一種多模式高效全頻譜基帶轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計?

魏紹杰， 姜 坤， 侯孝民， 廉 昕

(1裝備學(xué)院研究生管理大隊 北京 101416 2中國西昌衛(wèi)星發(fā)射中心 西昌 615000 3裝備學(xué)院光電裝備系 北京 101416)

一種多模式高效全頻譜基帶轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計?

魏紹杰1， 姜 坤2， 侯孝民3， 廉 昕1

(1裝備學(xué)院研究生管理大隊 北京 101416 2中國西昌衛(wèi)星發(fā)射中心 西昌 615000 3裝備學(xué)院光電裝備系 北京 101416)

數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器是VLBI(Very Long Baseline Interferometry)系統(tǒng)中的重要部分。為了進(jìn)一步加強國際合作和國內(nèi)中科院VLBI網(wǎng)的聯(lián)測能力，我國深空站需要支持Mark5B和RDEF兩種數(shù)據(jù)輸出格式。參照美國深空網(wǎng)DSN和上海天文臺數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計一種同時支持實信號輸出和復(fù)信號輸出的多模式全頻譜基帶轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，同時支持Mark5B和RDEF兩種數(shù)據(jù)格式。該系統(tǒng)采用基于多相濾波器組高效均勻信道化和正交混頻相結(jié)合的基帶轉(zhuǎn)換方法，能夠?qū)崿F(xiàn)可分析頻帶內(nèi)無盲區(qū)無失真全頻譜基帶轉(zhuǎn)換功能。

VLBI； 基帶轉(zhuǎn)換； 全頻譜； 半帶濾波器； CIC濾波器

引 言

隨著我國嫦娥系列任務(wù)的順利進(jìn)行和與歐空局合作的開展，深空探測已經(jīng)成為繼載人航天工程之后我國航天領(lǐng)域的又一重大工程。VLBI是二十世紀(jì)六十年代后期發(fā)展起來的一種干涉測量技術(shù)，具有超高的測角精度[1]，起初應(yīng)用于射電天文、大地測量以及地球物理學(xué)。由于VLBI觀測量能夠與測距測速提供三維互補信息，促進(jìn)了VLBI技術(shù)在深空測控中的應(yīng)用與發(fā)展。數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器作為VLBI系統(tǒng)中的重要部分，承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集、頻帶選擇和基帶轉(zhuǎn)換等任務(wù)。為了進(jìn)一步加強國際合作和國內(nèi)中科院VLBI網(wǎng)的聯(lián)測能力，我國深空站需要支持Mark5B和RDEF兩種數(shù)據(jù)輸出格式。本文參照美國深空網(wǎng)DSN和上海天文臺數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計了一種同時支持Mark5B和RDEF兩種數(shù)據(jù)輸出格式的多模式全頻譜基帶轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，可同時支持寬帶輸出模式和窄帶輸出模式，并且能夠?qū)崿F(xiàn)可分析頻帶內(nèi)無盲區(qū)無失真全頻譜基帶轉(zhuǎn)換功能。

1 數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器發(fā)展現(xiàn)狀

一個完整的VLBI系統(tǒng)由兩個或兩個以上接收系統(tǒng)和一個數(shù)據(jù)處理中心組成，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。觀測數(shù)據(jù)信號經(jīng)天線由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集下來，經(jīng)過基帶轉(zhuǎn)換、幀格式編輯等處理后，記錄在存儲介質(zhì)中，再通過事后回放交由數(shù)據(jù)處理中心做相關(guān)處理得到相關(guān)條紋。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已出現(xiàn)了用高速通訊網(wǎng)絡(luò)代替磁帶記錄和傳輸觀測數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)直接傳至數(shù)據(jù)處理中心的實時VLBI技術(shù)，也叫e-VLBI技術(shù)。實時VLBI又分為準(zhǔn)實時和真實時VLBI這兩個技術(shù)層次，前者基于中低速通訊網(wǎng)，需要中間存儲轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備；后者則采用高速通信技術(shù)，無需中間緩存，真正做到了邊觀測、邊傳輸、邊處理。

實時VLBI是VLBI技術(shù)的一次飛躍和發(fā)展趨向，非常適合對航天器進(jìn)行實時精密定軌、反向?qū)崟r監(jiān)測大陸板塊運動和觀測短時標(biāo)天文現(xiàn)象，它所帶來的效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)VLBI技術(shù)手段[2]。

圖1 VLBI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

VLBI數(shù)據(jù)記錄終端設(shè)備是VLBI系統(tǒng)中重要的組成部分，其核心部件是基帶轉(zhuǎn)換器BBC(Base Band Converter)。

現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展推動了VLBI基帶轉(zhuǎn)換器的升級換代。2004年，IVS(International VLBIService for Geodesy＆Astrometry)提出了VLBI2010計劃[3～5]，對VLBI系統(tǒng)進(jìn)行改造升級，以實現(xiàn)更高的測量精度。在基帶轉(zhuǎn)換器方面，它提出設(shè)計新的DBBC(Digital Base-Band Converter)來替代原有的模擬基帶轉(zhuǎn)換器。與老舊的模擬基帶轉(zhuǎn)換器相比，DBBC具有以下優(yōu)點：①穩(wěn)定一致的性能；②低成本；③更強的靈活性；④易于升級；⑤開發(fā)周期短?，F(xiàn)在，各國都已開始了新的DBBC的研制。IVS在VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)方面，推薦了兩種典型的基帶轉(zhuǎn)換方法：一種是基于正交混頻的基帶轉(zhuǎn)換方法；另一種是基于多相濾波器組PFB(Poly-phase Filter Bank)的高效信道化方法。

2 多模式高效全頻譜基帶轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

VLBI主要測量元素為群時延，觀測帶寬越寬，測量精度就越高。由深空通信的頻段分配[6]可知，不同觀測頻段，深空航天器下行信號的最大觀測帶寬分別是：S頻段10MHz，X頻段50MHz，Ka頻段500MHz。由Nyquist采樣定理可知，采用1GHz的采樣頻率即可滿足航天器的觀測需求。

因為射電源信號信噪比較低，所以采用較少的量化位數(shù)(1～2bit)即可滿足射電源信號的觀測需求。對于航天器信號而言，其信噪比較高，增加量化位數(shù)，可以提高量化信噪比，而通常采用8bit量化即可滿足航天器信號的觀測需求。

為了進(jìn)一步加強國際合作和國內(nèi)中科院VLBI網(wǎng)的聯(lián)測能力，我國深空站需要支持兩種數(shù)據(jù)輸出格式。一種是實信號輸出，記錄幀格式采用Mark5B，主要用于與中科院VLBI網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)合觀測。另一種是復(fù)信號輸出，記錄幀格式采用RDEF，主要用于與ESA進(jìn)行聯(lián)合觀測。參照美國DSN和上海天文臺數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器的輸出帶寬設(shè)置，將我國深空站DBBC的輸出帶寬分為寬帶模式和窄帶模式。寬帶模式輸出帶寬為16MHz、8MHz、4MHz、2MHz、1MHz、0.5MHz，需要同時支持實信號和復(fù)信號輸出。窄帶模式輸出帶寬為200kHz、100kHz、50kHz、25kHz、16kHz、8kHz、4kHz、2kHz、1kHz，只需支持復(fù)信號輸出。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

按照以上技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)文獻(xiàn)[7]提出的基于PFB的固定帶寬無失真接收的無盲區(qū)高效均勻信道化和正交混頻相結(jié)合的基帶轉(zhuǎn)換方法對深空站DBBC系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，其中單路中頻最大輸出基帶信號路數(shù)為8路，對應(yīng)的基帶轉(zhuǎn)換系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 基于PFB+正交混頻的高效全頻譜DBBC系統(tǒng)框圖

觀測的模擬信號首先經(jīng)過1024MHz＠8bit AD采樣變?yōu)閿?shù)字信號，經(jīng)串并轉(zhuǎn)換變?yōu)?6個并行支路，每個支路的工作頻率由原來的1024MHz降低為64MHz，大大減輕了FPGA硬件的處理壓力。16個支路再經(jīng)過固定帶寬無失真的無盲區(qū)高效均勻信道化濾波。由于輸出基帶信號的最大帶寬為16MHz，因此設(shè)計低通原型濾波器的通帶截止頻率為24MHz，從而保證相鄰子通道之間有16MHz的通帶重疊范圍，實現(xiàn)最大帶寬為16MHz的無盲區(qū)無失真全頻譜基帶轉(zhuǎn)換。為了最大限度地降低濾波器實現(xiàn)難度，可將濾波器的阻帶截止頻率由32MHz擴(kuò)展為40MHz，矩形系數(shù)由1.33變?yōu)?.67。在這種濾波器設(shè)計下，在進(jìn)行16倍抽取時，雖然會產(chǎn)生混疊，但由于混疊發(fā)生在濾波器的過渡帶內(nèi)，對通帶信號影響很小。濾波器采用Kaiser窗設(shè)計，帶內(nèi)波動為0.01dB，阻帶衰減為90dB，系數(shù)個數(shù)為304，其幅頻特性如圖3所示。

圖3 信道化濾波原型低通濾波器幅頻特性

在該濾波器設(shè)計下，整個接收頻帶的信道劃分情況如圖4所示。圖4(a)為整個接收頻帶實際信道劃分情況，圖4(b)為將負(fù)半軸的鏡像譜等效到正半軸后的信道劃分情況。由圖4(b)可以看出，該信道劃分結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)接收頻帶內(nèi)任意16MHz帶寬信號無失真輸出。

圖4 信道劃分情況

表1 各輸出信道對應(yīng)的頻帶范圍

通道選擇單元根據(jù)最終輸出的基帶信號頻帶范圍，按照表1所示的對應(yīng)關(guān)系從信道化輸出的16個信道中選擇8路送至第二級正交混頻下變頻單元。由表1可知，偶數(shù)信道輸出的復(fù)信號頻譜均為負(fù)譜，在處理時需要將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的正譜。負(fù)譜到正譜的轉(zhuǎn)換，只需要將負(fù)譜信道復(fù)信號取共軛即可實現(xiàn)。

在正交混頻下變頻中，根據(jù)輸出信號帶寬不同，分為寬帶輸出模式和窄帶輸出模式。寬帶輸出模式支持實信號和復(fù)信號輸出。窄帶輸出模式只支持復(fù)信號輸出。正交混頻結(jié)構(gòu)通過改變NCO頻率實現(xiàn)任意頻率信號的基帶轉(zhuǎn)換。在復(fù)信號輸出模式下，NCO頻率的設(shè)置只需要考慮信號經(jīng)過第一級信道化濾波后所在頻率范圍。在實信號輸出模式下，NCO頻率的設(shè)置還需要考慮上邊帶或下邊帶的選擇。

2.2.1 寬帶輸出模式

寬帶輸出模式下，信號帶寬是按照1/2倍遞減的，因此選擇多級半帶濾波器級聯(lián)來實現(xiàn)不同帶寬信號的輸出，其實現(xiàn)框圖如圖5所示。

寬帶輸出模式中，半帶濾波器的歸一化通帶截止頻率為0.25(對FS/2進(jìn)行歸一化，F(xiàn)S為采樣頻率)，歸一化阻帶截止頻率為0.75，阻帶衰減60dB，濾波器階數(shù)14階，其幅頻特性如圖6(a)所示。由于半帶濾波器有一半系數(shù)為零，因此其實現(xiàn)是高效的。

輸出帶寬選擇單元根據(jù)設(shè)定的基帶輸出信號帶寬決定選擇哪一級半帶濾波器的輸出送至后端處理，其具體對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

圖5 寬帶輸出模式系統(tǒng)框圖

圖6 半帶濾波器和整形濾波器幅頻特性

表2 輸出帶寬與半帶濾波器級數(shù)對應(yīng)關(guān)系

整形濾波器用于提高輸出信號的頻帶利用率，確保輸出基帶信號-3dB帶寬達(dá)到可分析帶寬的90%。在設(shè)計整形濾波器時采用等波紋法，可以指定通帶截止頻率和阻帶截止頻率，帶內(nèi)波動為0.05dB，阻帶衰減為50dB，濾波器階數(shù)72階，其幅頻特性如圖6(b)所示。

根據(jù)基帶輸出信號形式不同，對整形濾波輸出進(jìn)行不同的處理。當(dāng)為復(fù)信號輸出時，直接對信號進(jìn)行二倍抽取。當(dāng)為實信號輸出時，則需要對復(fù)信號進(jìn)行實信號單邊帶變換。

2.2.2 窄帶輸出模式

窄帶輸出模式下，由于抽取倍數(shù)較大，且輸出信號帶寬不是嚴(yán)格按照1/2倍遞減的，因此不適合使用半帶濾波器的級聯(lián)形式。在此，采用了可變抽取倍數(shù)的高效CIC濾波器，實現(xiàn)窄帶信號不同帶寬的濾波輸出，具體實現(xiàn)框圖如圖7所示。

圖7 窄帶輸出模式系統(tǒng)框圖

為了降低信號數(shù)據(jù)率，首先對64MSps的數(shù)據(jù)流進(jìn)行8倍CIC濾波抽取，將采樣率降為8MHz。為了增大CIC濾波器的旁瓣衰減，選擇6級級聯(lián)，理論上可以達(dá)到80dB的旁瓣衰減。由于CIC濾波器具有帶內(nèi)滾降特性，因此在設(shè)計時需要重點考慮其在有效頻帶內(nèi)的信號衰減問題。在窄帶模式下，基帶輸出信號最大帶寬為200kHz，由于輸出信號為復(fù)信號，實際頻譜范圍為[-100kHz，100kHz]，所以其帶寬比例因子b[8]為：

由于D/b＝8/0.0125＝640?1，可計算得出單級8倍抽取CIC濾波器在100kHz處的帶內(nèi)容差δS：

由式(2)可得6級級聯(lián)的帶內(nèi)容差為0.0132dB，在容許的帶內(nèi)波動范圍內(nèi)。

8MSps的數(shù)據(jù)流通過可變抽取倍數(shù)的CIC濾波器實現(xiàn)基帶輸出信號的變帶寬輸出。CIC抽取倍數(shù)與基帶輸出信號帶寬之間的關(guān)系如表3所示。

表3 CIC抽取倍數(shù)與基帶輸出信號帶寬的關(guān)系

為了實現(xiàn)較大的阻帶衰減，可變抽取倍數(shù)的CIC濾波器也采用6級級聯(lián)，通過計算可知，不同抽取倍數(shù)下，輸出信號的帶寬比例因子均為0.125，6級級聯(lián)的帶內(nèi)容差均為1.3464dB，由于有效頻帶內(nèi)的信號滾降較大，因此需要對該CIC濾波器進(jìn)行補償。CIC補償濾波器的設(shè)計采用頻域取樣法，使用Matlab中的fir2函數(shù)，歸一化補償頻率點為0.185(對FS歸一化)，濾波器階數(shù)為24階，經(jīng)過補償?shù)牟煌槿”稊?shù)的CIC濾波器幅頻特性如圖8所示。

圖8 補償后不同抽取倍數(shù)下CIC濾波器幅頻特性

由圖8可知，經(jīng)過補償后，有效頻帶內(nèi)的帶內(nèi)波動小于0.06dB，滿足設(shè)計要求。CIC補償后的信號，經(jīng)過整形濾波，保證-1dB帶寬達(dá)到90%。

2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

整個DBBC系統(tǒng)主要由CPCI工控機、信號調(diào)理與頻綜模塊、數(shù)據(jù)采集與基帶轉(zhuǎn)換板、數(shù)據(jù)傳輸板組成，這里重點對全頻譜基帶轉(zhuǎn)換在數(shù)據(jù)采集與基帶轉(zhuǎn)換板上的實現(xiàn)進(jìn)行論述。

數(shù)據(jù)采集與基帶轉(zhuǎn)換板主要由2片ADC、3片負(fù)責(zé)信號處理的StratixⅢFPGA和1片負(fù)責(zé)PCI總線控制的StratixⅡFPGA，以及相應(yīng)的電源、時鐘、緩存組成，如圖9所示。

參照2.2節(jié)設(shè)計，進(jìn)行數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換的FPGA實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)框圖如圖10所示。

圖9 數(shù)據(jù)采集與基帶轉(zhuǎn)換板

圖10 數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)框圖

整個程序采用VHDL語言編寫。在具體實現(xiàn)過程中，針對不同的模式(寬帶/窄帶)，分別設(shè)計了不同的FPGA實現(xiàn)方案，可以通過FPGA的實時動態(tài)加載進(jìn)行不同模式的切換，實現(xiàn)FPGA的系統(tǒng)重構(gòu)。

3 結(jié)束語

本文采用基于多相濾波器組高效均勻信道化和正交混頻相結(jié)合的基帶轉(zhuǎn)換方法，設(shè)計了一種同時支持Mark5B和RDEF兩種數(shù)據(jù)輸出格式的多模式全頻譜基帶轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，可同時支持寬帶輸出模式和窄帶輸出模式，能夠?qū)崿F(xiàn)可分析頻帶內(nèi)無盲區(qū)無失真全頻譜基帶轉(zhuǎn)換功能，滿足了國際合作和國內(nèi)中科院VLBI網(wǎng)的聯(lián)測要求，并對VLBI系統(tǒng)以及軟件無線電、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域的發(fā)展具有一定的推動促進(jìn)作用。

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Design of an Efficient M ulti-mode Full Spectrum Digital Baseband Converter

Wei Shaojie， Jiang Kun， Hou Xiaomin， Lian Xin

The digital baseband converter is an important part of VLBI(Very Long Baseline Interferometry)system.In order to strengthen the international cooperation and the ability of joint observation with Chinese Academy of Sciences VLBI network，our deep space station needs to support both Mark5B and RDEF data formats.Referring to the technical indexes of digital baseband converters of Deep Space Network and Shanghai Astronomical Observatory，a multi-mode full spectrum digital baseband converter which supports both real signal and complex signal output is designed，and the corresponding data formats are Mark5B and RDEF. Themethod which combines the PFB(Poly-phase Filter Bank)efficient uniform channelization with the orthogonalmixing is used in the digital baseband converter，which can realize the full spectrum baseband conversion of analyzing bandwidth withoutblindzone or distortion.

VLBI； Baseband converter； Full spectrum； Half-band filter； CIC filter

TN911.72文獻(xiàn)識別碼：A

CN11-1780(2014)05-0047-07

魏紹杰 1990年生，碩士，主要研究方向為航天測控、高速數(shù)字信號處理。

姜 坤 1984年生，博士，主要研究方向為航天測控、高速數(shù)字信號處理。

侯孝民 1968年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為通信與信息系統(tǒng)、航天測控等。

廉 昕 1987年生，博士，主要研究方向為航天測控、高速數(shù)字信號處理。

國家自然科學(xué)基金(NO.61271265)

2014-03-20 收修改稿日期：2014-04-28