全数字波束成形(DBF)在容量、控制和灵活性方面的优势

科技 2024-11-02 22:10 江苏

随着迈入对高频谱效率要求很高的大容量无线接入系统的时代，天线阵列正发挥着越来越重要的作用。MIMO天线阵列已经成为蜂窝和无线局域网标准的组成部分。这些有源天线阵列在下一代高通量卫星（HTS）通信中也将发挥同样重要的作用。

此外，OneWeb、Telesat、SES和SpaceX等公司的大型低地球轨道（LEO）和中地球轨道（MEO）卫星星座将需要可跟踪多颗卫星的地面终端天线，这些趋势正在推动从具有静态固定波束模式的无源天线向全方向可调的有源智能天线转变。

本文讨论了数字波束成形(DBF)在容量、控制和灵活性方面的优势，并描述一个采用真时延（TTD）实现DBF的商用ASIC，它是DBF与集成射频前端（RFFE）相结合，使得模块化的电扫多波束阵列（ESMA）天线系统适用于更广泛的应用场景。

对于均匀线性阵列，以角度θ入射的波前在不同阵元上产生延迟（τ…Nτ），这种延迟导致天线阵列的波束会随频率而变化。为了在所需的频率范围内具有平坦的波束，天线的相干带宽应大于信号的带宽，这意味着Nτ<<Ts，其中Ts是符号的持续时间。

这个条件要求系统具有进行延迟补偿以相干地叠加信号。下图显示了由于阵列的频率选择性而产生的波束偏移，这在真时延（TTD）波束形成中不会发生。关系式Nτ<<Ts表明，如果天线非常大（N）或Ts持续时间非常短，即带宽非常大，则天线的延迟扩散相对于持续时间可能变得非常大。

SatixFy开发的TTD DBF见下图。Prime ASIC具有模块化和灵活的架构，支持实时重新配置、在线校准和构建大型天线的可扩展性。Prime在每个天线阵元上都使用高速模拟数字转换器（ADC）和数字模拟转换器（DAC）对信号进行数字化，处理数据速率超过2Tbps。

Prime通过高带宽的I/Q接口连接到包含射频收发器的RFFEs。在每个DBF中，ADCs和DACs都连接到高分辨率的数字相移器和数字延迟电路，这些电路实现了TTD，以避免波束偏移，从而实现宽带信号的发送和接收。DBF芯片通过一个高速数字串行总线（SERDES）互相连接，实现了高度集成、可控和可扩展的天线系统。

Prime DBF的关键特性包括：

• 超过1 GHz的瞬时信号带宽。

• 多波束能力：最多可达32个波束，每个波束都有独立的相位、增益和延迟控制。

• 每个波束形成器链路的均衡/预均衡和数字预失真。

• 2 GHz模拟基带接口。

• 与SatixFy的Sx3000调制解调器通过SERDES接口紧密集成。

• 支持带有L波段接口的外部调制解调器。

• 非常高速的波束跟踪和波束转向。

• 线性和圆极化控制。

• 内部同步引擎的自我校准。

• 天线控制与Sx3000调制解调器集成。

• 为应用量身定做的省电模式和配置。

灵活的ESMA架构使得具有低重量和低功耗、低成本、自适应的天线系统成为可能，使得该系统对于各种应用都具有很强的吸引力：

物联网(IoT)

在农村地区，卫星可以提供盲区覆盖，将传感器和其他实体连接到云端，如用于农业、天气、石油和天然气测量的传感器。ESMA使得可以自动搜索、获取和跟踪卫星的紧凑型、低成本和低功耗的物联网天线成为可能。ESMA消除了笨重的机械结构，大大降低了安装成本，并使得在车辆、船舶、飞机和无人机上的移动应用成为可能。使用适当的波形，可以使得小天线尺寸在非常低的信噪比下进行通信成为可能。

宽带通信，适用于陆、海和航空应用

高容量的GEO网络和新的LEO和MEO卫星群将有助于满足对宽带接入的需求，无论是在偏远地区的固定终端还是SOTM应用。在过去的十年里，商业航空公司对宽带连通性和机上娱乐的需求表明了对低阻力和高可靠性天线系统的需求，这使得基于ESMA的共形天线成为一个好的解决方案。

同时的多波束能力使得与多颗卫星的同时连通以及在切换高速LEO卫星的波束时保证无缝连通成为可能。这些同样的优点也延伸到了陆地移动和海洋应用，其中基于ESMA的SATCOM链接可以与陆地广域通信共存。ESMA可以根据所需的链路预算、物理尺寸、重量和功耗约束进行缩放。

5G应用

与4G相比，5G数据速率的跃升依赖于具有多个宽带、定向波束的智能天线。ESMA的波束形成能力可以将频谱利用率提高两个数量级。DBF中的高精度相移器和TTD使其适用于毫米波和sub-6 GHz阵列。

ESMA的灵活性使得可以动态地重新配置波束，并结合1D和2D双极化扫描，适用于视线和非视线通道条件。通过TTD波束形成，可以在整个蜂窝频段内实现高增益和无偏移的天线模式。

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