SDR для наземных станций

 Современные радиочастотные технологии смещают парадигму радиосвязи из аналоговой области в цифровой мир. Программная обработка сигналов значительно более надежна, точна, стабильна и гибка, чем аналоговые решения, поэтому радиочастотная промышленность воспользовалась этими подходами для разработки SDR. SDR состоят из двух основных стадий: радиоинтерфейса (RFE) и цифрового бэкэнда (рис. 2).

Рис. 2. На этой блок схеме SDR показаны мощность, время Rx, Tx и платы управления, а также расположения антенн

 

RFE состоит из одного или нескольких каналов передачи (Tx) и приема (Rx), работающих в широком диапазоне настройки от 0 до 18 ГГц (с модернизацией до 40 ГГц) и с высокой мгновенной полосой пропускания — до 3 ГГц, что является самым высоким показателем на рынке — пропускная способность SDR. RFE отвечает за начальное усиление, фильтрацию, микширование и согласование антенн, чтобы довести сигнал до управляемого уровня.

MIMO SDR высокого класса обеспечивают несколько каналов Rx/Tx в RFE. Они взаимодействуют с цифровым внутренним блоком через независимые аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).

Цифровая серверная часть основана на технологии программируемой вентильной матрицы (FPGA) со встроенным цифровым сигнальным процессором (DSP), включая модуляцию, демодуляцию, преобразование с повышением/понижением частоты и пакетирование данных. Кроме того, FPGA может выполнять специфические для приложения функции, такие как протоколы связи, решения для хранения данных и алгоритмы искусственного интеллекта/машинного обучения (AI/ML).

Высокий уровень реконфигурируемости FPGA позволяет легко обновлять SDR до самых передовых радиопротоколов без модификаций аппаратного обеспечения. Кроме того, ПЛИС обеспечивает идеальную основу для параллельной обработки, необходимой в приложениях MIMO.

SDR также используют специальные платы времени для генерации, управления и распределения часов по всем модулям, что позволяет каналам работать синхронно. Управляемые напряжением кварцевые генераторы (OCXO) являются основой высокопроизводительных временных плат, обеспечивая очень точный и стабильный тактовый сигнал 10 МГц, который оптимизирует фазовый шум.

По сравнению с традиционным радиооборудованием преимущества SDR становятся очевидными. Аналоговые радиостанции значительно громоздки, и для каждой радиочастотной функции требуется специальное оборудование, которое нельзя изменить без физической модификации схемы или полной замены оборудования.

С другой стороны, SDR представляют собой гибкое и модульное решение, которое обычно не требует какой-либо аппаратной модификации. Кроме того, модульная, компактная и моноблочная природа SDR позволяет реализовать их для высоких требований к размеру, весу и мощности (SWaP), что имеет решающее значение в спутниковой индустрии.

Кроме того, в то время как аналоговые радиостанции имеют ограниченную точность в спутниковых приложениях, SDR легко поддерживают некоторые функции TT&C, такие как кинематическое позиционирование в реальном времени (RTK). Наконец, SDR можно полностью переконфигурировать «на лету» для адаптации к требованиям приложений, что делает их идеальными для простого распределения ресурсов в сервисных сетях GS.

Хотя SDR обеспечивают несколько преимуществ по сравнению с аналоговыми системами, большинство из которых имеют решающее значение для SATCOM, на рынке существует огромное разнообразие устройств с точки зрения возможностей обработки, энергопотребления, количества каналов, диапазона настройки и других радиочастотных характеристик. Это означает, что не все устройства SDR подходят для приложений управления лучом в GS, поэтому разработчик должен быть осторожным при выборе устройства.

 

Рекомендации по использованию SDR с фазированными решетками

 Первое, что должен учитывать проектировщик при выборе SDR, — это сама антенная система. Требования к спутнику определяют основные параметры антенны, такие как геометрия, размер, количество элементов и процесс формирования луча. Эти требования будут определять основные параметры SDR, такие как возможности MIMO и вычислительная мощность FPGA.

Кроме того, требования к цифровой транспортной сети должны учитывать объем данных, которые должны быть переданы в хост-систему, чтобы обеспечить выгрузку необработанных широкополосных данных с нескольких спутников. Высокопроизводительная архитектура синхронизации имеет решающее значение для фазированных антенных решеток, что позволяет создавать необходимые временные платы с очень низким фазовым шумом и высокой стабильностью. Высококачественные RFE и надежные цифровые серверные части имеют основополагающее значение для преодоления некоторых из наиболее сложных проблем в GS, включая частоту ошибок по битам (BER), доплеровские сдвиги и помехи в совмещенном канале (CCI).

Направление луча и другие методы для фазированных антенных решеток требуют большого объема обработки из-за множества различных лучей и широких диапазонов настройки. Следовательно, цифровая часть SDR, применяемая в антеннах с фазированной решеткой, должна реализовывать FPGA с высокопроизводительными возможностями DSP для встраивания наборов параллельных функций управления лучом (например, фазовращателей и контуров оптимизации). Таким образом, спецификация FPGA является одним из наиболее важных критериев выбора SDR для систем с фазированной решеткой.

Другой важной характеристикой является фазовая когерентность каналов RFE. MIMO SDR необходимы при разработке электронных систем управления, но они также должны обеспечивать достаточную фазовую когерентность для правильного управления антенной решеткой. Стандарт JESD204B определяет последовательный интерфейс между FPGA и ЦАП/АЦП, который обеспечивает высокодетерминированную задержку между каналами, значительно улучшая фазовую когерентность MIMO SDR.

Кроме того, чтобы соответствовать большинству стандартов SATCOM, выбранный SDR должен быть способен работать в диапазонах Ka и Ku, которые являются популярными частотами в спутниковых приложениях, то есть РЧЭ с широкими возможностями настройки. Разработчику также необходимо учесть основные требования к радиочастотам, такие как спецификация усиления, возможности подавления помех и интерфейс хоста. Кроме того, модульные SDR желательны в критически важных реализациях SWaP, в которых разработчик может настроить оборудование для снижения общей сложности и удовлетворения системных ограничений.

 

Современные исследования ESAs

 В настоящее время проводится несколько исследований антенн с электронным управлением (ESA) для приложений SATCOM. Как упоминалось ранее, созвездия наноспутников чрезвычайно полезны для интернет-индустрии и исследовательских приложений, а кубсаты — один из самых популярных примеров.

В этом контексте Шелдон предложили наземную станцию УВЧ с фазированной антенной решеткой, разработанную специально для приложений кубсат. Они применили готовые коммерческие (COTS) компоненты, включая SDR, для управления антенной решеткой с четырьмя элементами, используя решетку, которую можно экстраполировать на восьмиэлементную версию, которая является конкурентоспособной по стоимости с текущими наземными станциями для кубсатов.

Однако они реализовали по одному SDR на каждый элемент, что может значительно увеличить стоимость всей конструкции. MIMO SDR могут управлять несколькими каналами, используя только одно устройство, как для функций Rx, так и для функций Tx, что может снизить общую стоимость и сложность. Тем не менее, исследование продемонстрировало возможность использования оборудования COTS для создания недорогого GS для кубсатов с высоким уровнем гибкости и реконфигурируемости.

Адаптация — еще одна важная особенность наземных станций ЕКА для предотвращения помех. Reyes et al предложили антенную систему с защитой от помех, вызванного уменьшением угла разноса между геостационарными спутниками по мере роста спроса на геостационарные услуги.

Авторы разработали квадратную решетку антенн, реализующую алгоритм минимальной дисперсии с линейными ограничениями (LCMV) для адаптивного управления сигналом каждой антенны для минимизации усиления в направлении помех. В ходе исследования была смоделирована система (рис. 3), достигшая менее -134 дБи при углах помех, а также поддерживая постоянное усиление 38,3 дБи при желаемом угле прихода с отношением сигнал/джиттер-шум. (SJNR) 9,3 дБ.

Рис. 3. Показана схема системы, смоделированной в исследовании Заки и др., с квадратной решеткой антенн, реализующих алгоритм LCMV для минимизации усиления в направлении помех.

 

Заки и др. также предложили аналогичную систему для отслеживания спутников, но она была основана на алгоритме наименьшего среднего квадрата (LMS). Обе системы продемонстрировали высокую степень адаптивности, обеспечиваемую наземными станциями ЕКА.

За последние пару лет ATLAS Space Operations анонсировала LINKS, первую систему ESA в диапазоне S/X для SATCOM. Устройство состоит из четырех блоков, содержащих 16 отдельных антенн и специальный SDR (рис. 4), обеспечивающих более высокий коэффициент усиления, чем обычные параболические антенны без каких-либо движущихся частей.

Рис. 4. Изображена антенная решетка ATLAS с четырьмя антеннами, малошумящим усилителем, понижающими преобразователями IQ и приемниками SDR, передающими сигналы в GPU

 

Устройство использует программно-определяемую радиочастотную платформу для реализации когерентных методов формирования луча, позволяя обнаруживать и отслеживать несколько спутников одновременно. ESA использует SDR для автоматической интеграции системы ESA со своим собственным программным обеспечением, платформой Freedom, которая может соединять несколько GS на одной платформе. Передовая технология, разработанная ATLAS, прокладывает путь к смене парадигмы, обеспечиваемой антеннами с фазированной решеткой и наземными станциями SDR.

 

Вывод

 Новое поколение систем наземных станций смещается в сторону очень гибких и взаимосвязанных инфраструктур, состоящих из небольших станций, очень похожих на сервисные сети. Физические и технологические ограничения параболических антенн больше не удовлетворяют отраслевым требованиям, поэтому антенны с электронным управлением постепенно становятся новой нормой, причем наиболее популярным примером являются антенны с фазированной решеткой.

Такая технология позволяет формировать и направлять луч на основе конструктивной и деструктивной интерференции между элементами антенны, что обеспечивает быстрое и надежное перенаправление луча, а также поддерживает несколько спутников, работающих на разных частотах.

Для управления этими антеннами важно правильно выбрать MIMO SDR с учетом технических характеристик, включая вычислительную мощность, функции FPGA, возможности MIMO и диапазон настройки. Значительный объем исследований проводится в области ESA, включая связь cubesat, адаптивные антенны для отслеживания спутников и антенную решетку ATLAS для связи с несколькими спутниками. Таким образом, вскоре системы на базе ESA станут стандартом для технологий наземных станций.

 

Источник: www.mwrf.com