簡(jiǎn)介

天基激光通信終端集成了指向、采集和跟蹤 (PAT) 系統(tǒng)，這些系統(tǒng)要求在惡劣的輻射環(huán)境下提供出色的精度、可靠性和性能。德州儀器 (TI) 的航天級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 可在這些終端內(nèi)的多個(gè)子系統(tǒng)中提供關(guān)鍵功能。ADC168M102R-SEP 和 ADS1278-SP 有助于在航天級(jí)激光通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)精確的激光定位、反射鏡反饋和電機(jī)位置監(jiān)測(cè)。

激光通信終端架構(gòu)

現(xiàn)代激光通信終端需要在多個(gè)定位系統(tǒng)中進(jìn)行精確的控制和位置反饋，以便在大型星座間建立并維持太空光鏈路。三個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)依賴于高性能 ADC：

1. 激光定位：使用象限光電二極管檢測(cè)光束位置，以實(shí)現(xiàn)精密對(duì)準(zhǔn)對(duì)齊
2. 反射鏡位置反饋：通過應(yīng)變儀電橋測(cè)量來監(jiān)測(cè)反射鏡位置
3. 電機(jī)位置反饋：通過旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器反饋系統(tǒng)跟蹤電機(jī)位置

每個(gè)子系統(tǒng)都面臨獨(dú)特的信號(hào)處理挑戰(zhàn)，而 TI 的航天級(jí) ADC 恰好具備獨(dú)特的能力來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。整體子系統(tǒng)如圖 1所示

圖 1 激光定位系統(tǒng)

激光定位

激光定位子系統(tǒng)使用 4 象限光電二極管來精確跟蹤傳入的激光束位置。象限光電二極管探測(cè)檢測(cè)器由四個(gè)單獨(dú)的光敏象限（Q1、Q2、Q3、Q4）組成，每個(gè)象限產(chǎn)生的電流與照射在其區(qū)域的入射光強(qiáng)度成正比。激光束相對(duì)于探測(cè)器中心的位置通過比較每個(gè)象限的輸出信號(hào)來確定。光電二極管電容通常在幾十皮法 (pF) 至幾百皮法的范圍內(nèi)，而輸出電流在幾十納安 (nA) 到幾百納安的范圍內(nèi)。同時(shí)測(cè)量所有四個(gè)象限時(shí)，該關(guān)鍵功能通過為對(duì)齊系統(tǒng)提供位置反饋來驗(yàn)證信號(hào)接收情況，如圖 2所示。

圖 2 激光定位信號(hào)鏈

為此，每個(gè)象限連接到配置為跨阻放大器 (TIA) 的 OPA4H014-SEP 四通道運(yùn)算放大器的一個(gè)通道。TIA 輸出直接連接到 ADC168M102R-SEP 的輸入端。ADC168M102R-SEP 的 1MSPS 采樣率可實(shí)現(xiàn)對(duì)全部四個(gè)象限的同步采樣，從而以微秒級(jí)響應(yīng)能力實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)波束位置跟蹤。憑借 93dB 的信噪比 (SNR)，ADC168M102R-SEP 能夠檢測(cè)寬范圍電流、微弱信號(hào)及細(xì)微位置變化。

反射鏡位置反饋

精調(diào)反射鏡 (FSM) 是一種高精度光學(xué)器件，能夠以出色的精度快速調(diào)整反射光束的傳播方向。在激光通信終端中，F(xiàn)SM 用于將光束置于需要精確位置反饋的 4 象限光電二極管上。圖 3中所示的 ADS1278-SP 提供了一種用于監(jiān)測(cè)安裝至這些反射鏡的應(yīng)變儀橋式傳感器的設(shè)計(jì)方案。

圖 3 反射鏡位置反饋信號(hào)鏈

每個(gè)反射鏡軸均采用全惠斯通電橋配置，以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償功能。ADS1278-SP 的 8 通道同步采樣架構(gòu)支持對(duì)最多四個(gè)獨(dú)立反射鏡的 X 軸和 Y 軸同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而驗(yàn)證所有軸上的相對(duì)位置數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。此 ADC 具有高分辨率特性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微弧度范圍反射鏡位移的檢測(cè)。

結(jié)語

德州儀器 (TI) 的航天級(jí) ADC 可提供高級(jí)激光通信終端所需的精度、性能和可靠性。ADC168M102R-SEP 在激光定位與電機(jī)反饋兩大應(yīng)用場(chǎng)景中均有出色表現(xiàn)，而同步采樣與 16 位精度正是這兩類場(chǎng)景的核心要求。ADS1278-SP 可提供精調(diào)反射鏡位置反饋所需的超高分辨率。

綜上，這些 ADC 可實(shí)現(xiàn)在天基激光通信系統(tǒng)中建立并維持光鏈路所需的精確控制。憑借優(yōu)異的耐輻射性、性能規(guī)格及可靠性，它們成為不容許任何故障發(fā)生的任務(wù)關(guān)鍵型航天應(yīng)用的首選 ADC 方案。

通過在這三個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)中采用 TI 的航天級(jí) ADC，設(shè)計(jì)人員可打造出性能優(yōu)異的激光通信終端，在嚴(yán)苛的太空環(huán)境中實(shí)現(xiàn)精確的波束控制、快速的目標(biāo)捕獲和可靠的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。