完全デジタル ビームフォーミング (DBF) – 容量、制御、柔軟性におけるデジタル ビームフォーミング (DBF) の利点

高いスペクトル効率を必要とする大容量無線アクセス システムの時代を迎えるにつれ、アンテナ アレイが果たす役割はますます重要になっています。MIMO アンテナ アレイは、セルラーおよび無線 LAN 規格の不可欠な部分になっています。これらのアクティブ アンテナ アレイは、次世代の高スループット衛星 (HTS) 通信でも同様に重要な役割を果たします。

さらに、OneWeb、Telesat、SES、SpaceX などの企業による大規模な低地球軌道 (LEO) および中地球軌道 (MEO) 衛星群では、複数の衛星を追跡できる地上端末アンテナが必要になります。静的な固定ビーム パターンを持つパッシブ アンテナは、全方向に調整可能なアクティブ スマート アンテナに変換されます。

この記事では、デジタル ビームフォーミング (DBF) の容量、制御、および柔軟性の利点について説明し、DBF と統合無線周波数フロント エンド (RFFE) を組み合わせて、真の時間遅延 (TTD) を備えた DBF を実装する商用 ASIC について説明します。アレイ (ESMA) アンテナ システムは、より広範囲のアプリケーション シナリオに適しています。

均一な線形アレイの場合、角度 θ で入射する波面により、さまざまなアレイ要素に遅延 (τ...Nτ) が生じ、この遅延によってアンテナ アレイのビームが周波数とともに変化します。所望の周波数範囲でフラットなビームを得るには、アンテナのコヒーレンス帯域幅が信号の帯域幅より大きくなければなりません。これは、Nτ << Ts を意味します。ここで、Ts はシンボルの継続時間です。

この状況では、信号をコヒーレントに重ね合わせるための遅延補償がシステムに備わっている必要があります。以下の図は、アレイの周波数選択性によるビーム シフトを示しています。これは、真の時間遅延 (TTD) ビームフォーミングでは発生しません。Nτ<<Ts の関係は、アンテナが非常に大きい (N) か、Ts の継続時間が非常に短い場合、つまり帯域幅が非常に大きい場合、アンテナの遅延スプレッドが継続時間に比べて非常に大きくなる可能性があることを示しています。

SatixFy が開発した TTD DBF を下の図に示します。Prime ASIC は、リアルタイムの再構成、オンライン キャリブレーション、大型アンテナを構築するための拡張性をサポートするモジュール式の柔軟なアーキテクチャを備えています。Prime は、各アンテナ要素で高速アナログ デジタル コンバーター (ADC) とデジタル アナログ コンバーター (DAC) を使用して信号をデジタル化し、2Tbps を超えるデータ レートを処理します。

Prime は、高帯域幅 I/Q インターフェイスを介して RF トランシーバを含む RFFE に接続します。各 DBF では、ADC と DAC が高分解能デジタル位相シフタとデジタル遅延回路に接続され、TTD を実装してビーム偏向を回避し、広帯域信号の送受信を可能にします。DBF チップは、高速デジタル シリアル バス (SERDES) を介して相互接続され、高度に統合され、制御可能でスケーラブルなアンテナ システムを実現します。

Prime DBF の主な機能は次のとおりです。

• 1 GHz を超える瞬間信号帯域幅。

• マルチビーム機能: 最大 32 個のビーム、それぞれが独立した位相、ゲイン、遅延制御を備えています。

• 各ビームフォーマ リンクのイコライゼーション/プリイコライゼーションおよびデジタル プリディストーション。

• 2 GHz アナログ ベースバンド インターフェイス。

• SERDES インターフェイスを介した SatixFy の Sx3000 モデムとの緊密な統合。

• L バンド インターフェイスを備えた外部モデムをサポートします。

• 非常に高速なビーム追跡とビームステアリング。

• 直線偏光および円偏光の制御。

• 内部同期エンジンの自己校正。

• Sx3000 モデムと統合されたアンテナ制御。

• アプリケーションに合わせた省電力モードと構成。

柔軟な ESMA アーキテクチャにより、重量と消費電力を抑えた低コストのアダプティブ アンテナ システムが可能になり、このシステムはさまざまなアプリケーションにとって非常に魅力的なものになります。

モノのインターネット (IoT)

農村地域では、衛星がデッドゾーンをカバーし、農業、気象、石油とガスの測定に使用されるセンサーやその他のエンティティをクラウドに接続できます。ESMA により、衛星を自動的に検索、捕捉、追跡できる、コンパクト、低コスト、低電力の IoT アンテナが可能になります。ESMA はかさばる機械構造を排除し、設置コストを大幅に削減し、車両、船舶、航空機、ドローンでのモバイル アプリケーションを可能にします。適切な波形を使用すると、小さなアンテナ サイズで非常に低い信号対雑音比で通信することが可能になります。

陸、海、航空アプリケーション向けのブロードバンド通信

大容量の GEO ネットワークと新しい LEO および MEO 衛星群は、固定端末または遠隔地での SOTM アプリケーションのいずれであっても、ブロードバンド アクセスの需要を満たすのに役立ちます。過去 10 年間にわたり、ブロードバンド接続と機内エンターテインメントに対する民間航空会社の需要により、低抗力で信頼性の高いアンテナ システムの必要性が実証されており、ESMA ベースのコンフォーマル アンテナが優れたソリューションとなっています。

同時マルチビーム機能により、複数の衛星に同時に接続でき、高速 LEO 衛星からのビームを切り替える際にシームレスな接続を確保できます。これらと同じ利点は、ESMA ベースの SATCOM リンクが地上広域通信と共存できる陸上モバイルおよび海洋アプリケーションにも拡張されます。ESMA は、必要なリンク バジェット、物理サイズ、重量、消費電力の制約に基づいて拡張できます。

5Gアプリケーション

4G と比較した 5G データ レートの飛躍は、複数の広帯域指向性ビームを備えたスマート アンテナに依存しています。ESMA のビームフォーミング機能により、スペクトルの利用率が 2 桁向上します。DBF の高精度移相器と TTD により、ミリ波およびサブ 6 GHz アレイに適しています。

ESMA の柔軟性により、ビームを動的に再構成し、見通し内と見通し外の両方のチャネル条件に対して 1D および 2D デュアル偏波スキャンと組み合わせることができます。TTD ビームフォーミングを使用すると、セルラー周波数帯域全体にわたって高ゲインでオフセットのないアンテナ パターンを実現できます。