תצפית כדור הארץ מבוססת לווין (EO) הפכה כלי חיוני למעקב אחר הסביבה של הפלנטה שלנו, ניהול משאבי טבע, ותגובה לאסונות.לב של כל מטען EO הוא החיישן שלוכד קרינה אלקטרומגנטית או פולטת מהמשטח של כדור הארץ, בין אם במהירויות גלויות, אינפרא אדום, או מיקרוגל.

תפקיד מרכזי של ADCs במערכות תצפית כדור הארץ

לוויין EO טיפוסי, שרשרת המטען מתחילה עם חיישן אופטי או מכ"ם שממיר קרינה לתוך זרם חשמלי או מתח.אות אנלוגי זה מותנה על ידי מגברים ומסננים לפני שספרה על ידי ADC. הזרם הדיגיטלי נכנס למעבד אותות דיגיטלי של פחמן דו-חמצני (קיצור של ספקטרום), עיבוד נתונים, ולפעמים על עיבוד תמונה סינתטי.

ראשי תיבות של Space-Grade ADCs

עיצוב ADC לחלל מציג ביצועים ייחודיים של עסקאות סחר חליפין מעבר לאלה שנפגשו ביישומים מהירים ארציים.הפרמטרים הקריטיים ביותר כוללים:

  • (FLT:0Sampling Rate (Speed): FLT:1 Measured ב MSPS או GSPS, זה מגדיר כמה מהר האות האנלוגי הוא מדגם. עבור עיבוד SAR בזמן אמת או וידאו מלוטש גבוה מלווינים גיאוסטציונריים, מעל 1 GSPS עשוי להיות נדרש.
  • (FLT:0)Resolution (מספר קוצר של ביטים, ENOB): FLT:1 מספר ה bits קובע את יחס האות התיאורטי ל-noise (SNR) חשבונות ENOB עבור רעש ועיוות בעולם האמיתי. המדינה-of-the-art שטח ADCs היעד ENOB בין 10 ל-14 סיביות במהירויות גבוהות.
  • (FLT:0) , דינמיקה חופשית ללא תשלום (SFDR): מדד של כמה טוב ה- ADC דוחה עיוות הרמוני; חיוני לזיהוי אותות חלשים בנוכחותם של חזקים, במיוחד במערכות רב-ספקטרום ו- SAR.
  • (FLT:0) Power Dissipation: FLT:1 עם כוח סולארי מוגבל תקציבים תרמיים מחמירים, כל מילימטריוואט נחשב יעילות כוח (ב mW per MSPS) הוא דמות מפתח של ערך.
  • (FLT:0) עידוד סובלנות: FLT:1) מנה כוללת של יון (TID), אפקטים חד-לשוניים (SEE), ונזקי העקירה חייבים להיות מתנגדים.זה דורש לעתים קרובות טכנולוגיית תהליכים מיוחדים או טכניקות עיצוב מעגלים.
  • (FLT:0 ; Temperature Range and Stability:FreaLT:1) ADCs חייבים לשמור על ביצועים מוגדרים על פני תנודות טמפרטורה רחב (למשל, 55 מעלות צלזיוס ל +125 ° C) במסלול.

אתגרים עיצוביים גדולים ואסטרטגיות מייגציה

סביבת החלל מטילה מערכת של מתחים חמורים ש- ADCs מעולם לא עומדים בפניה.מייג אותם דורש גם החידושים ברמת תהליכים ורמת מעגלים.

קרינה: Hardness

קרינה בחלל מגיעה מפרוטונים ואלקטרונים לכודים (Van Allenחגורת), התלקחות הסולאריות, וקרניים קוסמיים.חלקיקים אלה יכולים לגרום נזק מצטבר (TID) וטעויות טרנסנדנדנט (SEE כגון זעזועים חד-פעמיים, latch-up, ו-Rashouting) לשרירים מסורתיים (Ride-Ride-Cide) אינם יכולים לפגוע בטכניקות להורדת חום-RDC (Ride-Ride-Ride-Ride-Ride-Ride-RDC) באופן קבוע) ולכן, לעתים קרובות, כולל CMOS-Ride-Ride-Ride-Ride-Ride-Ride-Ride-Ride (מסוגיות (מסוגיות) של CM-Ride) של CMOS) של CM-Ride-Ride-Ride-Ride-Ride-Ride-Ride-Ride-Ride-Ride-Ride-Ride-Ride-Ride-Ride-Ride-Ride-Ride (מסוגיות (מסוגיות (מסוגיות) (מסוגיות) (מסוגיות) הן פגיעות

כוח יעילות

Spacecraft יש תקציבי חשמל מוגבלים, לעתים קרובות פחות מכמה קילווואט עבור הלוויין כולו, עם היטל שיתוף שבריר.- ADCs במהירות גבוהה יכול לצרוך וואט של כוח, ייצור חום כי יש לבצע כדי רדיורנים.מעצבים להשתמש כמה אסטרטגיות: באמצעות CMOS עמוק (למשל, CMOS SARL), להפחית את הכוח הדינמי באופן יעיל; הקטנת מהירויות של אנרגיה מתקדמות יותר, כגון דחיסה מהירה יותר, או קיבולת מופחתת חשמל (למשל, CMCDCOS).

ניהול ארס

הרכיבה הטמפרטורה מיום / לילה למסלול יכול להגיע קיצוניות. ADCs חייב להיות מתוכנן עם מתחים התייחסות יציב וטמפרטורות נמוכות coefficients עבור רכיבים קריטיים. בנדגפ הפניות עם פיצויי רפה ו מגברי מגברה עמידים נפוצים.העיצוב הפיזי גם מבטיח הפצה אחידה חום כדי למנוע ⁇ s כי לגרום לסחף גבוה ביצועים, בקרה פעילה (DC) הוא גם כן, אבל משמש את טווח חום קבוע, אבל הוא מוסיף כוח.

גודל ומשקל קונורינטים

עומסי תשלום לווינים ארוזים בקפידה, וכל חומר דקדוק. ADCs הם בדרך כלל חלק גדול יותר של ASIC או מודול רבצ'יפ.המגמה היא לקראת שילוב גבוה יותר: שילוב של ערוצי ADC מרובים, עיבוד דיגיטלי, וסידורים לתוך חבילה אחת.זה מקטין את אזור הלוח, פרציטיות הדדית, ומשקל.

אפשרויות ל-Surney ADCs

אין ארכיטקטורת ADC אחת שולטת; הבחירה תלויה בשילוב הנדרש של מהירות, רזולוציה, כוח וקרינה קשיחות.שלוש המתמודדים העיקריים הם צינורות, sigma-delta ו SAR (כולל גרסאות הזמן המבולדות).

פייפר ADCs עבור מהירות גבוהה

פיפיר ADCs להשיג שיעורי דגימה גבוהה (hundreds של MSPS לכמה GSPS) על ידי קסרקטינג מספר שלבים ברזולוציה נמוכה.כל שלב מדמה ערך קורקציה, משנה אותו, ומעביר את החסינות המוגברה של ספקי חשמל מתקדמים (ACMrad) לעתים קרובות באמצעות אספקת אלקטרון טוב בין מהירות ורזולוציה (עד 12-14, עם קיבולת מהירה יותר מאשר CMVerv טכניקות CM).

Sigma-Delta ADCs עבור החלטה גבוהה

Sigma-delta ( ⁇ ) ADCs הם ממרים מפריזים כי מהירות המסחר עבור מאוד גבוהה רזולוציה (עד 24 סיביות) הם אידיאלי עבור חיישני פס צרים כמו תמונות hyperspectral שבו רוחב האות הוא כמה מגה-הרץ אבל טווח דינמי מעל 100 dB נדרש גם. עבור חלל, מודטורים ⁇ בזמן דיסקרטי באמצעות מעגלים מעבורת-capacitor הם נפוצים יותר מאשר דרישות דלקתיות חמורות יותר מאשר לחץ דם מהיר.

נספח (SAR) ADCs

SAR ADCs הפכו פופולריים מאוד בשנים האחרונות בשל יעילות הכוח יוצאת דופן שלהם.הם פועלים על ידי חיפוש בינארי באמצעות DAC, הדורש מחזורי N עבור N ביטים.עבור מהירויות בינוניות (עד עשרות MSPS) ורזולוציה בינונית (12-14 ביטים), SAR ADCs יכול להשיג נתונים של מעל 10 fJ / conversion-Step. עבור חלל, ASARs הם לעתים קרובות אטרקטיבי עבור סוללות זמן קצר;

טכניקות עיצוב מתקדמות

כדי לדחוף את הביצועים קדימה תוך שמירה על אמינות במסלול, מעצבים מעסיקים מספר טכניקות מתקדמות.

דינמיות Elementing

ברזולוציה גבוהה ⁇ ו SAR ADCs, ליניאריות של DAC הפנימי הוא לעתים קרובות הגורם המגביל. דינמיקה אלמנט תואם (DEM) אקראי השימוש של אלמנטים יחידה כדי להמיר שגיאות לאות לרעש בצורת, ביעילות דוחף עיוות מתוך הלהקה האות.עבור חלל, DEM חייב להיות מיושם עם לוגיקה דיגיטלית סובלנית קרינה.

דיגיטציה דיגיטלית

על שבב תיקון דיגיטלי עבור שגיאות סטטיות שנגרמו על ידי capacitor לא תחרות, קומפוטור מההתחלה, ולהשיג שגיאות. בסביבה חלל, פרמטרים יכולים לנסחף לאורך זמן בשל הזדקנות וחשיפה קרינה. לכן, רבים rad-Hard ADCs כוללים סחף רקע תקופתי כי מעקב ביצועים על נתונים חיים והתאמות coefficients.זה מאפשר ENOB גבוה לאורך המשימה, לדוגמה, עבור מעבור מהפך רקע איטי של מערכת ההפעלה עבור מנטראקטיביסט של לוח זמנים.

תיקון ותיקון שגיאות

בהתחשב בהסתברות של אפקטים חד-משמעיים, תת-ADCs יכול להיות משולב.בטווח קצר, אחד או יותר ערוצים חסונים ניתן לעבור אם ערוץ נכשל.תיקון שגיאות של קדימה (FEC) החל זרם הנתונים הדיגיטלי יכול גם להפחית את פיסות bit.עם זאת, טכניקות אלה להוסיף מורכבות וכוח; המעצב חייב להעריך את דרישות המשימה עבור שלמות נתונים לעומת מגבלות משאבים.

מגמות עתידיות בעיצוב חלל ADC

העשור הבא יראה כמה מגמות טרנספורמטיביות שיגבירו עוד יותר את יכולות לוויינים תצפית כדור הארץ.

(FLT:0) אינטליגנציה מלאכותית עבור קליברציה הסתגלותית: אלגוריתמים של למידת מכונות יכולים לייעל את ה- ADC בזמן אמת, להסתגל לשינויים תנאים כגון טמפרטורה או שינויים הנגרמים קרינה.

(FLT:0) אינטגרציה heterogeneous ו 3D Packaging:FLT ( 1D שילוב טכנולוגיות מוליכים למחצה שונות (למשל, GaAs amplifiers with Si CMOS ADCs) בערימה 3D יחיד יכול לשפר את הביצועים ולהקטין את טביעת הרגל.באמצעות silicon באמצעות (TSVs) לאפשר חיבורים צפופים, קריטי עבור מגוון גדול של ערוצים עתידיים במערכות היפר-ספקטרום וספקטרום רחב של ספקטרום.

(FLT:0Gallium Nitride (GaN) ו- Wide Bandgap Semiconductors:cioFLT:1 עבור הרבה מאוד גבוה כוח תשלום (למשל מכ"ם פעיל), GaN מציע מתח התמוטטות גבוה יותר וסובלנות קרינה טובה יותר מאשר סיליקון. בעוד GaN ADCs עדיין לא הזרם המרכזי, מחקר מתקדם על מעגלים המבוססים על GaN-andhold ו-holdsparators שיכול להוביל נתונים.

(FLT:0) software-Defined Payloads:BuildFLT 1 Reconfigurable ADCs אשר יכול להתאים את קצב הדגימה, פתרון, צריכת חשמל על זבוב יאפשר לוויין אחד לתמוך מצבי תצפית מרובים - במהירות גבוהה עבור הדמיה חירום, ברזולוציה גבוהה עבור סקרים מדעיים.

יתר על כן, דחיפה ללווינים בעלי ביצועים גבוהים (>100 Gbps downlink) תדרוש ADCs עם שיעורי מדגם מעל 10 GSPS והחלטות מעל 8 ביטים, ככל הנראה באמצעות ארכיטקטורות עם ריצוף מתוחכם.

מסקנה

תכנון מהיר, פתרונות גבוהים להתבוננות על פני כדור הארץ מבוססת לווייני הוא אתגר הנדסי רב פנים הדורש אופטימיזציה במקביל של מהירות, החלטה, כוח וסובלנות קרינה.התקדמות בארכיטקטורה - מצנרת ו-Sigma-delta ל- SAR ו-Time-intersidesideides - אפשרו שיפורים דרמטיים בביצועים תוך עמידה במגבלות של טכניקות חלליות, כגון אלמנטים דינמיים, אינטגרציה דיגיטלית, ו-ADC פתוח יותר, מבטיחות, אינטגרציה דיגיטלית, ויזואלית, אינטגרטיבית, גם אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרציה חדשה אינטגרציה, , , , אינטגרטיבית, , אינטגרציה, אינטגרטיבית, , אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית

לקריאה נוספת, מומלץ להתייעץ עם המאמר על עיצוב קרינה-קשה ADC:2NASA של משימות תצפית כדור הארץ 3.