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在X频段之上分配给深空通信的频段为Ka频段，由于下行链路波束方向性更好，Ka频段的性能是X频段的4倍。因此使用Ka频段能够将传回地球的数据率提高4倍或者降低航天器天线的尺寸或RF功率。从无线电科学的角度考虑，使用Ka频段能够降低太阳风对射频链路的影响，并且可以增加载波跟踪环的信噪比从而极大地提高多普勒频移测量的精度。此外，像卡西尼任务那样，使用X/X/Ka这样的多频段链路可以对太阳风噪声进行补偿 ［7］ 。
本小节概述了为ESA下一代水星探测任务（Bepi Colombo项目）开发的X/Ka双频段DST工程样机。设计方法是基于新颖的数字平台，集成了深空和行星际任务专有的多种元素（结构、处理和技术）。事实上，高速数字信号处理硬件的出现使得可以应用数字解决方案来代替传统的模拟方法。特别是最大可达到的采样率的增加使得从模拟到数字的转换能够在更高的频率实现。但是，对于科学和高性能探测任务（相位噪声、阿伦方差、频谱纯度和极大可测试性），为了给不同的任务选择最好的结构需要对技术问题和系统折中等新一类问题进行深入分析。
为BepiColombo任务开发的X/Ka双频段DST继承了TAS-I数字应答机平台，同时相对于第一代S/X双频段深空测控应答机进行了一些重大改进：
（1）应答机既可以同步内部参考时钟（低功耗恒温晶体振荡器OCXO），也可以同步外部高稳定度晶振（USO）。
（2）频率灵活性。通过对产生应答机基准频率的N分综合器编程来实现上行和下行链路频率的选择 ［8］ ，从而不需要改变本地频率参考（即OCXO和USO）。
（3）基于欠采样设计数字环路接收机结构。可以降低硬件复杂度和功耗、根据本地扫描自动捕获（即快速傅里叶变换）、根据信噪比和信号动态（即多普勒和多普勒变化率）选择二阶或三阶数字锁相环以及根据接收信号强度自适应调整环路跟踪带宽。
（4）再生测距以及透明转发测距。再生测距是在航天器上对测距信号解调再生，从而增大下行测距信号信噪比，因此很适合深空任务应用。下行测距信号功率的增大可以降低地面站对测距信号的积分时间，或者降低应答机发射下行测距信号的功率，或者增加航天器发射遥测信号的功率。再生测距使用伪噪声二进制序列可以提供很高的测距精度、低的测距模糊，且接收机不需要知道伪噪声序列的开始部分（序贯测距需要知道）。在传统的透明转发测距信道中（即航天器上不解调测距信号），上行链路的接收噪声也被转发下来，从而降低了下行链路测距信号的信噪比。当采用航天器上再生模式时，利用窄带跟踪环检测测距信号，此时信道噪声带宽为几赫兹，而不是透明转发时的几兆赫 ［ 9 ～ 11 ］ 。
（5）残留遥控抑制滤波器。利用一个数字滤波器消除残留遥控信号，从而改善遥测和测距的链路性能。
（6）根据任务要求，支持X频段和Ka频段正弦波与方波的DOR侧音模式。
（7）在X频段和Ka频段采用全数字化调制方式（残留和抑制载波）。采用PM同时调制遥测和测距（标准或再生）；在X频段利用GMSK和SRRC-OQPSK调制最高10Mb/s的信号；在Ka频段调制最高100Mb/s的信号（OQPSK调制模式）。
（8）远程遥控和遥测接口采用MIL-STD-1553总线 ［12］ 以简化整体TT&C设计。
（9）更加灵活的转发比。可根据任务要求、频谱管理以及CCSDS建议设置X/Ka转发比（低速率：3328/749；中等速率：3344/749；高速率：3360/749）。
（10）射频自主能力。射频自主能力是指能够识别接收信号的特性并自动响应进行射频功能定义，而不需要事先设置或重新编程 ［13］ 。为了简化TT&C链路管理，深空任务采用这种新颖的技术能够获得好处。X/Ka双频段DST包括一些射频自主模块，如码速率自动估计、调制格式识别以及准确的信噪比估计。
（11）非相干符号同步。基于文献 ［14］ 增加了非相干符号同步方案，通过消除副载波和符号同步功能之间的迭代来加快遥控捕获时间。
TAS-I正在开发X/Ka双频段DST以支持不久之后的深空任务，它支持X频段上行、X和Ka频段下行以及高级无线电科学功能，如图2-9所示。
图2-9 X/Ka双频段DST：250mm（长）×130mm（高）×175mm（宽）
X/Ka双频段DST的顶层系统框图如图2-10所示。由于采用了已经过飞行验证的高级结构解决方案（如基于欠采样的频率规划、全数字解调和调制技术）以及在模拟域（使用混频器实现前端设备、基于RF CMOS芯片的LO集成以及利用片上器件高效实现IF链）与数字域的高度技术集成，X/Ka双频段DST可以在一个紧凑且质量轻（总质量不超过3.35kg）的设备中实现。
图2-10 X/Ka双频段DST：顶层框图
X/Ka双频段DST的结构设计中把接收功能和X/Ka频段发射功能完全分开，具体采用了以下方法：
（1）X频段接收机模块包括上行链路信号下变频至中频信号所需的频率综合器。
（2）X频段发射机模块包括上变频链使用的LO生成器。
（3）Ka频段发射机模块使用X频段发射机模块中生成的LO频率进行上变频（事实上，在Ka频段发射机模块内部对X频段发射机模块提供的LO进行倍频以得到Ka频段下行链路所需的混频）。
（4）数字模块在两块分离的电路板上实现接收和发射功能。
（5）使用了两个DC/DC转换器：第一个用来偏置X频段接收机模块和数字模块内的接收板，第二个用来偏置X频段发射机模块和数字模块内的发射板。
X/Ka双频段DST频率方案利用N分数锁相环（PLL）综合方法来生成应答机基准频率F 1 ，F 1 与需要的通信信道相关，且在制造时设置或通过专用的遥控指令进行设置。基准频率F 1 还通过专用的N整数-PLL频率综合器来产生接收端和发射端的本振。
选择的频率规划的一个重要特性就是其高度的灵活性：N分频综合器能够产生应答机基准频率F 1 而不利用实际的OCXO或USO频率。这使得载荷的灵活性更强（USO频率不需要与选择的TT&C信道相关），同时OCXO可以标准化从而极大地降低研制成本和时间。N分数综合器技术的主要特性是由于采用了基于和-差调制器分频方案，所以频率分辨率高 ［ 8 ， 15 ］ 。VCO频率分频器根据和-差调制器输出实时动态变化以综合出需要的环路分频因子。利用这种方法可以选择大的环路带宽，从而优化集成器相位噪声性能。和-差调制器移动分频器高频部分产生的杂散能量，PLL作为低通网络将其滤掉。N分频PLL采用混合集成方法实现，如图2-11所示。环路核（相位检测器、主除法器及和-差调制器）在一个片子上实现，该片子采用超薄硅（UTSi）蓝宝石硅CMOS技术开发，确保了辐射强度和集成RF电路与数字逻辑电路的可能性 ［16］ 。
图2-11 基于IFOC器件的中频链
输入信号频率等于749F 1 ＋F d ，其中F 1 由选用的通信信道确定，F d 为由于多普勒和晶振不稳定性引起的频率漂移。混频器前端包括低噪声放大器（LNA）链和镜像抑制滤波器。LNA部分基于平衡放大器，两个单片微波集成电路级联以提供典型的40dB增益和1.5MHz带宽，且噪声系数为1.6dB。每一级由0.25μm假晶高电子迁移率晶体管处理器实现。
应用以下两种下变频方案：
（1）从X频段（即749F 1 ＋F d ）变到一中频（即13F 1 ＋F d ）；
（2）从一中频（即13F 1 ＋F d ）相干下变频至二中频（即3F 1 ）。
一中频部分基于一个单片器件（IF-on-chip，IFOC）实现，且像N分频PLL一样利用UTSi CMOS技术实现，如图2-12所示。从功耗（整个中频链功耗＜160mW）和设计的紧凑性考虑，这种方案很有效。事实上，在CMOS微电子域实现IF功能使得设备的质量和体积都得到极大的降低。用于优化模数转换过程的宽带AGC使用了嵌入式数字衰减器，数字部分通过一个串口控制这个衰减器。
图2-12 N分数PLL：框图和混频实现
二中频固定为3F 1 且ADC的时钟为4F 1 ，采用欠采样方案，如图2-13所示。这种采样方案能交替产生同相和正交基带采样，使接收机数字信号处理部分在不需要乘法器的情况下也能完成副载波解调。利用这种方法，只需一个ADC，避免了相位和幅度不均衡，因此混频过程在数字域完成。
图2-13 载波恢复环和欠采样方案
像S/X双频段DST一样，载波跟踪利用DDS方法实现。环路滤波器在数字部分内部实现，环路误差项与基准值相加并路由至接收机DDS，生成10F 1 /3＋F d /3信号，它是基带输出在2F 1 /3-F d /3处的虚部镜像。在10F 1 /3＋F d /3处滤波得到的信号乘以3然后作为相干下变频器的LO。这种方法能够在第二次下变频时消除多普勒的影响，使得二中频为固定的频率值（即3F 1 ）。
X/Ka双频段DST工程样机（EM）基于两个可编程逻辑阵列（Rx-FPGA和Tx-FPGA）实现，使用的是宇航级Actel RTAX2000s系列芯片。这种方法可以在利用ASIC器件（0.18μm）研制飞行样机之前验证应答机的功能。两个FPGA使用陶瓷柱栅平面阵列封装以降低对数字板的占用。
如前所述，X/Ka双频段DST的接收和发射功能在电路上是完全隔开的，因此数字模块包括两块电路板：
（1）接收板包括为接收任务（即载波和遥控解调）配置的Rx-FPGA；
（2）发射板包括为发射任务（即测距通道、X/Ka-Tx DDS和相干处理）配置的Rx-FPGA。
Rx-FPGA包括一个嵌入的微控制器（内部实现），实现接收机状态管理和数据处理功能（利用1553总线接口）。与使用外部微处理器相比，这种解决方案具备以下优势：
（1）降低功耗；
（2）增加设计的稳健性；
（3）降低成本（不需外部实现）；
（4）简化硬件开发（降低印制板电路设计的复杂性）；
（5）硬件和软件融合；
（6）简化板上软件（嵌入式微控制器与微处理器相比指令集更少，因此软件实现更简单）。
在发射端（X和Ka频段），数字调制的载波送入相应的数模转换器，然后进行低通滤波以消除有用信号的谐波。然后使用三个频率变换器将信号上变频至下行链路频率。X和Ka频段发射机的第一次上变频是一样的，都是将中心频率为F 1 的有用信号与32F 1 混频，混频得到的33F 1 信号送声表面波滤波器进行带通滤波。
X频段发射机输出功率可以通过1553指令选择，输出范围从0到14dBm（步进1dB）。这个特性能够优化与其级联的X频段高功放和发射机的接口。
Ka频段发射机输出功率可以通过1553指令选择，输出范围从-14到0dBm（步进1dB）。这种特性使得当进行单载波模式时可以驱动Ka频段放大器达到最大的功率效率，或者当TWTA要同时放大下行链路TT&C和有效载荷信号时使交调最小。
表2-2归纳了X/Ka双频段深空测控应答机的主要特性和性能 ［17］ 。
表2-2 X/Ka双频段DST性能
| 总体指标 | |
| 质量 | 3.2kg |
|
X频段上行链路频率范围（可设置信道）
X频段下行链路频率范围（可设置信道） Ka频段下行链路频率范围（可设置信道） X/X频段转发比 X/Ka频段转发比 |
7145～7235MHz
8400～8500MHz 31930～32045MHz 880/749 3360/749，3328/749，3344/749 |
| 总体指标 | |
| 功耗 |
接收机：10W
X频段发射机：4W Ka频段发射机：3W |
| 总的频率稳定度 | 使用内部OCXO时为±1ppm (1) |
| 体积 | 250mm×130mm×175mm |
| 接收机 | |
| 调制格式 | PM/BPSK/NRZ，PM/SP-L，BPSK |
| 遥控副载波频率 | 8/16kHz |
| 遥控码速率（通过遥控选择） | 7.8125～2000b/s（2 n 步进） |
| 接收机噪声系数 | X频段2.0dB |
| 载波捕获门限 | -150dBm |
| 载波捕获概率 | 99％ |
| 载波跟踪门限 | -70～-154dBm |
| 跟踪范围 | 最低电平下±1.5MHz |
| 载波环带宽 | 根据载噪比自适应控制 |
| 解调损耗 | ＜1.5dB |
| 发射机 | |
| 调制格式 | PM/BPSK/NRZ，PM/SP-L，OQPSK，QPSK，GMSK，SRRC-OQPSK |
| 下行链路调制指数 | 遥测和测距信道均可通过遥控指令选择 |
| 输出功率 | X和Ka频段都可通过遥控设置最大14dBm，步进1dB |
| 10Hz～100kHz频带内集成相位噪声 | X频段：＜3°；Ka频段：＜8° |
| 杂散和谐波 | 带内＜-55dBc，带外＜-60dBc |
| 转发功能 | |
| 测距信道带宽 | 最大为3.0MHz（研制时可设置） |
| 测距解调损耗 | ＜1dB |
| 伪码测距码片速率（可遥控设置） | 1～3Mc/s |
| 伪码测距捕获门限 | 测距信噪谱密度比P R /N 0 ＝20dBHz |
| 伪码测距跟踪抖动和门限 | P R /N 0 ＝19dBHz为30ns（均方根） |
| 上行链路功率（残留载波）为-146dBm时相干模式下的阿伦方差 |
3.1×10
-12
@10s
3×10 -15 @1000s |
随着技术的进步，下一代设计不仅强调小型化和降低质量同时还需要降低功耗。事实上，体积、质量和功耗正是设计当前航天器上深空设备的关键所在。