אינטרנט בפס רחב שפרוש על פני אוקיינוסים מעודד את הדרישה לממירי נתונים בגלי מיקרו ברמת ביצועים מתאימה לחלל

Nicolas Chantier, e2v

שירותי תקשורת לוויינית נותרו האפשרות היחידה לקבלת גישה לאינטרנט בפס רחב
הפרוש על פני אוקיינוסים.
הטכנולוגיה ממשיכה להתפתח ומאמצי מחקר ופיתוח נעשים בכל אחד מהשלבים, החל ביצרני החומרה – הן זו המתוכננת לציוד המיועד לשימוש בחלל, וגם לשימוש על פני הקרקע או לשימוש בים – ועד לספקי תוכנה וספקי שירותים ברמה גבוהה.

איור 1: תרשים עקרוני של מקמ"ש במטע"ד לפס L עם דרגות המרת תדירות מוקטנות

אינטרנט רחב פס שמשמש כיום ברחבי אוקיינוסים, מציע כבר עתה, טווח רחב שמיועד לשירותים שימושיים שמתרחבים והולכים, ככל שיצרני השירות הופכים ליותר יצירתיים.
לדוגמה, מערכות מודרניות ומתקדמות לניווט ימי מורכבות יותר ונדרשת להן תעבורה של נתוני אינטרנט רבים יותר מאשר אלו הנדרשת למערכות ניווט בכלי רכב רגילים.
יש להם צורך במידע ייחודי, כגון תרשימי ניווט מעודכנים לעתים קרובות, נתונים הפרשיים של מערכת ניווט באמצעות רשת לוויינים עולמית (GPS), תכנון נתיבים וייעול (אופטימיזציה) של נתיבים, שייקבעו בשילוב פעולה עם המטה התפעולי שבסיסו ביבשה ועל פי תחזיות של מזג אוויר, לרבות נתונים ייחודיים לגבי כמות משקעים, נחשולים, מהירות הרוח וכיוון הרוח, וכמו כן, מידע לגבי גושי קרח וטמפרטורת פני המים.
בנוסף, למנהלי ציים ימיים יש יכולת להיות מקושרים לכלי השייט שלהם בזמן אמת, מרחוק, ממקומם במטה שבסיסו ביבשה. תכונה חשובה לניטור המיקום והמהירות של כל אחד מכלי השייט, לניטור מערכות המדידה של כלי שייט ולניטור מצב המטען.
התעשייה בתחום הדייג יכולה כעת גם היא להפיק תועלת מהיכולת לשתף נתוני זמן אמת לגבי דייג, על מנת להעביר את תוצרת הדייג אל השוק במהירות רבה לאחר הוצאת הרשתות ליבשה.
נתונים ייחודיים לגבי סוגי הדגה וסוגים של מאכלי ים, משקלם, תמונות שלהם ואפילו סרטוני וידיאו, אפשר לשלוח בזמן אמת למערכות התפעול שביבשה, בנוסף לתקשורת ישירה בין הצוות שבסיפון והצוות שביבשה.

איור 2: המשמעות של קצב דגימה גבוה היא אזורי Nyquist רחבים, והמשמעות שלהם היא מספר גדול של ערוצי FDMA לכל שרשרת אותות.

שירותים נוספים שקיימים כוללים מתן שירותים רפואיים באמצעות תקשורת מרחוק, היכולת לקבל קישור ישיר עבור שירותים רפואיים באמצעות תקשורת מרחוק עם אנשי צוות רפואי מיומנים שנמצאים בבסיסם ביבשה, יכולה להיות תכונה חשובה מאוד לבטיחותם של אנשי הצוות המשרתים בכלי השייט שנמצאים הרחק מנמל כלשהו.
מנקודת מבט פונקציונלית, לווייני תקשורת גיאוסטציונריים (הנמצאים בנקודה גבוהה וקבועה מול כדור הארץ) נמצאים במסלול מעגלי מסונכרן לכדור הארץ במרחק אנכי של 35,786 ק”מ מעל קו המשווה, והם צריכים לספק קישורים לנתונים בפס רחב למסופים שונים שנמצאים על פני היבשה ועל פני הים. המרחק שבין הלוויין והמסוף ידוע בכינוי הנתיב האלכסוני הישיר (slant).
מרחק ארוך או נתיב אלכסוני ארוך, עם הפסד עוצמת האות בחלל החופשי הכרוך בכך, אינו האתגר היחיד שאותו צריכים מתכנני ממשקי רדיו לקחת בחשבון.
המתכננים צריכים ליצור מודל של ניחות האותות העוברים לאורך הנתיב אלכסוני ושל שינוי המופע (phase alteration) שלהם, לכמת אותם ולפצות עליהם.
הנחתת האותות לאורך הנתיב האלכסוני תלויה בכל הגורמים והתופעות שאמורים להימצא באטמוספירה של כדור הארץ ורכיבי הבליעה שלה, כגון חמצן, אדי מים ומשקעים המורידים גשם, ברד ושלג.
הידרומטאורים, תורמים גם להגדלת הרעש וגם לעיוותי אותות.
השפעתם, ובמיוחד השפעתו של הגשם, הם נושא לתשומת לב וחישובים חשובים כאשר מתכננים קישורים לווייניים.
כמה מבין הטכניקות הספרתיות שנעשו אפשריות בעזרת ממירי נתונים בתחום גלי מיקרו ומשמשות במטענים ייעודיים של הלוויינים, הן:
טכניקות ליצירת אלומות ספרתיות שמשמשות למיקוד אלומה של אותות לוויין באזור גיאוגרפי מסוים על פני כדור הארץ, ומתעלמות מאותות אחרים, אשר כמו כן משככות חלק מההשפעות הפוגעות באותות לאורך הנתיב האלכסוני.
שינוי של שיטת האפנון המתבצע באופן ספרתי תוך כדי פעולה, הוא דרך נוחה לעבור מסוג אפנון שמתאים באופטימיזציה עבור מצב של שמיים בהירים, לסוג אחר שהוכח שהוא יעיל יותר בתנאים של גשם בתדרים שבהם מדובר.
לכן, לזמינותם של ממירים אנלוגיים לספרתיים (ADC) ושל ממירים ספרתיים לאנלוגיים (DAC) לפס רחב, שיכולים לדגום אותות גלי מיקרו בקצבים שמעבר לג’יגה דגימות בשנייה, יש חשיבות רבה מאוד עבור מטענים ייעודיים ספרתיים של הדור הבא.
נושא זה היה אסטרטגי דיו עבור רשויות החלל באירופה, על מנת שידחפו באופן פעיל את יצירתם של רכיבים חדשים כאלו.
המרכז האירופי לחקר החלל של סוכנות החלל האירופית – ESTEC – יצא עם מכרז לביצוע פרוייקט במימון מענקים בעניין זה שהוענק לחברת e2v, בשיתוף פעולה עם יצרני מטענים ייעודיים, תאגיד התעופה והחלל האירופי (EADS Astrium) ועם Thales Alenia Space – החברה המובילה לייצור לוויינים ותת מערכות לווייניות באירופה.
התוצאה של פנייה זו הייתה הוצאתו לשוק של ממיר מאנלוגי לספרתי מדור חדש, שנודע בשם EV10AS180 ושתוכנן ונוצר על ידי e2v. ממיר זה הוא ממיר ADC ל-10 סיביות שדוגם בקצב של 1.5 ג’יגה דגימות בשנייה, ואשר יכול להפוך את האותות לספרתיים בטווח התדרים בפס L ללא המרת תדירויות מטה אל פס הבסיס. הממיר בנוי על בסיס הטכנולוגיה הדו קוטבית המהירה – B7HF200 – שהגיעה ממפעל הייצור של Infineon שברגנסבורג, גרמניה.
סוכנות החלל הצרפתית CNES תרמה אף היא ליצירת ממיר DAC חדש לגלי מיקרו שיהיה זמין לשוק מוצרי החלל תחת מספר חלק EV12DS130A – שהוא ממיר ספרתי לאנלוגי שדוגם 3 ג’יגה דגימות בשנייה ב- 12 סיביות, אשר גם הוא תוכנן ונוצר על ידי e2v בצרפת ואף הוא משתמש בטכנולוגיה B7HF200 של Infineon שברגנסבורג.
ממיר DAC זה בולט במיוחד ביכולתו הטובה לחולל אותות גלי מיקרו אל תוך פס S ועד התחתית של פס C באופן ישיר ביציאה של ממיר DAC ללא המרת תדרים מעלה.
עבור מתכנני מערכות ת”ר (RF), ממיר DAC זה מעניין במיוחד, מפני שהוא הראשון שפרץ את הדרך להגירה מטכניקות מסורתיות של רדיו מוגדר בתוכנה שפועל בפס הבסיס, וממירי הנתונים של אזור Nyquist הראשון, אל גישה של גלי מיקרו מוגדרים בתוכנה שמתפתחת היום ופועלת באזורי Nyquist גבוהים יותר של ממירי DAC; במקום שאותות גלי מיקרו מעוצבים במישור הספרתי ומומרים באופן ישיר לאותות גלי מיקרו אנלוגיים במוצא של ממיר מסוג DAC.
יתר על כן, אם נתבונן בקיבולת הערוץ “C” עבור כל ערוץ חומרה יחיד שבנוי על המטען הייעודי, מתוך נקודת המבט של התיאוריה של שנון הארטלי (Shannon Hartley), קצב דגימות גבוה בתחום של ג’יגה-דגימות בשנייה משמעו אזור Nyquist רחב, אשר אל תוכו אפשר להתאים פס רחב “B” שימושי ורחב מאוד.

B הוא רוחב הפס השמיש בג’יגה-הרץ והוא חייב להימצא בתוך אזור Nyquist של הממירים ADC ו-DAC. קיבולת ערוץ C (בג’יגה-דגימות בשנייה) גדלה עם קצב הדגימה של הממירים ADC ו-DAC ועם השיפור ביחס אות לרעש שלהם.
את הפס הרחב “B” בעל הרוחב הגדול אפשר למלא במספר גדול של ערוצי FDMA, ואפשר להציב אותם באזורי Nyquist גבוהים במטרה להסיר את דרגות המרת התדר במערכת.

מהן התקלות המתרחשות במסלול בחלל אשר אותן אין אפשרות לתקן?
אם לוקחים בחשבון את העלויות הגבוהות של בניית לווין ושיגורו ואת העלויות הגבוהות של אובדן הכנסות, במקרה של תקלת לווין הנמצא במסלול שאינה ניתנת לתיקון, מסתבר שקיים סיכון גבוה ביותר לתוצאות העסקיות כאשר מעריכים את הסיכונים הפוטנציאליים של תקלה בעת השהייה במסלול של המערכות האלקטרוניות שעל סיפון הלווין.
קיימות דרישות מסוימות לעמידה בתנאי סביבה המתייחסות לאמינותם של רכיבים לשימוש בחלל כשלעצמם וכן גם לגבי ההרכבה הכוללת של המעגל המודפס עם הרכיבים האלה.
דרישות אלו מוכתבות כתוצאה משילוב הסיבות הבאות:
1. העובדה שאין אפשרות לתקן לווין שיש בו תקלה כאשר הוא נמצא בפעולה במסלול בחלל או במהלך השיגור.
2. אורך חיי הפעולה של הלווין, שהוא בדרך כלל ארוך, וברוב המקרים הרבה מעבר לעשר שנות שירות
3. תנאי הסביבה החמורים עם שינויי טמפרטורה גדולים ותכופים ועם חשיפה של המערכות האלקטרוניות לשני סוגים של קרינה, שהם קרינה מייננת וקרינת יונים כבדים.
החשיפה לקרינה עלולה לגרום לתקלות ברכיבים או לסחיפה חמורה בביצועים, אשר כתוצאה עלולים לגרום ללווין השוהה במסלול תקלות שאותן אין כל אפשרות לתקן.
הסיבות שצוינו לעיל מובילות לכך שהאפשרות היחידה למנוע הופעת תקלות בלוויין, לאחר שהוצב במסלולו, היא לבנות מערכות אלקטרוניות בעלות אמינות גבוהה ביותר באמצעות רכיבים שעברו בקרות איכות, לפי תקני בקרת האיכות הישימים עבור מערכות אלקטרוניות לשימוש בחלל.
שני תקנים לבקרת איכות של רכיבי מוליכים למחצה משמשים בתעשיית המערכות האלקטרוניות ומקובלים בה היטב, תקן QMLV שהוגדר על ידי הממשל של ארה”ב ותקן ESCC 9000 של סוכנות החלל האירופית.
בנוסף לדרישות ההכרחיות של התקנים QMLV ו-ESCC 9000, יצרני הלוויינים, הלקוחות שלהם וחברות הביטוח שלהם מסכימים על דרישות מינימום נוספות המתייחסות למונחים של עמידות בקרינה.
במקרה הזה, של הממיר מספרתי לאנלוגי EV12DS1320 ושל הממיר מאנלוגי לספרתי EV10AS180, שניהם מבוססים על טכנולוגיית הסיליקון B7HF200 של Infineon שמטבעה עמידה לקרינה, ועל כן שני החלקים האלו עומדים בציפיות המשותפות בנושא זה.

הכתבה נמסרה באדיבות חברת אלקטרונדארט בע”מ