yy.vip易游-IQ spacecom公司X波段收发器 为立方星及机器人航天器开发模块化全双工相位可调X波段收发器

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　　EPFL航天器团队正在推进高性能外层空间科学卫星星座（CHESS）任务，该任务计划于2027年发射由两颗立方星组成的星座。这些立方星将利用飞行时间质谱仪研究地球外层空间的化学成分。为了下行传输所收集的科学数据，卫星将采用本文介绍的一款定制X波段收发器，其工作频率位于10.45 GHz至10.50 GHz的业余频段。该收发器架构采用软件定义无线电技术，并可方便地适配不同的使用场景。这种模块化设计有望适用于未来的航天器任务，例如需要灵活通信系统的主动碎片清除或寿命延长服务，并特别采用了IQ Technologies公司的相关技术。

　　EPFL航天器团队是一个学生团队，正在为高性能外层空间科学卫星星座任务研制两颗3U立方星。该团队由约50名本科生和硕士生组成，并得到洛桑联邦理工学院各个实验室以及瑞士其他学术机构的支持。在EPFL航天器团队的各类研发与项目中，学生通过快速原型制作和迭代设计流程，参与到航天项目整个生命周期中。2023年1月发射的Bunny载荷就是一个例证，该载荷在不到半年的创纪录时间内完成开发、装配、集成与测试。鉴于Bunny在教育和技术两个领域均取得成功，EPFL航天器团队正专注于通过在轨演示与验证，为CHESS任务开发并鉴定下一个子系统。为此，团队确定研制一款X波段收发器，专门针对10.45 GHz至10.50 GHz的业余卫星频率子带，使CHESS立方星能够以比仅使用甚高频或特高频系统更高的速率下行传输科学仪器的数据。目前，使用所开发的X波段系统可实现的数据速率目标约为10 Mbps量级。

　　CHESS任务旨在利用伯尔尼大学和苏黎世联邦理工学院开发的高精度科学仪器，通过飞行时间质谱法研究地球外层空间。CHESS任务致力于填补我们对地球外层空间认知的空白，特别聚焦于化学成分、数密度和总电子含量。该任务旨在对这些参数进行高灵敏度原位测量，以增进相关认知并改进地球高层大气模型。该任务计划分析选定现象及其特征时间尺度，例如大气逃逸、电离层扰动、地震前兆、夜侧输运以及月球和太阳活动周期的影响。通过提供全面的数据，CHESS任务力图为基础研究、应用科学、空间天气预报、气候变化监测及卫星设计等多个研究领域做出贡献。

　　立方星通信系统通常工作在VHF、UHF、S、X和Ka频段。就现有技术和基础设施而言，VHF和UHF频段在卫星通信和运行方面最为成熟，因此得到广泛采用，但其数据速率相对较低。提升电信系统数据速率一直是客观需求，这意味着需要更高频率和更宽带宽，而S、X和Ka频段非常适合高数据速率通信。具体到立方星射频系统，软件定义无线电技术尤为适合，因为它在开发中提供了更高的灵活性，并且所需集成电路可以作为商用现货组件以较短的交付周期和可承受的价格采购。

　　先前的一些小卫星任务也展示了在低频系统之外采用X波段系统来提高下行数据速率的类似做法，例如喷气推进实验室研发的火星立方一号任务、东京工业大学研发的地外及地面遥感平台，以及东京大学研发的Hodoyoshi-3和Hodoyoshi-4。

　　导致本研究选择特定频段的第一个关键要求是国际电信联盟和国际业余无线电联盟为业余无线电爱好者提供了专用频率范围。与分配给商业业务的频段相比，利用业余卫星频谱可显著简化与其他方的频率协调流程。尽管如此，特定任务使用业余频段必须得到卫星原籍国负责业余无线电操作的国家监管机构以及国际电信联盟的授权。就CHESS任务作为瑞士项目而言，相应的国家监管机构是瑞士联邦通信办公室。业余频段的使用仅限于无金钱利益的项目以及纯教育和/或科学目的。

　　第二个关键要求是载波频率需显著高于UHF，以实现更高的数据速率。结合这些要求，得到以下潜在频率范围选项：

　　由于9厘米波段仅提供非常有限的10 MHz带宽，且5厘米波段同时被其他业务使用，因此团队选择了3厘米波段，因为其带宽相对较大且在全世界范围内分配给业余卫星业务。1.2厘米波段本来也是一个有吸引力的选项，但团队认为在K波段设计射频硬件的额外工程要求过高。基于这些原因，团队选择了10.45 GHz至10.50 GHz频段。由于在该频率范围内没有可行的商业解决方案，因此启动了专门针对该频段的收发器开发工作。

　　如引言中所述，目标是在太空环境中对已开发的架构和硬件进行飞行鉴定，作为在轨演示与验证任务，搭载于一颗载具航天器上。这一决定的依据是硬件和软件的技术验证，以及参与项目的学生所获得的教育价值。作为此类商业飞行的备选方案，除了主要针对的业余频率范围外，团队也在并行开展商业频率的开发工作，因为在这种情况下可能适用不同的频率法规。这种双重性将为收发器的首次飞行以及未来的总体任务在业余频段（10.45 GHz至10.50 GHz）或商业频段（7.90 GHz至8.50 GHz）之间提供足够的选择灵活性。此外，商业频段有更多的商用现货组件（例如天线）和研究传承，从而降低了首次在轨演示的风险。研究人员在相关文献中展示的天线尤其值得特别提及，目前该天线正在考虑用于收发器的首次在轨演示与验证任务以及最终的CHESS任务。

　　本文提出的收发器架构包含三个主要组成部分，在原型开发阶段分别放置在不同的开发板上，如下所述并如图1所示。不过，最终设计将侧重于将这些子系统合并到一块定制的印刷电路板中。

　　一款AD9364射频捷变收发器，作为系统的核心组件，在单个集成电路中实现软件定义无线电的主要功能，从而连接模拟信号路径和数字信号路径。

　　一个名为Radio Jerry的定制超外差级，用于将软件定义无线电收发器的输入/输出信号进行混频、放大和滤波，转换到针对业余卫星频段的目标中心频率10.475 GHz。

　　一个基于AMD Xilinx片上系统的ZedBoard开发套件，用于实现所需的数字信号处理程序，并将收发器与主机系统连接。

　　超外差架构通常包含一个或两个混频级，接收端连接模数转换器，发射端连接数模转换器。对于所提出的架构，软件定义无线电收发器在发射端内部产生频率为2.435 GHz的输出信号。该中频信号随后与8.040 GHz的本地振荡器信号进行混频，以获得所需的10.475 GHz输出射频信号。在混频器之后的信号路径中，射频信号经过滤波，并由前置放大器和随后的功率放大器进行放大。鉴于这些放大级，预计可实现的最大发射功率为某值（原文未给出具体数值）。接收端是发射端的逆过程：信号经过滤波、放大，并与8.040 GHz的本地振荡器信号混频，得到相同的2.435 GHz中频，送入软件定义无线电组件，在其中提取基带信号并进行数字处理。超外差架构的关键要求总结于表2中。所列出的可调谐范围源自前述关于可用频段的监管要求。因此，所提出的架构将自身限制在该范围内。

　　所提出的架构是一款半双工收发器；发射链路和接收链路通过一个单刀双掷射频开关切换连接到天线。该特定架构的射频部分是在一块原型板上实现的，团队将其称为Radio Jerry。出于测试目的，Radio Jerry有两个独立的压控振荡器，分别馈入发射和接收混频器，目标是在后续的开发迭代中将其简化为单个频率基准。图2总结了所设计的射频前端，包括核心的软件定义无线电。Radio Jerry上所采用的具体组件及其型号如表1所示。尽管在此阶段发射和接收信号路径都已开发（主要是为了便于测试），但根据任务要求，飞行型号将只保留发射部分。

　　开发阶段的一个重要标准是选择内部匹配到50 Ω线路阻抗的射频元件，避免添加外部阻抗匹配网络。此外，元件的选择在很大程度上受到开发期间元件可用性以及供应商库存不稳定性的影响。Radio Jerry基于Rogers RO4350B高频基板。RO4350B层压板能够严格控制介电常数，并在采用与标准FR-4基板相同加工方法的同时保持低损耗。此外，将射频走线的宽度与印刷电路板上集成电路焊盘的宽度相匹配以避免局部阻抗失配也很重要。对于所选用的元件，0.254 mm的基板厚度非常合适。

　　收发器数据处理功能的开发首先需要选择调制方案。实际上，可选方案很多，且实现复杂度各不相同，因为基于软件定义无线电的架构在调制和编码方案方面提供了很大的灵活性。在软件的第一个迭代版本中，团队决定采用正交相移键控。大多数近地轨道卫星星座使用低阶线性二进制相移键控或正交相移键控调制，只有少数以超宽带通信为目标并采用高阶调制的大型卫星星座例外。此外，当传输距离达到数百公里时，信道衰减相对较大；因此，团队在权衡后采用了一种称为级联码的编码方案。在这种情况下，按照前人研究提出的方法，将卷积编码（码率为1/2，约束长度为7）和里德-所罗门编码（255, 223）相结合。最后，数据在编码完成后进行交织处理。

　　发射端的编码意味着接收端需要进行解码，并且最终需要一些校正来补偿信道对信号的影响以及接收端可能引入的损伤。这些校正包括补偿载波频率偏移和同步接收符号等。为估计这些校正量，将前导码比特附加到经过编码和加扰的数据比特之后一起发送，并在接收端用于时间同步和校正量估计。

　　收发器的设计采用迭代方法，这意味着倾向于在短时间内从理论开发转向物理原型，随后进行测试，并在后续硬件迭代中实现已确定需要进行的改进。在项目当前的设计阶段，硬件开发仅适用于Radio Jerry超外差级，因为这是唯一必须从头开始开发的组件。先前图1所示的布局对应的是优雅面包板模型，因此技术成熟度等级为4级。一旦超外差级的设计得到充分验证，将把软件定义无线电收发器和片上系统集成到定制印刷电路板上，从而得到技术成熟度5级的工程模型。随后，将设计能够完成全套环境测试的技术成熟度6级鉴定模型。参考文献提供了关于不同技术成熟度等级适用定义的更多细节。

　　以下进一步介绍迄今为止已制造的两个技术成熟度4级的Radio Jerry硬件迭代版本，这些版本在实验室环境中进行了组件和/或面包板验证。两个原型分别如图3和图4所示。

　　Radio Jerry的第一个硬件迭代版本是一个概念验证，元件在印刷电路板上的布局满足了阻抗和尺寸要求。但也发现了一些问题，特别是在末级SMA连接器以及功率放大器偏置稳定性方面。印刷电路板上的大部分空间被射频元件正常运行所需的低噪声电源所占据。在此阶段未考虑热学或其他环境约束。

　　Radio Jerry V2是X波段超外差级的第二个迭代版本。除非另有说明，此后所有对Radio Jerry的引用均指第二个原型。上一迭代中存在问题的SMA连接器被替换为匹配良好的传输线。增加了闭环功率放大器偏置电路，以简化电路操作并提高稳定性。考虑了热约束，并安排了将一块3 mm厚的铜板使用低温焊料焊接在功率放大器下方，以实现充分的热耗散。为了使热量从功率放大器通过印刷电路板传导至铜散热器，团队在不干扰集成电路本身焊接的前提下增加了埋孔的数量。此外，在功率放大器附近增加了两个数字温度传感器集成电路，用于监测电路并在超过可接受的温度范围时将其关闭。

　　Radio Jerry V2配备了一个排针接口，用于控制射频部分的启动时序。通用供配电网络、I2C总线以及各个放大器可以分别单独使能。此外，两个引脚控制射频开关，一个引脚使能功率放大器的偏置控制回路。

　　利用所开发的硬件和软件，在射频和基带两个领域通过不同测试对所提出的架构进行了评估，总结如下：

　　- 射频功率水平测试，用于验证信号传播以及Radio Jerry信号路径上各元件的增益与损耗。

　　为评估Radio Jerry射频信号链的性能，按图5所示方式对电路板进行了测试。两台分别设置为12 V和5 V的实验室电源为电路板供电。一块STM32L0 Nucleo开发板提供所需的3.3 V电源、通用输入输出接口以及I2C总线 GHz正弦波函数发生器产生，输出功率为6 dBm，这是受限于测试设备的可用性，而非理想的2.435 GHz值。本地振荡器信号使用板载集成的压控振荡器产生。压控振荡器的调谐电压连接到由I2C接口控制的数模转换器输出端，并由外部开发板进行数字设定。该设置的示意图如图6所示。

　　Radio Jerry的输出通过连接了34.3 dB同轴衰减器的频谱分析仪进行测量和表征，以防止仪器过载。该衰减值代表了同轴电缆的衰减、转接头的衰减以及一个30 dB衰减器的总和。所引入的衰减值已使用矢量网络分析仪在10 GHz频率下进行了验证。在印刷电路板的信号走线中集成了多个射频探针，这些探针在10 GHz频率下的额定附加衰减为-0.5 dB，可用于隔离单个元件并对其分别进行特性表征。测试点的位置如图2的架构框图中所示。

　　测试点1仅测量压控振荡器的输出。测试点2位于从中频到射频的区段之后，包括本地振荡器产生、混频和射频滤波。测试点3进一步沿信号路径延伸，包含前置放大器。测试点4对应从天线端口测得的整个链路。主要频率分量及相应的功率水平汇总于表3中，并与根据各元件增益/衰减预测的功率水平进行了比较，两者总体吻合良好。此外，图7展示了在天线 GHz处有一个频谱峰值，实测峰值功率为-2.67 dBm。考虑到前述引入的衰减，这相当于约31.6 dBm的实际功率，对应的射频输出功率约为1.4 W。测量时分别采用高频率跨度和低频率跨度，以表征宽带和窄带性能。在宽带范围内，未发现明显的由混频引起的尖峰或谐波。在窄带范围内，在中心峰值下方可以观察到略高于噪声底噪的一个小尖峰（见图7），很可能是由功率放大器的三阶输入截点值引起的。二阶效应（如本地振荡器的温度稳定性）尚未进行测试，因为该参数尤其依赖于最终的印刷电路板布局，因此在当前开发阶段无法完全表征。尽管如此，压控振荡器和数模转换器的电压参考源应尽可能远离功率放大器、其偏置电路及其电源，以避免热耦合。

　　总体而言，所进行的射频测试表明，Radio Jerry能够将单音输入混频并放大为所需频率和幅度的单个射频单音。

　　除了射频性能测试外，还对所提出的基带数字通信方案进行了验证，以确保使用Zedboard和AD9364收发器能够实现发射和接收。

　　首先，基带测试在两种不同场景下进行：一种场景专用于无线收发器的发射天线和接收天线），另一种场景实现为环回测试（通过电缆连接收发器的发射端口和接收端口，并旁路任何射频信道）。发射和接收均取得成功，并使用频谱分析仪捕获了信号以确保发射成功。不同的基带测试采用以下设置：AD9364的基带采样率设置为1 Mbps，中心频率设置为2.40 GHz，数据类型使用int16。这些选择并非固定不变，可根据应用和测试进行调整。

　　其次，通过在Simulink中模拟空间信道，对发射和接收方案（采用正交相移键控调制和卷积编码）进行了测试。在传输中加入了近地轨道环境的自由路径损耗衰减和相位噪声（-55 dBc/Hz），所加入的多普勒频移保持在相对较低的3 kHz。同时还引入了噪声温度为290 K的典型热噪声值。在这些条件下，获得了低于10的负9次方的误码率。然而，在极端噪声条件（相位噪声为-46 dBc/Hz）和高噪声温度下也进行了一些测试，误码率急剧上升至10的负6次方。这些结果表明，极端条件可能导致性能急剧下降，需要与射频架构一起进一步研究。此外，后续测试应引入如前所述的里德-所罗门编码和交织，以及增加所引入的多普勒频移。

　　由于所提出的收发器开发侧重于使用商用现货组件而非抗辐射器件，在将最终设计适配空间环境约束时可能会面临一些挑战。尽管如此，先前已有研究针对采用与本文AD9364同一系列收发器的软件定义无线电解决方案进行过研究，并得出结论：对于该特定组件，总电离剂量高达25 krad不会引起任何显著的性能偏差。

　　一旦所开发的收发器架构达到足够高的技术成熟度等级，就必须为组件的空间鉴定制定全面的测试计划。除了适用于硬件无线电或类似组件的环境测试程序外，使基于软件定义无线电的架构具备发射就绪状态可能还需要进行超出标准热真空、电磁干扰和振动测试以外的测试。

　　在大型航天器上也可以观察到向基于软件定义无线电的通信解决方案发展的趋势。诸如Honeywell、Syrlinks、GOMSpace、L3Harris以及IQ spacecom等公司正在开发或已经提供基于软件定义无线电的解决方案，这些方案在频率、数据速率和调制方面提供了更大的灵活性。大多数航天器应用将受益于这些方案提供的更低成本和更高灵活性；而对于机器人航天器设计，例如在轨服务或主动碎片清除任务中，这些优势尤其显著。

　　这些任务的主要制约因素之一是，国际电信联盟的频率归档流程不太适合在任务寿命期间多次改变轨道的航天器。客户航天器或碎片物体所在的轨道甚至在频率协调时可能都不得而知。这导致频率归档变得不必要的复杂，且与国际电联成员国及其他系统的协调更加繁琐。虽然专用频谱可能是一个潜在的解决方案，但在短期内无法实现。相反，基于软件定义无线电的频率捷变模块化收发器可以帮助克服在为在轨服务或主动碎片清除任务协调频谱时可能必须设定的操作限制。

　　对于在轨服务/主动碎片清除任务而言，本文所介绍的这类基于软件定义无线电的模块化前端可以覆盖的最重要频段包括：用于遥测和遥控的S频段、用于遥测/遥控以及图像/仪器数据的C频段、以及用于图像/仪器数据的X频段。尽管在轨服务/主动碎片清除市场及其使能技术仍处于起步阶段，但一些公司已经在交会与服务执行联盟中组织起来。该联盟旨在规范全球范围内交会与服务操作的执行方式，并为这些类型的任务提出频段和电信解决方案建议。

　　所提出的X波段收发器架构的设计由洛桑联邦理工学院一个由具有不同技术背景的硕士生组成的小型团队完成，他们在学业之余同时推进该项目。鉴于此类团队的性质，精确的项目计划进度预测较为困难；尽管如此，表4中列出了过去的一些关键里程碑。元器件（尤其是射频集成电路）的采购周期对迭代式原型开发方法产生了显著影响，在某些情况下需要调整设计以适应硬件的可用性。此外，知识转移仍然是一个持续的挑战，因为有些学生可能不会在整个项目周期内一直留在团队中。在这个特定项目中，核心成员即使在毕业后也将继续参与收发器的开发工作，以避免过早的知识流失，并见证这一组件走向太空。

　　EPFL航天器团队所开发的模块化架构代表了立方星通信领域向前迈出的重要一步。通过利用软件定义无线电技术并瞄准业余频率范围，可以为教育和科学任务实现更高的灵活性、适应性以及更简便的协调流程。以两个原型的制造和测试为标志的迭代开发方法，展示了该团队致力于推进设计并以系统化方式应对挑战的决心。该模块化架构未来有望应用于在轨服务和主动碎片清除任务，从而为不断发展的空间探索与技术格局做出贡献。通过协作、创新和奉献，CHESS任务以及X波段收发器的开发等项目展示了学生主导的倡议在航天领域的能力与潜在影响。

　　总之，EPFL航天器团队的目标是利用Bunny任务中吸取的经验教训，在2024年下半年尽快对本文介绍的X波段收发器进行在轨演示与验证，从而展示该团队作为学生通往太空的快车道的能力。返回搜狐，查看更多