原標題：在射頻軟體化的道路上，Teledyne e2v的數據轉換 器可直接訪問Ka波段，並突破數位訊號處理的極限
摘要
本文闡述了當今宇航產業所面臨的市場的變革，這不但可能顛覆當前的商業假設，而且預示著未來太空基礎設施的架構和運行方式的重大變化。未來市場和技術發展的方向是更靈活的多任務平臺。這些軟衛星和現有的衛星不同，它們的操作參數和接口都是軟編碼的(即主要由軟體決定)，而不是像今天的硬體那樣普遍採用硬連接的方式。這樣，運營商將獲得更靈活、更敏捷的平臺，有助於保護他們的技術投資，並隨著時間的推移向他們傳遞更強的市場反應能力。此外，市場也會受益，因為這些創新有望通過更多的標準化應用、增強的靈活性和可重用的系統降低宇航應用的成本。
軟衛星的一個關鍵組成部分是新一代的寬帶數據轉換器，這種轉換器首次實現直接訪問 Ka 波段，從而消除中頻無線電環節，並首次將射頻軟體化引入了關鍵頻譜波段。實現這種複雜的寬帶器件需要詳細的工程步驟，包括實驗室條件下對兩個概念設計的評估結果。結論很清楚：現在是重新評估架構選擇和準備設計軟衛星的時候了。量產的樣品預計在 2021 年底發布。同時，當前的初始樣片使進一步的實驗工作得以快速進行。
圖 1 利用射頻軟體化，一個軟衛星可提供多種潛在的客戶服務
1。『歐洲空間部門的未來』，歐洲投資銀行 2019
「新太空」簡介和未來的軟衛星願景
歐盟委員會 2019 年關於歐洲空間部門未來發展的一份報告 1 指出，新太空業務的發展將給全球範圍帶來顯著的增長機會。這份全面的報告包含新興的技術發展趨勢，並強調了主要的應用、廣泛的風險和獲取資金的挑戰。
新空間趨勢的結果之一是高度靈活的衛星即將到來。這些系統(本文稱之為軟衛星)是一類複雜的軟體定義的空間平臺。軟衛星徹底改造了宇航核心基礎設施，尤其是其接口，很大程度上將催生全新的商業模式。對於 Teledyne e2v，軟衛星是一類將星上軟體定義處理能力與敏捷直接訪問軟無線電(DASRs)相結合的衛星，能夠支持多種任務和動態切換操作模式，以適應市場需求和操作環境，如圖 1 中的表格所示。
軟衛星的兩個特點是模塊化和直接訪問射頻硬體，使射頻軟體化的使用結合了重新配置的能力。這給予了軟衛星任務靈活性和多模式操作，同時降低其對未來市場變化的敏感度。
重新配置大大降低了與固定硬體(單一任務)載荷相關的巨大風險。軟衛星允許根據需要動態引入新的無線電頻率計劃，或重新分配每個應答機以滿足任務更新的需要。此外，結合電子轉向天線(ESA)，服務提供商可獲得通用的長壽命星載應用。
軟衛星可以推動標準化的浪潮，進一步降低總體成本。事實上，這一發展的浪潮可能預示著「衛星做為一種服務 2」的出現，正如 Altas 空間行動的 CTO 最近設想的那樣。 這可能看起來有些牽強，但這一想法得到了即將上市的新型數據轉換器的支持。有史以來第一次，直接在 Ka 波段轉換將成為現實，允許人們重新思考未來的微波接口和衛星通信基礎設施。
本文的其餘部分將考慮顛覆性的技術和市場趨勢對航天產業的影響，然後介紹 Teledyne e2v 將如何應對。
根據 ITU 的 2019 年寬帶狀況報告，目前地球軌道上有 4980 顆衛星，其中 15%用於通信。
2。『未來是衛星通訊的服務』，Brad Bode， Altas 空間行動的 CTO 和聯合創始人，2020 年 10 月 2 日
市場大趨勢：激烈的競爭和永不停止的數據增長影響著空間基礎設施的發展前景
在過去的 30 年裡，通信衛星通常被認為是由大企業或政府運營的高度專業化的單一任務平臺，例如用作天基基站或數據中繼器的 GEO 高吞吐量衛星(HTS)。今天，大部分的地面數據和通信基礎設施依賴於這種衛星網絡與地面基礎設施形成閉環。我們過去幾十年的經濟增長在很大程度上要歸功於這種傳統模式，儘管它現在已顯示出不堪重負的跡象。要使天基平臺的發展跟上地面商業發展的步伐，仍然面臨挑戰；技術的快速進步需要數年才能應用於太空，增加了運營商的風險。由硬體而不是軟體定義的星載應用容易過時，這是一個使運營商頭痛的問題。最近，傳統的太空運營商和他們的客戶都在尋找降低運營成本、風險和投資的方法。與此同時，太空經濟的創業在過去的 5 年裡蓬勃發展，其中值得注意的私營投資包括：
根據 IDC 在 2018 年的預測， 預計數據年複合增長率(CAGR)為 61%，到 2025 年將產生 175ZB (1ZB = 10^21 字節即 1 萬億 GB)的需求。
不斷增長的數據需求對衛星性能的發展有重大的影響。有關這一話題的統計數據令人瞠目結舌。新的 5G 無線系統和不斷增長的物聯網應用將加速數據的增長。IDC 在 2018 年的預測 3 顯示，其增長的速度令人震驚。IDC 預計數據的年複合增長率(CAGR)為 61%，到 2025 年將產生 175ZB (1ZB = 10^21 字節即 1 萬億 GB)的需求。
除此以外，由商業驅動的數據增長多是一些更深奧的應用和需求。各國政府正越來越多地為了國防利益而加倍致力於太空計劃。一些跡象表明，一場基於高超音速飛彈技術的軍備競賽正在加速進行，這引起了幾個全球超級大國的興趣。另外，在這個逐漸變暖的世界上，科學家們正試圖更好地監測氣候變化的影響，因此他們對更高解析度的儀器越來越感興趣，例如用於地球觀測的合成孔徑雷達。這些快速變化的數據需求要求行業必須做出反應。下一個十年將是各種空間能力快速發展和商業化的成熟時期。值得慶幸的是，通信技術已經基本準備好幫助推動這一迫在眉睫的轉變。
術語表
新太空一種包括新的太空投資理念和一系列技術進步的全球趨勢，促進了相關的私營公司迅速發展。這一趨勢將為未來十年更廣泛的太空項目和其發展埋下種子，並加劇太空領域的競爭。
軟衛星 (軟體衛星)衛星系統提供星載軟體定義處理能力，結合靈活的直接訪問軟體無線電(DASR)，能支持多種多模式集成任務(通信、導航和傳感)，並動態切換工作場景以適應市場需求。軟衛星的工作任務和無線電接口由加載到衛星上的主動固件定義。雖然目前還沒有已知的在軌商用軟衛星，但 ESA 計劃在 2020 年投入運行 OPS-SAT，這是一個成熟的軟衛星的先驅。
直接訪問軟體無線電 (DASR)一種智能軟體無線電，其運行特性由算法確定。它在很大程度上不受傳統硬體的限制，並可以通過應用新的代碼動態重新配置。
3。『數位化的世界：從邊緣到核心』， IDC 2018
半導體的技術問題對航天業務的產品供應鏈的影響
除非您對半導體技術的發展趨勢非常了解，否則您現在可能還沒意識到晶片行業面臨的問題對您未來的產品採購戰略的影響。有以下兩個關鍵的因素：
RF CMOS 的技術瓶頸
過去的 20 年裡，軟體定義基帶無線電技術的價格一直與遵循摩爾定律的大用量核心 CMOS 製程的價格下降勢頭相關。每一個新節點的商業化帶來的迭代創新，極大地提升了性能，降低了功耗，並支持越來越多的應用。多年來，這似乎是一種自然法則。然而，最近基礎的設備物理學的發展遇到了瓶頸，使創新停滯不前。
MOSFET 半導體的一個關鍵參數是 fmax(最大頻率)。Fmax 以高頻增益的形式體現了原始製程的性能。Fmax(圖 2)是電晶體功率增益降至 1 時的頻率。多年來，隨著門電路尺寸的減小，fmax 頻率逐漸增加。不幸的是，現在頻率的提升逐步減緩，甚至發生逆轉。在 28nm 時，fmax 的峰值大約是 360GHz。隨後，在 14nm 節點中，fmax 暴跌至 28nm 時的一半，即 160GHz。頻率降低的原因是複雜的。製程寄生電阻和電容的增加，逐漸成為限制性能提高的主導因素。另外，暴跌的閾值電壓影響動態範圍、驅動能力和噪聲電平。那麼，當未來的模擬電路受到如此大的阻礙時，行業將如何保持創新的步伐呢？在歐洲，相關的研發已將重點放在如下兩個方面：
這些項目的發展方向如圖 2 中上部的紅色軌跡所示。這其實是放棄了核心數字 CMOS 技術，重新開發射頻模擬電路的替代製程方法。
圖 2 CMOS 和 SiGe 製程的 fmax 的發展，表示門電路尺寸小於 28nm 時 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 SoC 設計的成本增長呼喚未來的替代方案
矽的設計成本增長迅速。根據 IBS 的一項研究 4，IC 的設計成本已從 65nm 的 2850 萬美元上升到 28nm 的 5130 萬美元(翻了一番)，而且在小於 28nm 時成本增長得更快。在軟體無線電的設計背景下，這種經濟方面的考慮在很大程度上是無關緊要的，因為這些成本已經遠遠超出了專業市場的承受能力。然而，需要強調的關鍵一點是，在建造定製系統時，航天產業通常依賴於 CMOS 的規模和性能收益，這些收益來自於設計 ASIC，以實現未來的成本縮減和功率改進。但是，越來越多的專業模擬電路要麼依賴於舊的製程節點，要麼必須採用最新的 BiCMOS 工藝的矽鍺(SiGe)HBT 以實現更高的頻率器件。
因此，由於上文所述的性能挑戰，信號路徑的創新需逐步放棄定製的 ASIC 方案。未來的射頻信號路徑必然將從 Bulk CMOS 中脫離出，採用一種改進的架構，其中混合信號前端將與最新的現場可編程門陣列(FPGA)提供的強大的信號處理能力相結合。使用 FPGA 可降低成本並提升性能。
在這樣的背景下，像 Teledyne e2v 這樣的創新公司一直致力於投資製造基礎設施，從而將一種新型的小型集成片上系統(SiP)推向市場。SIP 註定是射頻小型化的下一階段發展的核心，並成為軟衛星設計的主要驅動。
圖 3 PS620 實驗前端板圖 3 PS620 實驗前端板
軟衛星的核心技術發展
為使軟衛星的理論成為現實，有哪些必要的核心技術發展？
最重要的發展圍繞可重複編程處理、信號調製和解調、協議編碼和頻率生成，包括：
1.GHz 的寬帶數據轉換器(ADC 和 DAC)的可用性，其信號帶寬可達 Ka 波段(40GHz)，將超過傳統模擬 RF 信號鏈的性能。這些器件將與星載數字上下變頻能力和數字控制一起提高附加值。
2。 支持 12Gbps 甚至更高數據率的超高速互聯和背板技術，包括未來的矽光子技術。
3。 多通道精確時間同步，確保採樣點同步並保持系統間的信號相位。
4。 新型高性能、低介電常數的有機基材提高了 SiP 的增益和頻譜特性。
5。 宇航級或同樣可靠性的器件。
6。 改進的固態功率放大器。
以上每一項都對研發成熟的航天產業的軟衛星有重大影響。由於篇幅所限，本文的其餘部分將集中討論其中最重要的四個方面。設定 K 波段及更高波段的射頻軟體化的方向 Teledyne e2v 於 2019 年年中啟動了構建完整 Ka 波段採樣系統的基礎步驟的實驗項目。該項目將一個高度線性的 24GHz 信號量化器(或跟蹤保持放大器 THA)連接到一個全新的寬帶 ADC EV12AQ600，如圖 3 所示。
器件的核心參數
EV12AQ600 ADC
RTH120 THA
最終的 PS620 原理驗證模塊包括一個微波 THA 和一個四核心 ADC，其每個核心支持 1.5Gsps 採樣率，併集成了 6.5GHz 模擬輸入帶寬的寬帶交叉點開關。這個 ADC 的設計可用於核心交織。利用四個核心的時域交織，可實現超過 6Gsps 的採樣率。將奈奎斯特摺疊原理應用到 K 波段 THA 並選擇合適的採樣頻率，可以預計從 K 波段下變頻到 EV12AQ600 的 6GHz 的基帶將產生良好的結果。這些實驗結果在之前的白皮書裡有詳細的描述 5。使用該模塊進行測試的目的是確定上述量化器的 K 波段(18 到 26.5GHz)直接轉換的有效極限。從初始的無雜散動態範圍(SFDR)的測試中可以發現三個具體的問題：
圖 4 高頻優化交織的影響
最初的實驗報告有一些局限性。最值得注意的是核心交織校準(ILG)。初始的 ILG 針對基帶頻率優化。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於每個核心的交織帶來的偏置誤差而產生的。不出所料，這種偏置在一系列測試頻率範圍內都有影響。經過反覆調整，Fc/4 的毛刺有了顯著的減少(圖 4)。在 K 波段工作時，基於中心 21.5GHz 的校準產生了令人鼓舞的結果，在 K 波段獲得了近 15dB 的增益。
進一步優化的可能性似乎有限。而另一方面，轉換器的積分非線性(INL)對三次諧波(H3)有明顯的影響。與 ILG 誤差一樣，在生產測試時，INL 的校準是針對基帶操作的。然而，測試工程師們期待高頻校準能實現進一步的性能提升。事實上，我們確實觀察到 H3 進一步下降了 3 到 5dB。這些綜合的結果(圖 5)有助於 Teledyne e2v 建立其直接微波訪問計劃。本文將介紹這一計劃。
圖 5 初始 PC 樣機的 K 波段 SFDR 的實驗結果：校準前和校準後的對比
新興的微波直接訪問產品路線圖
Teledyne e2v 一直致力於 Ka 波段直接訪問。除了 PS620 的直接訪問接收路徑的原理驗證之外，Teledyne e2v 還規劃了 2 次進一步迭代，如圖 6 所示。
在 2020 年，第一個原理驗證樣機的能力得到了擴展。第二個的樣機 PS640 通過時域交織一對 EV12AQ600 ADC 並使用新的微波採樣器，使採樣率翻倍，並具有 30GHz 的可用帶寬。這是超越 K 波段的第一步。
圖 6 Teledyne e2v Ka 波段軟體無線電發展路線圖圖
初始完整 Ka 波段實驗樣機的結果
圖 7 的 SFDR 圖表明第二個原型設計已經取得了令人鼓舞的結果。這表明，在 10Gsps 採樣時，輸入 25GHz 的信號，3 次諧波的毛刺是 -57dBFS，考慮到輸入電平，大約等效於 -51dBc 的 SFDR。這是非常優秀的結果。與最初的 PS620 採用的基於標準封裝和 RF 印製電路板的設計不同，PS640 採用了一種全新的有機低介電的基材，並使用倒裝器件，在改善 RF 性能的同時減少了佔用的空間。這個 33mmx19mm 的 SiP 模塊由 Teledyne e2v 製造，採用 0.8mm 的球間距互聯，包含總計 799 個節點。另一方面，這個模塊的焊球和凸起互聯都符合 RoHS，以滿足未來的生產標準要求。這個 6.3mm2 的微型模塊是業內第一款能實現直接 Ka 波段轉換的模塊。成品的照片如圖 8 所示。
圖 7 - 輸入 25GHz 連續波形的 SFDR
圖 8 - PS640 多晶片模塊 (MCM)
Ka 波段拼圖的最後一塊
明年年底，計劃中的第三階段的初始樣片有望發布。這是一款用於量產的 SiP。我們為其花費了 36 個月或更長的研發時間。它將包括第二代的微波採樣器。這個採樣器與下一代的 ADC 核心配對。Teledyne e2v 表示，雖然目前還不能透露太多關於完整功能的信息，這款 ADC 將實現幾項重要的功能增強，以改善核心時域交織的性能，並提供一系列數字控制功能以簡化其在軟體無線電設計中的應用。
Teledyne e2v 在最近的研發中放棄了平衡差分模擬信號和時鐘線，轉而使用單端信號策略。這個重要的架構選擇，標誌著 Ka 波段功能應用與之前的應用的差異。這個決定帶來了一些重要的優點。通常，宇航級認證的器件較難獲取，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。考慮到大多數的微波源都是單端的，這是個明智的決定。Teledyne e2v 的研發團隊也在開發對應的發射路徑解決方案。一款雙路 12 位電流控制的 RF DAC 正在研發中，支持合成 Ka 波段頻率產生。實驗室測量的器件的典型寬帶輸出功率譜如圖 9 所示。EV12DD700 將包括一系列先進的功能，為發射端帶來巨大的靈活性，包括：
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 優於 -55dBc。此外，它還支持包括多模跳頻的高靈活性快速跳頻功能(通過集成的 RTZ、連續和相干模式)。與 Teledyne e2v 早期的 DAC 方案相同，該產品具有多種輸出編碼模式，可根據所需的頻譜合成信號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 未來的雙通道 DAC EV12DD700 的三種輸出特性模擬
管理高速數據當使用現代的數據轉換器時，管理高速串行數據流是一個挑戰。Teledyne e2v 的產品採用一種名為 ESIstream(高效串行接口)的開源 12Gbps 連結技術。這種串行協議的設計開銷很小，並可為一系列的 FPGA(如 Xilinx Kintex Ultrascale 和 Virtex 7， Intel Arria 10)提供簡單的無需許可證的 IP.ESIstream 協議提供了 87.5%的數據效率，其基於一個使用線性反饋移位寄存器(LFSR)擾頻器的 14b/16b 編碼器。我們增加了 1 個差異校驗位確保直流平衡傳輸，和額外的切換位使能同步監視。鏈路通過使用獨立的同步信號(SYNC)和簡單的接收端 SYNC 觸發計數器，支持多器件同步和確定性延遲(圖 11)。計數器在用戶定義的時間從 ESIstream 接收 IP 的輸出緩衝釋放數據，以確保確定的鏈路延遲。
圖 11 ESIstream 協議支持的單個 ADC 確定性延遲的原理圖
關鍵時序和採樣同步問題今天，許多無線電應用都使用波束形成來提高系統性能。波束形成利用信號幹擾對信號功率進行空間定向。這種系統需要同步採樣，即所有通道都在同一時刻精確採樣。這樣，信號空間(或相位)信息可在天線陣列中得以保持。儘管存在一些不利因素，如複雜度增加，但這種設計仍有一些可取的優點：
同步鏈的優點有：
圖 12 封裝管腳和 IC 連接的集總模型圖
對於微波 IC 而言，實現最佳的性能還有一個關鍵的要素，這個要素與封裝的寄生效應有關。寄生效應是由封裝產生的非理想化的電路元器件，和每個封裝的材料特性有關。在微波頻率下，典型的明顯寄生效應包括管腳和裸片的引線特性，以及印製電路板和封裝連接處的材料不連續性。當檢查 IC 連接時，通常使用圖 12 所示的集總模型簡化互聯的電氣特性。這張圖說明了寄生效應引起的不同阻抗，並強調了隨著頻率的提高進行阻抗匹配的必要性。因此，封裝的材料的選擇起著關鍵的作用。傳統上，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基板。
圖 13 陶瓷(左側)和有機(右側)基板的頻率特性圖
表明使用有機材料的必要性產品開發流程包括詳細的封裝帶狀線設計的有限元分析。高頻結構模擬(HFSS)模擬電路板 - 封裝 - 矽片接口的電磁特性，優化器件的電性能。在這個分析中，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，最後通過凸起(即封裝和倒裝 IC 的接口)到矽片。接著，針對高達 65GHz 的頻率的 HF 信號連接器進行實驗特性的驗證。
展望分布式軟體無線電設計的未來
從前面討論的技術瓶頸可以看出引入新的架構的必要性。今天，最先進的 Ka 波段直接訪問量化器體現了當前設計的發展方向，如圖 14 所示。圖中，射頻數據採集器件和 FPGA 的信號處理配合工作。每個器件都針對獨立的任務選擇了最優的製程工藝。可以看出，由此產生的密集型 SiP，推動了小型化的發展，並降低了成本，減小了器件封裝。
即將到來的矽光子技術預示著一種增強的設計範式，將適合一種更基本的、系統兼容的用於衛星無線電架構的數字方法。 光學互聯繫統已經經由光學網絡工作論壇 6 的工作標準化，已經建立了一項涵蓋 6Gbps 到 56Gbps 的串行。
圖 14 模塊化 Ka 波段量化器和右側的 Teledyne e2v 的射頻前端 SiP 方案的例子
您準備好迎接軟衛星了嗎？
本文介紹了軟衛星。軟衛星是通用軟體定義的宇航平臺，代表著在未來十年從單一任務、高成本的傳統衛星向本質上更複雜的應用的轉變。推動這一轉變的是前沿數據轉換器和信號處理半導體的出現。
互聯的實施協議。這將允許實現一種全分布式的未來無線電架構(圖 15)，其中超寬帶數字轉換器與天線位於同一位置，並利用光纖將數字數據傳輸到中央處理單元。這一舉措不僅簡化了複雜的波束形成算法，還帶來了額外的設計自由度並減輕了重量。此外，一些令人煩惱的電子問題，如信號失真、噪聲和串擾，都將得以改進。
圖 15 未來的分布式架構利用矽光子技術減輕重量並提高架構的靈活性圖
軟衛星將用於物理層接口的軟體無線電和多任務 OTA 可重新配置的載荷結合起來。考慮到目前的市場力量，這種轉變是非常顯然的。幸運的是，這種需求得到了新興的商業和技術上可行的直接訪問 Ka 波段軟體無線電的支持，其核心技術是新型的寬帶數據轉換器。
綜上所述，Teledyne e2v 制定了涵蓋接收端和發射端的戰略發展規劃。在未來的一年至 18 個月的時間裡，這項工作的成果將會顯現。同時，Teledyne e2v 已經提供了最先進的現場演示，為其計劃的商業和技術可行性提供了可靠的證明。幫助實現軟衛星的研究需要行業內的眾多努力。
令作者感到鼓舞的是，今天，軟衛星概念的許多要素正在進行任務測試。其中一個值得注意的項目是歐洲航天局於 2019 年 12 月發射的 OPS-SAT 衛星。其他並行的行業發展為軟衛星的清晰願景添加了實質性的內容，這也提出了對更高性能數字處理的要求。值得慶幸的是，處理器正在快速地發展，以幫助解決具有挑戰性的地面設備的問題，例如隨著人工智慧(AI)的快速發展，自動駕駛解決方案的開發者面臨的關鍵圖像識別和傳感器數據融合的挑戰。
軟衛星的另一個要素的發展則更為順利。固態放大器技術的發展提高了效率並降低了 SWaP(尺寸、重量和功耗)。包括 Advantech 和 Tesat 在內的幾家公司正在開發這些解決方案，並轉向新的氮化鎵(GaN)器件。太空項目依然充滿風險，然而創新的機會正在迅速增長。因此，現在是評估 RF 軟體化技術和軟衛星概念將如何重塑您的開發計劃的好時機。當今，真正的風險是，行動緩慢的企業將被動作迅速的企業超越。軟衛星範式的早期應用者很有可能享受相當大的市場優勢。現在是採用直接訪問 Ka 波段技術的時候了。
通往軟衛星之路的在軌應用
ESA 的 OPS-SAT 是一顆 7kg 的 3U 立方體衛星。它的軌道高度為 515km，被稱為「太空軟體實驗室」，使用軟體定義無線電和雙核 ARM cortex A9。這顆衛星的設計者表示，它將用於革命性的控制系統和軟體的在軌演示，因為在成熟的衛星上驗證的風險太大。超過 100 家歐洲公司和機構籤署了該平臺的實驗項目計劃。
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