【導讀】本文闡述了當今宇航產業(yè)所面臨的市場的變革，這不但可能顛覆當前的商業(yè)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(fā)展的方向是更靈活的多任務平臺。這些軟衛(wèi)星和現(xiàn)有的衛(wèi)星不同，它們的操作參數和接口都是軟編碼的（即主要由軟件決定），而不是像今天的硬件那樣普遍采用硬連接的方式。這樣，運營商將獲得更靈活、更敏捷的平臺，有助于保護他們的技術投資，并隨著時間的推移向他們傳遞更強的市場反應能力。
本文闡述了當今宇航產業(yè)所面臨的市場的變革，這不但可能顛覆當前的商業(yè)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(fā)展的方向是更靈活的多任務平臺。這些軟衛(wèi)星和現(xiàn)有的衛(wèi)星不同，它們的操作參數和接口都是軟編碼的（即主要由軟件決定），而不是像今天的硬件那樣普遍采用硬連接的方式。這樣，運營商將獲得更靈活、更敏捷的平臺，有助于保護他們的技術投資，并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(chuàng)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(tǒng)降低宇航應用的成本。軟衛(wèi)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(xiàn)直接訪問Ka波段，從而消除中頻無線電環(huán)節(jié)，并首次將射頻軟件化引入了關鍵頻譜波段。實現(xiàn)這種復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(xiàn)在是重新評估架構選擇和準備設計軟衛(wèi)星的時候了。量產的樣品預計在2021年底發(fā)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。
“新太空”簡介和未來的軟衛(wèi)星愿景
歐盟委員會2019年關于歐洲空間部門未來發(fā)展的一份報告1指出，新太空業(yè)務的發(fā)展將給全球范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(fā)展趨勢，并強調了主要的應用、廣泛的風險和獲取資金的挑戰(zhàn)。
新空間趨勢的結果之一是高度靈活的衛(wèi)星即將到來。這些系統(tǒng)（本文稱之為軟衛(wèi)星）是一類復雜的軟件定義的空間平臺。軟衛(wèi)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(yè)模式。對于Teledyne e2v，軟衛(wèi)星是一類將星上軟件定義處理能力與敏捷直接訪問軟無線電(DASRs)相結合的衛(wèi)星，能夠支持多種任務和動態(tài)切換操作模式，以適應市場需求和操作環(huán)境，如圖1中的表格所示。
圖 1 - 利用射頻軟件化，一個軟衛(wèi)星可提供多種潛在的客戶服務
重新配置大大降低了與固定硬件（單一任務）載荷相關的巨大風險。軟衛(wèi)星允許根據需要動態(tài)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(wèi)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(fā)展的浪潮可能預示著“衛(wèi)星做為一種服務2"的出現(xiàn)，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
軟衛(wèi)星的兩個特點是模塊化和直接訪問射頻硬件，使射頻軟件化的使用結合了重新配置的能力。這給予了軟衛(wèi)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件（單一任務）載荷相關的巨大風險。軟衛(wèi)星允許根據需要動態(tài)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(wèi)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(fā)展的浪潮可能預示著“衛(wèi)星做為一種服務2"的出現(xiàn)，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(xiàn)實，允許人們重新思考未來的微波接口和衛(wèi)星通信基礎設施。本文的其余部分將考慮顛覆性的技術和市場趨勢對航天產業(yè)的影響，然后介紹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(wèi)星，其中15%用于通信。
在過去的30年里，通信衛(wèi)星通常被認為是由大企業(yè)或政府運營的高度專業(yè)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(wèi)星(HTS)。今天，大部分的地面數據和通信基礎設施依賴于這種衛(wèi)星網絡與地面基礎設施形成閉環(huán)。我們過去幾十年的經濟增長在很大程度上要歸功于這種傳統(tǒng)模式，盡管它現(xiàn)在已顯示出不堪重負的跡象。要使天基平臺的發(fā)展跟上地面商業(yè)發(fā)展的步伐，仍然面臨挑戰(zhàn)；技術的快速進步需要數年才能應用于太空，增加了運營商的風險。由硬件而不是軟件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(tǒng)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(chuàng)業(yè)在過去的5年里蓬勃發(fā)展，其中值得注意的私營投資包括：
• 2015年，SpaceX公布了其Starlink項目，計劃在低軌(LEO)放置多達30,000顆衛(wèi)星，向所有人提供低延遲寬帶接入服務。
• OneWeb星座項目幾乎與Starlink項目同時公布，初期將包含650顆衛(wèi)星。
• Jeff Bezos于2019年4月宣布，亞馬遜Kuiper項目計劃在未來10年再次發(fā)射3236顆衛(wèi)星，用于低軌寬帶互聯(lián)網服務。
根據IDC在2018年的預測， 預計數據年復合增長率(CAGR)為61%，到2025年將產生175ZB (1ZB = 10^21字節(jié)即1萬億GB)的需求。
不斷增長的數據需求對衛(wèi)星性能的發(fā)展有重大的影響。有關這一話題的統(tǒng)計數據令人瞠目結舌。新的5G無線系統(tǒng)和不斷增長的物聯(lián)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預計數據的年復合增長率(CAGR)為61%，到2025年將產生175ZB(1ZB = 10^21字節(jié)即1萬億GB)的需求。除此以外，由商業(yè)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于太空計劃。一些跡象表明，一場基于高超音速導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(jiān)測氣候變化的影響，因此他們對更高分辨率的儀器越來越感興趣，例如用于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(yè)必須做出反應。下一個十年將是各種空間能力快速發(fā)展和商業(yè)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。
半導體的技術問題對航天業(yè)務的產品供應鏈的影響除非您對半導體技術的發(fā)展趨勢非常了解，否則您現(xiàn)在可能還沒意識到芯片行業(yè)面臨的問題對您未來的產品采
購戰(zhàn)略的影響。有以下兩個關鍵的因素：
• 在28nm的節(jié)點以下，CMOS工藝的最大頻率已達極限。因此，最新的節(jié)點根本不支持建立高級的高頻采樣系統(tǒng)。從工藝的角度看，射頻軟件化是有好處的。
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(fā)展。這一趨勢將為未來十年更廣泛的太空項目和其發(fā)展埋下種子，并加劇太空領域的競爭。
軟衛(wèi)星 (軟件衛(wèi)星)衛(wèi)星系統(tǒng)提供星載軟件定義處理能力，結合靈活的直接訪問軟件無線電（DASR)，能支持多種多模式集成任務（通信、導航和傳感），并動態(tài)切換工作場景以適應市場需求。軟衛(wèi)星的工作任務和無線電接口由加載到衛(wèi)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(wèi)星，但ESA計劃在2020年投入運行OPS-SAT，這是一個成熟的軟衛(wèi)星的先驅。
直接訪問軟件無線電 (DASR)一種智能軟件無線電，其運行特性由算法確定。它在很大程度上不受傳統(tǒng)硬件的限制，并可以通過應用新的代碼動態(tài)重新配置。
•開發(fā)下一代精細工藝的費用和使用這種工藝制造的產品的成本增長迅速，以至于其只能支持大用量的消費類產品。精細工藝越來越遵循收益遞減規(guī)律，其不能帶來顯著的功耗改進，也不能提高晶體管的密度。與此同時，開發(fā)和制造成本卻急劇增長。
RF CMOS 的技術瓶頸過去的20年里，軟件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制程的價格下降勢頭相關。每一個新節(jié)點的商業(yè)化帶來的迭代創(chuàng)新，極大地提升了性能，降低了功耗，并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(fā)展遇到了瓶頸，使創(chuàng)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(xiàn)了原始制程的性能。Fmax（圖2）是晶體管功率增益降至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(xiàn)在頻率的提升逐步減緩，甚至發(fā)生逆轉。在28nm時，fmax的峰值大約是360GHz。隨后，在14nm節(jié)點中，fmax暴跌至28nm時的一半，即160GHz。頻率降低的原因是復雜的。制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(tài)范圍、驅動能力和噪聲電平。那么，當未來的模擬電路受到如此大的阻礙時，行業(yè)將如何保持創(chuàng)新的步伐呢？在歐洲，相關的研發(fā)已將重點放在如下兩個方面：
• DOTSEVEN，一個為期三年的研發(fā)項目，目標是開發(fā)fmax在700GHz左右的硅鍺(SiGe)異質雙極型晶體管(HBT)。
• TARANTO的目標是突破新一代BiCMOS技術發(fā)展的技術壁壘，以更高的集成度推動異質結雙極型晶體管(HBT)的性能提升。
這些項目的發(fā)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(fā)射頻模擬電路的替代制程方法。
圖 2 - CMOS和SiGe制程的fmax的發(fā)展，表示門電路尺寸小于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硅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），而且在小于28nm時成本增長得更快。在軟件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(yè)市場的承受能力。然而，需要強調的關鍵一點是，在建造定制系統(tǒng)時，航天產業(yè)通常依賴于CMOS的規(guī)模和性能收益，這些收益來自于設計ASIC，以實現(xiàn)未來的成本縮減和功率改進。但是，越來越多的專業(yè)模擬電路要么依賴于舊的制程節(jié)點，要么必須采用最新的BiCMOS工藝的硅鍺(SiGe)HBT以實現(xiàn)更高的頻率器件。
因此，由于上文所述的性能挑戰(zhàn)，信號路徑的創(chuàng)新需逐步放棄定制的ASIC方案。未來的射頻信號路徑必然將從Bulk CMOS中脫離出，采用一種改進的架構，其中混合信號前端將與最新的現(xiàn)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可降低成本并提升性能。
在這樣的背景下，像Teledyne e2v這樣的創(chuàng)新公司一直致力于投資制造基礎設施，從而將一種新型的小型集成片上系統(tǒng)(SiP)推向市場。SIP注定是射頻小型化的下一階段發(fā)展的核心，并成為軟衛(wèi)星設計的主要驅動。
軟衛(wèi)星的核心技術發(fā)展
為使軟衛(wèi)星的理論成為現(xiàn)實，有哪些必要的核心技術發(fā)展？最重要的發(fā)展圍繞可重復編程處理、信號調制和解調、協(xié)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(tǒng)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(lián)和背板技術，包括未來的硅光子技術。
3.多通道精確時間同步，確保采樣點同步并保持系統(tǒng)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(tài)功率放大器。以上每一項都對研發(fā)成熟的航天產業(yè)的軟衛(wèi)星有重大影響。由于篇幅所限，本文的其余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件化的方向Teledyne e2v于2019年年中啟動了構建完整Ka波段采樣系統(tǒng)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。
圖 3 - PS620實驗前端板
器件的核心參數
EV12AQ600 ADC
• 四個12-bit 1.6 GSps ADC核心，支持 1、2或4通道時域交織
• 全交織模式下高達6.4 GSps的采樣率
• 6.5 GHz輸入帶寬 (-3dB)
• 集成的寬帶交叉點開關
• 支持多通道同步的同步鏈技術RTH120 THA
• 24 GHz輸入帶寬
• 雙THA使輸出保持時間可超過半個采樣時鐘周期
• 全差分設計
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采樣率，并集成了6.5GHz模擬輸入帶寬的寬帶交叉點開關。這個ADC的設計可用于核心交織。利用四個核心的時域交織，可實現(xiàn)超過6Gsps的采樣率。將奈奎斯特折疊原理應用到K波段THA并選擇合適的采樣頻率，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里有詳細的描述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(tài)范圍(SFDR)的測試中可以發(fā)現(xiàn)三個具體的問題：
• 輸入信號的功率對原始THA動態(tài)性能有很大影響
圖 4 - 高頻優(yōu)化交織的影響
• 工廠校準對ADC高奈奎斯特域交織性能的顯著影響
• 在高奈奎斯特域采樣時ADC積分非線性(INL)誤差的影響
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(yōu)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于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范圍內都有影響。經過反復調整，F(xiàn)c/4的毛刺有了顯著的減少(圖4)。在K波段工作時，基于中心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。
圖 5 - 初始PC樣機的K波段SFDR的實驗結果：校準前和校準后的對比
進一步優(yōu)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校準能實現(xiàn)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）有助于Teledyne e2v建立其直接微波訪問計劃。本文將介紹這一計劃。
新興的微波直接訪問產品路線圖
Teledyne e2v一直致力于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(guī)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并使用新的微波采樣器，使采樣率翻倍，并具有30GHz的可用帶寬。這是超越K波段的第一步。
圖 6 - Teledyne e2v Ka波段軟件無線電發(fā)展路線圖
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采樣時，輸入25GHz的信號，3次諧波的毛刺是-57dBFS，考慮到輸入電平，大約等效于-51dBc的SFDR。這是非常優(yōu)秀的結果。與最初的PS620采用的基于標準封裝和RF印制電路板的設計不同，PS640采用了一種全新的有機低介電的基材，并使用倒裝器件，在改善RF性能的同時減少了占用的空間。這個
33mmx19mm的SiP模塊由Teledyne e2v制造，采用0.8mm的球間距互聯(lián)，包含總計799個節(jié)點。另一方面，這個模塊的焊球和凸起互聯(lián)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(yè)內第一款能實現(xiàn)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(xù)波形的SFDR
圖 8 - PS640 多芯片模塊 (MCM)
Ka波段拼圖的最后一塊
明年年底，計劃中的第三階段的初始樣片有望發(fā)布。這是一款用于量產的SiP。我們?yōu)槠浠ㄙM了36個月或更長的研發(fā)時間。它將包括第二代的微波采樣器。這個采樣器與下一代的ADC核心配對。Teledyne e2v表示，雖然目前還不能透露太多關于完整功能的信息，這款ADC將實現(xiàn)幾項重要的功能增強，以改善核心時域交織的性能，并提供一系列數字控制功能以簡化其在軟件無線電設計中的應用。
Teledyne e2v在最近的研發(fā)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，標志著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(yōu)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(fā)團隊也在開發(fā)對應的發(fā)射路徑解決方案。一款雙路12位電流控制的RF DAC正在研發(fā)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。
圖 9 -2.26 GHz 多音輸出功率譜 (Fclk = 20GSps) ，2RF 模式, 4倍插值, ASINC = ON
EV12DD700將包括一系列先進的功能，為發(fā)射端帶來巨大的靈活性，包括：
• -3 dB 模擬帶寬為25 GHz
• 多種輸出模式，包括2RF模式，允許靈活的上變頻，合成頻
率支持21GHz及更高的頻率
• 數字波束形成
• 可編程反正弦濾波器
• 快速可編程的復雜混頻器，支持高度靈活的跳頻
• 使用32位NCO的數字上變頻
• 通過同步鏈實現(xiàn)的多器件同
這款DAC的SFDR優(yōu)于-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(xù)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(xiàn)代的數據轉換器時，管理高速串行數據流是一個挑戰(zhàn)。Teledyne e2v的產品采用一種名為ESIstream(高效串行接口)的開源12Gbps鏈接技術。這種串行協(xié)議的設計開銷很小，并可為一系列的FPGA(如Xilinx KintexUltrascale和Virtex 7, Intel Arria 10)提供簡單的無需許可證的IP。
ESIstream協(xié)議提供了87.5%的數據效率，其基于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(jiān)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(fā)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的輸出緩沖釋放數據，以確保確定的鏈路延遲。
圖 11 - ESIstream協(xié)議支持的單個ADC確定性延遲的原理
關鍵時序和采樣同步問題
今天，許多無線電應用都使用波束形成來提高系統(tǒng)性能。波束形成利用信號干擾對信號功率進行空間定向。這種系統(tǒng)需要同步采樣，即所有通道都在同一時刻精確采樣。這樣，信號空間（或相位）信息可在天線陣列中得以保持。盡管存在一些不利因素，如復雜度增加，但這種設計仍有一些可取的優(yōu)點：
• 更高的通道信噪比(SNR)可提高無線電鏈路的余量，從而增加信號范圍(或降低所需的發(fā)射功率）
• 由于干擾能量來自特定的方向，波束形成算法可使用信號歸零來限制或減少干擾
然而，工作在GHz頻率，無論是在IC器件或是板級，信號的傳遞時間都是重要的因素。印制電路板(PCB)的走線行為類似于傳輸線，信號走線的長度是否匹配對保持相位信息至關重要。與166ps的時鐘周期相比（對于6GHz的時鐘），1厘米的走線長度將增加60至75ps的信號傳輸時間。因此，板子走線會顯著影響設計，這也是為什么印制電路板的布線是微波系統(tǒng)設計是否成功的一個關鍵要素。
此外，我們還需考慮另一個數字域的重要的因素。亞穩(wěn)態(tài)是數字系統(tǒng)中的一種不確定的狀態(tài)。隨著時鐘頻率的增加，出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)事件干擾系統(tǒng)時序的可能性越來越大。使用適當的同步策略可以對抗亞穩(wěn)態(tài)的影響，即Teledyne e2v使用的同步鏈功能。一般來說，很難通過其他方法保證亞穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)下的確定性操作。JEDECJESD204B sub-class 1的方法難以正常工作，給設計師們留下了糟糕的印象。Teledyne e2v提供了一種健壯的、適應力強的同步方案——使用同步信號為每個器件重新對齊主時鐘。
確定性同步是通過一對事件驅動的差分電信號實現(xiàn)的，即同步和同步輸出(SYNC和SYNCO)。在它們之間，這些信號確保目標器件的時序重置，所有數字子系統(tǒng)都正確鎖定到這個主參考時鐘。此外，同步還可以擴展到大型多通道系統(tǒng)中的多個設備。
同步鏈的優(yōu)點有：
• 相對簡單——無需額外的時鐘，而在系統(tǒng)的生命周期內多個并行通道的同步是有保證的
• 只需訓練一次，即可實現(xiàn)系統(tǒng)同步
• 即使環(huán)境條件（如P, V或T)變化，時序參數保持不變同步鏈提供了一個穩(wěn)定的跨系統(tǒng)同步源。新型高性能封裝和互聯(lián)方法封裝技術是微波系統(tǒng)設計的“魔法”之一。對于任何半導體，封裝提供了健壯的機械特性。它使半導體裸片和鄰近的環(huán)境隔離，有利于散熱，在多數情況下，支持復雜設計中大量的互聯(lián)節(jié)點。
圖 12 - 封裝管腳和IC連接的集總模型
對于微波IC而言，實現(xiàn)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，以及印制電路板和封裝連接處的材料不連續(xù)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(lián)的電氣特性。
這張圖說明了寄生效應引起的不同阻抗，并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(tǒng)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）基板的頻率特性表明使用有機材料的必要性
產品開發(fā)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-硅片接口的電磁特性，優(yōu)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，最后通過凸起（即封裝和倒裝IC的接口）硅片。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。
展望分布式軟件無線電設計的未來
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(xiàn)了當前設計的發(fā)展方向，如圖14所示。圖中，射頻數據采集器件和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(yōu)的制程工藝?？梢钥闯?，由此產生的密集型SiP，推動了小型化的發(fā)展，并降低了成本，減小了器件封裝。
互聯(lián)的實施協(xié)議。這將允許實現(xiàn)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于同一位置，并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復雜的波束形成算法，還帶來了額外的設計自由度并減輕了重量。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 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
即將到來的硅光子技術預示著一種增強的設計范式，將適合一種更基本的、系統(tǒng)兼容的用于衛(wèi)星無線電架構的數字方法。 光學互聯(lián)系統(tǒng)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
您準備好迎接軟衛(wèi)星了嗎？本文介紹了軟衛(wèi)星。軟衛(wèi)星是通用軟件定義的宇航平臺，代表著在未來十年從單一任務、高成本的傳統(tǒng)衛(wèi)星向本質上更復雜的應用的轉變。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(xiàn)。
互聯(lián)的實施協(xié)議。這將允許實現(xiàn)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于同一位置，并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復雜的波束形成算法，還帶來了額外的設計自由度并減輕了重量。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硅光子技術減輕重量并提高架構的靈活性
6.‘OIF-CEI-56G 項目, 源: OIF 2015年9月
您準備好迎接軟衛(wèi)星了嗎？本文介紹了軟衛(wèi)星。軟衛(wèi)星是通用軟件定義的宇航平臺，代表著在未來十年從單一任務、高成本的傳統(tǒng)衛(wèi)星向本質上更復雜的應用的轉變。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(xiàn)。軟衛(wèi)星將用于物理層接口的軟件無線電和多任務OTA可重新配置的載荷結合起來?？紤]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(yè)和技術上可行的直接訪問Ka波段軟件無線電的支持，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(fā)射端的戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃。在未來的一年至18個月的時間里，這項工作的成果將會顯現(xiàn)。同時，Teledyne e2v已經提供了最先進的現(xiàn)場演示，為其計劃的商業(yè)和技術可行性提供了可靠的證明。幫助實現(xiàn)軟衛(wèi)星的研究需要行業(yè)內的眾多努力。令作者感到鼓舞的是，今天，軟衛(wèi)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于2019年12月發(fā)射的OPS-SAT衛(wèi)星。其他并行的行業(yè)發(fā)展為軟衛(wèi)星的清晰愿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(fā)展，以幫助解決具有挑戰(zhàn)性的地面設備的問題，例如隨著人工智能(AI)的快速發(fā)展，自動駕駛解決方案的開發(fā)者面臨的關鍵圖像識別和傳感器數據融合的挑戰(zhàn)。
通往軟衛(wèi)星之路的在軌應用
ESA的OPS-SAT是一顆7kg的3U立方體衛(wèi)星。它的軌道高度為515km，被稱為“太空軟件實驗室”，使用軟件定義無線電和雙核ARM cortex A9。這顆衛(wèi)星的設計者表示，它將用于革命性的控制系統(tǒng)和軟件的在軌演示，因為在成熟的衛(wèi)星上驗證的風險太大。超過100家歐洲公司和機構簽署了該平臺的實驗項目計劃。
幫助實現(xiàn)軟衛(wèi)星的研究需要行業(yè)內的眾多努力。令作者感到鼓舞的是，今天，軟衛(wèi)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于2019年12月發(fā)射的OPS-SAT衛(wèi)星。其他并行的行業(yè)發(fā)展為軟衛(wèi)星的清晰愿景添加了實質性的內容，這也提出了對
軟衛(wèi)星的另一個要素的發(fā)展則更為順利。固態(tài)放大器技術的發(fā)展提高了效率并降低了SWaP(尺寸、重量和功耗）。包括Advantech和Tesat在內的幾家公司正在開發(fā)這些解決方案，并轉向新的氮化鎵（GaN）器件。太空項目依然充滿風險，然而創(chuàng)新的機會正在迅速增長。因此，現(xiàn)在是評估RF軟件化技術和軟衛(wèi)星概念將如何重塑您的開發(fā)計劃的好時機。當今，真正的風險是，行動緩慢的企業(yè)將被動作迅速的企業(yè)超越。軟衛(wèi)星范式的早期應用者很有可能享受相當大的市場優(yōu)勢?，F(xiàn)在是采用直接訪問Ka波段技術的時候了。
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