגיטלי מהדור הבא עם לכידה בתחום מלא תוך שימוש ב-ADC בעל רוחב פס רחב (למטה)

איור 2. במורד הזרם של ה-LNB, מכוון (tuner) לוויין שגרתי עם מקלט superheterodyne (למעלה) בהשוואה למכוון דיגיטלי מהדור הבא עם לכידה בתחום מלא תוך שימוש ב-ADC בעל רוחב פס רחב (למטה)

בשעה שיכולות עיבוד האותות מוסיפות לגדול ללא הפוגה, יותר משרשרת אותות המקלט נעה בתוך התחום הדיגיטלי. כתוצאה, מספר שלבי ההמרה כלפי מטה הדרושים בתוך התחום האנלוגי יכול לרדת במערכות מסוימות. ניתן לפענח עיבוד דיגיטלי כלפי מטה בשרשרת האותות, לכוון ולפרק לערוצים את הנתונים לשימוש ביישום הסופי. דבר זה מאפשר למקלט גמישות יתרה כדי לעבד תחומי עניין שונים, עם שינוי רק בתדר המתנד המקומי ובאלגוריתם העיבוד הדיגיטלי.
מסופי SATCOM צבאיים בתחום Ka יכולים להשתמש עתה במקלטים דיגיטליים מרובים במטרה לעבד אותות בערוצים שונים. לדוגמה, ניתן לדרוש ארבעה מקלטים דיגיטליים, כל אחד עם רוחב פס של 125 מגה-הרץ, כדי לעבד רוחב פס של אותות של 500 מגה-הרץ. המספר המרובה של מקלטים מגדיל את הגודל, המשקל וההספק (size, weight and power-SWaP) של מערכת SATCOM ניידת. אולם, ADCs חדשניים עדכניים יכולים לעבד עתה רוחב פס מעל 500 מגה-הרץ עם ביצועים של 12-ביט ו-14-ביט ללא ההשפעות השליליות של מניעי סירוג (interleaving). בנוסף, ערוץ של 500 מגה-הרץ אינו דורש 4 מקלטי ADC נפרדים של 125 מגה-הרץ כדי לעבד את אותו רוחב פס. ADC בעל ערוץ כפול של 14-ביט, 1.25GSPS יכול לעבד את שני הקיטובים של רוחב הפס של האות.
תחומי SATCOM רחבים יותר דורשים לא רק רוחב פס שמור רחב יותר מ-ADC של מערכת, אלא גם יכולים להעלות את הצורך ברוחב פס בהספק מלא גבוה יותר. ביישומים מסוימים, הדבר יכול לדרוש את השימוש בתחום קצב Nyquist מסדר גבוה יותר. ADCs GSPS מהדור הנוכחי מאפשרים דגימת גיגה-הרץ הרבה בתוך תחום ה-Nyquist השני, השלשי והרביעי עם אופציות השמדה (decimation) להשיג את יתרונות התחום הדינמי של דגימת היתר (oversampling). אם רוחב הפס של מבוא ADC הוא גבוה מספיק, אפשר להמיר כלפי מטה ישירות בתוך ה-ADC על-ידי תת-דגימה של אות בעל העניין IF. במקרה של אות כלפי מטה של SATCOM, ניתן לספרת את כל תחום ה-L בפחות צדדי עיבוד על-ידי הצגת אות זה ישירות למבוא של ה-ADC. אותות מבוא בעל רוחב פס וקצבי דגימה גבוה יותר מאפשרים דגימת RF של אותות בעלי רוחב רחב יותר והקטנה אפשרית של דרגה מלאה בשרשרת האותות עבור מספר רכיבים נמוכים יותר ופשטות.

איור 3. טכניקת התת-דגימה יכולה לבטל פוטנציאלית דרגת תת-דגימה מאחר שתדר המבוא נתון ישירות אל ה-ADC הדוגם RF

איור 3. טכניקת התת-דגימה יכולה לבטל פוטנציאלית דרגת תת-דגימה מאחר שתדר המבוא נתון ישירות אל ה-ADC הדוגם RF

תת-דגימה של ADC היא בעצם הטכניקה של שימוש בתדר דגימה שהוא פחות מכפליים רכיב התדר המרבי בתוך האות. טכניקה זו ניתנת לכינוי כדגימה הרמונית, דגימת מעבר הפס, או דגימת על-Nyquist. כדי לשחזר את האות המקורי בשלמות מהגרסה הדגומה, משפט הדגימה של Nyquist-Shannon מראה שקצב הדגימה צריך להיות כפליים רוחב הפס בעל העניין. אין לפרש זאת בטעות בתור קצב דגימה שהוא כפליים רכיב תדר ה-IF המרבי.
אם BW הוא רוחב הפס של האות המעניין, אזי דרוש תדר דגימה של Fs>2 BW. רוחב הפס המעניין יכול להיות בין DC ל-BW או מ-A ל-B כאשר BW=A-B. כל עוד רוחב הפס המעניין איננו חופף לתחום Nyquist של ה-ADC, שהוא חצי מקצב הדגימה (Fs), תת-דגימה יכולה לפעול עבור תחומי אות גבוהים יותר עם ADCs בעלי רוחב פס להספק מלא גבוה (FPBW) ביחס לקצב הדגימה המתאים שלהם כמוצג באיור 1.
כיום ADCs רחבי-פס מציעים יכולת מערכתית עבור תחומי Nyquist רחבים מרובים בתוך אופן פעולה של תת-דגימה. אולם, שימוש בתחום ADC Nyquist בעל סדר גבוה כדי לדגום דורש סינון של ביטול המדרוג ותכנון התדר מחמיר בקצה הסופי כדי למנוע שאנרגיה ספקטראלית תדלוף לתוך תחומי Nyquist אחרים. הוא גם מבטיח שהרמוניות בלתי-רצויות ואותות בעלי תדר נמוך יותר אחרים לא יימצאו בתוך תחום העניין אחרי שהוא מקופל לתוך ה-Nyquist הראשון. יש לתכנן את מעלה הזרם של המסנן מעביר הפס (bandpass filter – BPF) של ה-ADC כדי שיסנן אותות ורעש בלתי-רצויים שאינם קרובים לרוחב הפס הנומינלי המעניין. ADCs חדשים דוגמת ה-AD9234, AD9680 ו-AD9625 מציעים דגימת תחומי Nyquist מרובים בעלי תחום דינמי גבוה לאורך רוחב-פס מבוא רחבים.
מאחר שטכניקת דגימה ישרה מקפלת את אנרגיית האות מכל תחום בחזרה לתוך ה-Nyquist הראשון, אין דרך להבחין במדויק את מקור התוכן. כתוצאה, אנרגיה זרה יכולה להופיע בתחום Nyquist הראשון, דבר אשר יפחית את היחס אות לרעש (signal-to-noise ratio –SNR) ואת התחום הדינמי החופשי (free dynamic range –SFDR). בעיות ספקטראליות עשויות לפגוע ביישומי ממשלה וצבא, הן עבור חישה והן עבור תקשורת.
מספר יתרונות מוצעים על-ידי דגימת RF ישרה בתוך תכנוני קצה סופי. ראשון ועיקרי, הוא יכול לאפשר הקטנת מספר הרכיבים, כמוצג באיור 3, בו שלב מלא של המרה כלפי מטה ניתן לביטול. הוא גם מבטל את הצורך לתכנן שבב עירוב שיתאים לתכנית תדר מתוכנן במיוחד. שנית, הוא יכול לפשט את תכנון מקלטים מהדור הבא עבור רוחבי-פס עתידיים שיהיו זמינים כאשר מעדכנים את מערכות ה-SATCOM. כל מה שדרוש כדי לעבוד עם תדר בתחום חדש הוא לבחור קצב דגימה מתאים מבוסס על תדר המתנד המקומי ולכלול מסנן מעביר פס מתאים. שלישית, אפשר להפוך קצה סופי RF יחיד למתאים עבור תחומי תדר מרובים. גישה זו לתכנון קצה סופי של מקלט SATCOM מרובה-תדרים מבטלת את הצורך בקצוות סופיים מרובים.
ADCs מהדור השוטף מציעים עתה ריבוי של גושי עיבוד של המרה כלפי מטה (digital down conversion – DDC) פנימית. כל DDC יכול להפעיל את ההשמדה שלו ואת המתנד המבוקר סיפרתית עבור מיצוב כיוון בתוך תחום Nyquist. ניתן להשיג שבח עיבוד בתוך רוחב פס צר יותר אשר מסנן דיגיטלית רעש מחוץ לתחום. דבר זה מפחית את נתוני המוצא של ה-ADC הדרושים וממזער את מורכבות העיבוד ב-FPGAs ו-DSPs. אולם, עיבוד אותות מתועל נוסף ניתן לביצוע במורד הזרם של ה-ADC.
מערכות SATCOM רחבות-פס דורשות ממירי נתונים מהירים ביותר. ADCs GSPS חדשניים דוגמת ה-AD9234, AD9680 ו-AD9625 מציעים לא רק קצבי דגימה גבוהים עבור רוחב פס רגעי רחב יותר, אלא גם את היכולת לדגום מבואות בעלי תדר גבוה מעל ה-Nyquist הראשון. ADC ישיר דוגם RF יחיד המשמש ברוחב-פס גבוה יכול פוטנציאלית להחליף דגימת IF שלמה או תת-מערכת דגימת IF אפס של ערבלים, מסנתזי LO, מגברים ומסננים תוך השגת גמישות גבוהה יותר. דבר זה עשוי להפחית משמעותית את עלות רשימת הרכיבים (bill of materials –BOM), זמן התכנון, גודל הכרטיס, משקל וצריכת הספק.

סימוכין:
Kester, W., “What the Nyquist Criterion Means to your Sampled Data System Design. MT-002.”
Retrieved from Analog Devices Training Seminars: http://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-002.pdf
Taylor W., Bosworth D., “Bandwidth Demands Place New Strains on Satellite Communications Design.”
http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/technical-articles/Bandwidth-Demands-Place-New-Strains-on-Satellite-Communications-Design.pdf
Petruzzelli E., Lampel P., “A new Method for Testing Satellite TV Tuners and LNBs,” Microwave Journal September 14, 2015; http://www.microwavejournal.com/articles/25083-a-new-method-for-testing-satellite-tv-tuners-and-lnbs
Shea, J. “Military Wireless Communications.” Retrieved from University of Florida: http://wireless.ece.ufl.edu/eel6509/lectures/MilitaryComm6509.pdf
Stallings, W. (2010). Data and Computer Communications, 276-294: Upper Saddle River, New Jersey, Prentice Hall
Zarr, R. (2014). “ADCs Feel the Need for Speed.” Retrieved from Electronic Design: http://electronicdesign.com/communications/adcs-feel-need-speed
Ian Beavers is a product engineering manager for the Automation Energy & Sensors team located at Analog Devices, Greensboro, NC. He has worked for the company since 1999. Ian has over 19 years of experience in the semiconductor industry. Ian earned a bachelor’s degree in electrical engineering from North Carolina State University and an M.B.A. from the University of North Carolina at Greensboro.