基于射頻數(shù)字化的多通道信號處理方法

操禮長，謝學(xué)東，鄧忠杰

基于射頻數(shù)字化的多通道信號處理方法

操禮長，謝學(xué)東，鄧忠杰

（中國西安衛(wèi)星測控中心 西安 710043）

針對傳統(tǒng)的衛(wèi)星測控射頻信號處理中存在的過程復(fù)雜、通道數(shù)量不多等缺點，提出了采用射頻數(shù)字化技術(shù)，直接在上下行射頻與基帶之間進行信號轉(zhuǎn)換，大大簡化了射頻前端設(shè)計；針對多路頻分寬帶信號，設(shè)計了二級濾波模式，較好地適應(yīng)了多種衛(wèi)星測控體制的需求；采用了超奈奎斯特架構(gòu)，有效提升了前端的集成度及可靠性。

多相濾波；二級濾波；超奈奎斯特架構(gòu)；衛(wèi)星測控

引 言

傳統(tǒng)的接收機、發(fā)射機大多采用模擬變頻方式，先將接收到的射頻信號轉(zhuǎn)換為中頻信號，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換至數(shù)字信號，最后才進行信號的處理。這種方式造成了衛(wèi)星下行遙測數(shù)據(jù)接收信道的體積龐大、設(shè)備眾多、連接復(fù)雜，不易實現(xiàn)集成化、小型化。更為關(guān)鍵的是，由于經(jīng)過了模數(shù)轉(zhuǎn)換，不可避免地引入了插入損耗、幅頻失真、群時延失真以及相位噪聲，抬高了接收信道的噪聲，影響了信號接收的靈敏度。同樣，上行遙控數(shù)據(jù)發(fā)射信道也是如此。隨著A/D、D/A器件的發(fā)展以及高速數(shù)字信號處理能力的快速提升，將射頻信號直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字基帶信號已成為可能，射頻數(shù)字化技術(shù)已逐漸應(yīng)用到航天測控系統(tǒng)中。而且，隨著航天測控技術(shù)的快速發(fā)展，相控陣天線、極化復(fù)用技術(shù)等已逐漸投入使用，衛(wèi)星上下行信道正由單極化擴展至雙極化，由單通道擴展至雙通道、四通道，乃至數(shù)十個通道，多通道之間的信號交叉干擾已不可避免。

本文基于無線電基本原理，提出了一種新的射頻數(shù)字化架構(gòu)，適用于S頻段多通道下行遙測信號的接收及上行遙控信號的發(fā)射，對于X頻段多通道上下行信號的接收及發(fā)射，也具有參考、借鑒作用。

1 寬帶遙測信號的處理

當前，國際上的衛(wèi)星測控主要用S頻段的2 GHz～3 GHz，上行遙控及下行遙測信號帶寬均在100 MHz左右?？紤]到上下行信道的幅頻特性，全功率帶寬不應(yīng)低于3 GHz。對這樣的多路、寬帶、射頻信號直接數(shù)字化，必須要避免多個頻譜的混疊，慎重選取采樣頻率。

依據(jù)帶通采樣原理，采樣頻率應(yīng)滿足下列公式：

對于S頻段的上行遙控及下行遙測信號，針對不同的，可用的帶通采樣頻率也隨之不同。當為1時，上下行采樣頻率均在2 GHz～4.5 GHz范圍內(nèi)；而當為10時，則上下行采樣頻率均在300 MHz～ 500 MHz范圍內(nèi)。

在滿足采樣基本要求的前提下，兼顧上行遙控及下行遙測的頻率，并考慮前置濾波器帶外抑制的過渡帶影響，即保留足夠的數(shù)字頻帶間隔。此時，應(yīng)選擇最低的采樣頻率，以減少高頻率信號在處理和傳輸過程中帶來的噪聲。

綜合考慮信號帶寬、時鐘分配以及后端信號的處理，選定采樣頻率為960 MHz時，對中心頻率為2 250 MHz的信號進行A/D轉(zhuǎn)換后，數(shù)字中頻為330 MHz；而對中心頻率為2 050 MHz的信號進行A/D轉(zhuǎn)換后，數(shù)字中頻則為150 MHz。采樣后的數(shù)字中頻信號，通過8相變頻濾波處理后，再經(jīng)過緩存、協(xié)議組包等，就可將速率降至30 MHz，以進行網(wǎng)絡(luò)傳輸。

對于中心頻率為2 GHz～3 GHz、帶寬為100 MHz的上下行信號，帶內(nèi)可能存在多路信號，采用多相濾波器架構(gòu)，可有效解決多路高速信號的變頻濾波。

多相濾波，實質(zhì)上是將變頻與FIR濾波二者結(jié)合起來，同步處理；之后，再將已經(jīng)變頻、濾波的信號均勻分解為多個相位，并單獨依次處理，這樣，運算單元的處理速度將降至S/（為并行位數(shù)），可達到降低信號頻率、優(yōu)化信號處理之目的。多相變頻器的組成框圖如圖1所示。

圖1 多相變頻器組成框圖

如果直接采用多相濾波實現(xiàn)基帶信號的轉(zhuǎn)換，其中心頻率只能設(shè)置為S/的整數(shù)倍，這并不符合實際中上下行頻率任意設(shè)置的要求。由于本質(zhì)上變頻的過程其實就是采樣信號與載波信號乘積的過程，為此，可通過下列方法，來獲得S/任意倍數(shù)的頻率。

將式（2）分解成如下形式，可將輸入樣本與下變頻載波分解成路多相信號，其結(jié)構(gòu)如下：

仍以上述數(shù)據(jù)為例，在圖1中，A/D采樣得到的960 MHz信號，經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后，得到8路120 MHz的并行數(shù)據(jù)。利用系統(tǒng)時鐘，移相模塊依次產(chǎn)生每一個通道的相位偏移值，即后一個通道相位是在前一個通道的基礎(chǔ)上增加相位偏移值后得出的。相位偏移經(jīng)過正弦或余弦運算，可得出每個通道相位的本振信號。本振信號分別與各路信號相乘后，完成變頻，再送入多相濾波，進行低通濾波處理。這樣，經(jīng)過8路并行處理，最高運算速度將由960 MHz降到120 MHz，從而較好地解決了高速信號的處理問題。

2 寬帶遙控信號的處理

基帶產(chǎn)生的數(shù)字信號經(jīng)過IP化網(wǎng)絡(luò)傳輸后，送入前端射頻數(shù)字化設(shè)備。根據(jù)應(yīng)用場景，射頻數(shù)字化設(shè)備再把每個頻點的基帶信號變頻至對應(yīng)頻點上。當有多路信號時，也就是有多個中心頻點時，需要先把各路信號合成，最終才輸出上行信號。

為了避免最大帶寬為100 MHz信號的頻譜混疊，上行信號還將采用數(shù)字濾波器，進行濾波處理。通常，采用FIR濾波器，并根據(jù)最窄帶寬來設(shè)計濾波器的長度。

在非擴跳頻測控模式下，當上行信號有多個中心頻點時，為避免多路信號間的相互干擾，可采用二級濾波方式，來抑制發(fā)射帶外的無用信號。為此，第一級濾波器可按照不同的測控體制信號來設(shè)計，而第二級濾波器則重點抑制非擴跳頻模式的多頻點信號間的干擾。兩級濾波的信號調(diào)制、合成框圖如圖2所示。

圖2 信號調(diào)制及合成框圖

由于數(shù)字基帶設(shè)備為通用設(shè)備，需要適應(yīng)的信號帶寬各不相同，因此，采用可重構(gòu)的濾波器，通過DSP來實現(xiàn)不同系數(shù)的多組濾波、預(yù)先存儲。這樣，針對不同測控要求的上行信號帶寬，選擇合適的濾波系數(shù)，重構(gòu)濾波器，就可有效濾波。設(shè)計約500組濾波器系數(shù)，就可實現(xiàn)100 kHz的步進要求。

3 寬帶調(diào)制技術(shù)

寬帶調(diào)制的難點在于射頻信號的直接輸出。按照信號采樣與恢復(fù)原理，若直接通過D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生2 GHz的信號，其數(shù)據(jù)恢復(fù)時鐘應(yīng)不小于4 GHz。要保證輸出信號的質(zhì)量，在工程上，數(shù)據(jù)恢復(fù)時鐘有時還需進一步提高，這樣的高頻率信號給硬件和調(diào)制算法都會帶來一系列問題。采用超奈奎斯特架構(gòu)，可不需要提高數(shù)據(jù)恢復(fù)時鐘的頻率。

圖3 超奈奎斯特頻譜特性圖

超奈奎斯特架構(gòu)是指經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后，輸出的信號功率最大的有用信號并非落在第一奈奎斯特區(qū)的原信號，而是落在第二、第三等更高奈奎斯特區(qū)的信號，此信號其實是原信號的鏡像信號。對于鏡像信號，可以看成原信號與D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)刷新速率的混頻，這就相當于把信號的帶寬擴展到更高的頻率上。

在時域上，D/A轉(zhuǎn)換的輸出信號可以表示為采樣序列與保持脈沖的卷積：

其中，S為采樣周期，0為保持脈沖的響應(yīng)。

若使用零階保持器ZOH的D/A轉(zhuǎn)換信號，式（4）的頻域函數(shù)則為：

由式（5）可以看出，零階保持器ZOH的D/A輸出信號的頻譜受正弦函數(shù)調(diào)制。若減小零階保持器的保持時間，可將正弦函數(shù)的包絡(luò)變得更為平坦。采用二相保持器TPH，一個采樣周期中，在孔徑時間P內(nèi)輸出原信號，而在剩下的時間(S–P)中，則輸出反相的原信號，其頻響函數(shù)為：

當二相保持器TPH的P/S=1/2時，在采樣頻率S附近的包絡(luò)幅度得到增強，這樣，就可有效利用鏡像頻譜來提高信號的載頻。超奈奎斯特頻譜特性如圖3所示。

采用超奈奎斯特架構(gòu)，直接合成射頻信號，省去了低通濾波器與混頻器，減少了多路上行通道所需的大量組件，可有效縮小PCB面積，提升了系統(tǒng)集成度，增強了系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)束語

隨著航天測控技術(shù)的快速發(fā)展，特別是民用航天的井噴式發(fā)展，測控頻率已由S頻段擴展至X頻段，高頻率、多通道、小型化、經(jīng)濟型的衛(wèi)星測控已成為大勢所趨，基于APP的衛(wèi)星測控也許明天就會來臨，為此，射頻數(shù)字化技術(shù)必將得到快速推廣應(yīng)用，必定擁有更為廣泛的市場。S頻段的射頻數(shù)字化技術(shù)，對X頻段，甚至Ka頻段的衛(wèi)星測控也具有參考、借鑒作用。

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Multi-channel signal processing method based on RF digitalization

CAO Lichang, XIE Xuedong, DENG Zhongjie

（Xi'an Satellite Control Center, Xi'an 710043, China）

In view of the disadvantages of the traditional satellite TT & C RF signal processing, such as the complicated process and the small number of channels, the RF digital technology is used to directly convert the signal between the up-down RF and the baseband, the design of the RF front-end is greatly simplified. The two-stage filtering mode is designed for the multi-channel wideband signal, which is suitable for the requirements of various satellite TT & C systems, and the Super Nyquist architecture is adopted, which effectively improve the front-end integration and reliability.

Polyphase filtering; Two-stage filter; Super Nyquist architecture; Satellite TT&C

TP802+.4

A

CN11-1780(2022)01-0070-04

10.12347/j.ycyk.20210720001

操禮長, 謝學(xué)東, 鄧忠杰.基于射頻數(shù)字化的多通道信號處理方法[J]. 遙測遙控, 2022, 43(1): 70–73.

DOI：10.12347/j.ycyk.20210720001

: CAO Lichang, XIE Xuedong, DENG Zhongjie. Multi-channel signal processing method based on RF digitalization[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(1): 70–73.

操禮長 1966年生，碩士，高級工程師，主要研究方向為航天測運控技術(shù)。

謝學(xué)東 1984年生，碩士，高級工程師，主要研究方向為航天測運控技術(shù)和遙感信息處理。

鄧忠杰 1992年生，碩士，工程師，主要研究方向為航天測運控技術(shù)。

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

(本文編輯：傅 杰)