面向靈巧通信衛(wèi)星應用的數(shù)字多波束成形研究

摘 要：圍繞靈巧衛(wèi)星數(shù)字多波束相控陣的工程應用，針對通信衛(wèi)星采用的多波束頻分多址通信體制，討論了基于多相快速傅里葉變換（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ＦＦＴ）的數(shù)字信道化技術和基于二維ＦＦＴ 的數(shù)字波束成形原理，設計了一個２０ ＭＨｚ 帶寬的陣列接收模型，將接收到的不同用戶的不同頻率信號通過對應的子信道輸出，從而實現(xiàn)對多路同時到達信號的實時截獲、降速以及變頻，并成功集成到一個２C２ 陣列的數(shù)字波束成形（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ，ＤＢＦ）多波束模塊中，達到了時域和空域的雙重濾波效果。進一步通過Ｍａｔｌａｂ、ＳｙｓＧｅｎ 和現(xiàn)場可編程門陣列（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ，ＦＰＧＡ）多平臺聯(lián)合仿真，驗證模型的準確性和有效性。仿真結果表明，在１５ ｄＢ 信噪比的前提下，生成的波束能夠完全覆蓋用戶終端所在的整個區(qū)域，確保了通信的全面覆蓋，且傳輸誤碼率為０。

關鍵詞：數(shù)字信道化；數(shù)字波束成形；相控陣；快速傅里葉變換

中圖分類號：ＴＮ９２７ 文獻標志碼：Ａ 開放科學（資源服務）標識碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號：１００３－３１１４（２０２４）０６－１１３７－１０

０ 引言

近年來，隨著５Ｇ 及６Ｇ 技術的發(fā)展，衛(wèi)星通信受到了廣泛關注［１－４］。雖然移動通信網(wǎng)絡在５Ｇ 和６Ｇ 中取得了進展，但某些區(qū)域的通信仍然面臨挑戰(zhàn)，某些地面網(wǎng)絡在緊急情況下可能會因擁塞或故障而無法正常運行。因此，利用衛(wèi)星通信網(wǎng)絡來補充地面通信網(wǎng)絡在這種情況下的不足顯得尤為重要。并且，隨著數(shù)字化和全球化的發(fā)展，對衛(wèi)星通信的需求不斷增加，如何更加合理和充分地利用通信資源，是衛(wèi)星通信行業(yè)發(fā)展中需要重點思考的問題。

傳統(tǒng)的無線電資源管理策略通常采用靜態(tài)規(guī)則波束布局、四頻復用方案以及均勻的每波束功率分配來覆蓋用戶終端所在區(qū)域。然而，這種固定的通信資源分配方式未能充分適應不同服務區(qū)域和不同時段的用戶鏈路需求分布（流量模式）的顯著差異［５］。由于這一差異，通信資源的使用效率受到影響，出現(xiàn)了為低流量需求的波束分配過多資源，而為高流量需求的波束分配不足的問題［６］。

為解決這一問題，下一代高通量衛(wèi)星如Ｉｎｍａｒｓａｔ５、ＫＡＳＡＴ 和Ｖｉａｓａｔ３ 正在全球范圍內積極開發(fā)。通過將數(shù)字信道化器、數(shù)字波束成形（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ，ＤＢＦ）以及波束跳變等數(shù)字控制功能引入下一代高通量衛(wèi)星中，從而促進通信資源分配效率的提高。數(shù)字信道化器將接收到的寬帶信號分解為多個子信道，使每個子信道專注于處理特定頻段的信號，以提高頻譜利用效率并實現(xiàn)信號的精確處理，能夠在高速度和高精度的條件下工作［７－８］。ＤＢＦ 作為衛(wèi)星通信中的關鍵技術［９－１１］，通過改變波束數(shù)量和形狀以及合理分配功率等措施提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的靈活性。在保持信噪比的前提下，可以同時生成多個獨立的可控波束，并在基帶上保留所有陣列單元信號的信息，從而提供更優(yōu)的波束性能和更多的信號參數(shù)。例如，英國于２０２１ 年發(fā)射的Ｏ３ｂ ｍＰＯＷＥＲ 衛(wèi)星和日本于２０２３ 年發(fā)射的工程試驗衛(wèi)星ＥＴＳＩＸ 均采用了這些數(shù)字控制技術，使其能夠在運行過程中根據(jù)通信需求的變化靈活調整頻率和覆蓋區(qū)域［１２－１３］。此外，隨著大規(guī)模集成電路和陣列信號處理算法的發(fā)展，Ｓａｔｉｘｆｙ 公司于２０１９ 年推出了全球首款能夠在衛(wèi)星通信中實現(xiàn)實時衛(wèi)星延遲的商用ＤＢＦ 芯片Ｐｒｉｍｅ［１４］。ＯｎｅＷｅｂ 和Ｔｅｌｅｓａｔ公司已與Ｓａｔｉｘｆｙ 公司合作，并計劃在后續(xù)衛(wèi)星發(fā)射中采用ＤＢＦ 技術。

為了應對現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)中不斷增長的帶寬需求和匹配覆蓋區(qū)域中的業(yè)務需求，本文將深入探討衛(wèi)星通信中的數(shù)字信道化和ＤＢＦ 技術。針對多波束頻分多址通信體制，根據(jù)不同的業(yè)務小區(qū)、用戶以及頻率信號，調整每個用戶的信號輸出到相應的子信道，從而實現(xiàn)星上任意頻段、帶寬之間的信息交互及靈活的跨波束交互。

１ 模型架構

面向靈巧通信衛(wèi)星的數(shù)字控制功能主要包含數(shù)字信道化和ＤＢＦ 技術。數(shù)字信道化的優(yōu)點在于可以提高信號的處理效率，能夠將工作帶寬劃分為多個子信道，每個子信道專注處理特定頻段的信號，從而實現(xiàn)信號的時域或頻域濾波。而ＤＢＦ 技術的優(yōu)點在于可以增強衛(wèi)星通信系統(tǒng)的靈活性，它通過調整波束的數(shù)量和形狀，以及合理分配功率來增強目標信號的強度，同時有效抑制來自其他方向的干擾。

基于兩種數(shù)字化技術的優(yōu)點，本文將數(shù)字信道化技術與ＤＢＦ 技術相結合，提出了一種基于星載２×２ 陣列的ＤＢＦ 多波束模型，旨在實現(xiàn)多路信號的高效處理與分離。該系統(tǒng)架構示意如圖１ 所示，涵蓋了衛(wèi)星通信中的接收和發(fā)射兩個過程，分為６ 個關鍵模塊：射頻接收／ 發(fā)射模塊、接收／ 發(fā)射陣元信道化模塊和接收／ 發(fā)射ＤＢＦ 模塊。通過這些模塊的協(xié)同工作，模型能夠優(yōu)化信號的傳輸、接收和處理效率。

在接收過程中，模型的核心在于高效的信號處理與空間濾波。射頻接收模塊負責捕捉來自衛(wèi)星天線的射頻信號，這些射頻信號通常處于較高頻段，經(jīng)過射頻接收模塊的預處理后，通過混頻器將信號下變頻至中頻段，中頻模擬信號由陣元前端的模數(shù)轉換器轉化為數(shù)字信號。為進一步處理不同載頻下的數(shù)字信號，進入接收陣元信道化模塊。此模塊采用了基于多相濾波和ＦＦＴ 的分析濾波器組，可以同時完成對信號的下采樣和并行下變頻，最終生成多路并行的基帶信號。這些基帶信號可以更方便地進行后續(xù)的數(shù)字處理和波束成形操作。

在信號處理鏈路中，接收ＤＢＦ 模塊起到了至關重要的作用。它通過對來自不同方向的信號進行加權和相加，實現(xiàn)對接收信號的空間濾波。該過程的核心是通過控制陣列天線的波束來實現(xiàn)定向接收，提升信號的方向性和靈敏度。

發(fā)射與接收過程在總體架構上相似，但信號處理流程是反向的。在發(fā)射過程中，首先通過發(fā)射ＤＢＦ 模塊負責對信號進行波束成形，以確保信號能夠準確地聚焦在目標區(qū)域。其次通過發(fā)射陣元信道化模塊對多路并行的子信道信號進行重構，該過程采用基于多相ＦＦＴ 的綜合濾波器組完成上采樣和上變頻操作，從而完成信號的頻譜擴展，使其恢復到更高的中頻信號。在發(fā)射的最后階段，射頻發(fā)射模塊中的數(shù)模轉換器將中頻數(shù)字信號轉換為中頻模擬信號。隨后經(jīng)過混頻器處理，信號被進一步上變頻至射頻范圍。最后經(jīng)過波束成形的射頻信號通過衛(wèi)星發(fā)射天線傳輸，確保信號精準覆蓋目標區(qū)域，從而實現(xiàn)高效的遠距離通信。

２ 基于多相ＦＦＴ 的數(shù)字信道化

為提高頻譜利用效率、實現(xiàn)信號的快速處理而引入數(shù)字信道化技術。通過此技術對衛(wèi)星的上行鏈路信號依據(jù)頻分多址對應劃分成各個子信道，并完成對接收信號的分析與提取，最終對星上交換后的信號進行重構，作為下行鏈路信號輸出［１５］。

本文提出的數(shù)字信道化方法基于復指數(shù)調制濾波器組［１６］、多抽樣率系統(tǒng)中的恒等變換［１７］和多相濾波技術［１８］。其核心結構由分析濾波器組和綜合濾波器組組成，分析濾波器組負責將接收信號帶寬均勻劃分，提取出各個子信道所對應的特定頻段的信號作為輸出；而綜合濾波器組則將這些子信道信號重新組合，最終形成一個時域連續(xù)、頻域完整的寬帶信號。此方法的優(yōu)勢在于可以將接收機的工作帶寬細分為多個信道，從而實時并快速處理多路同時到達的信號。同時，還能降低采樣率、減少數(shù)字濾波器的計算量，提高數(shù)字信道化器的性能和效率，特別適用于需要高效信號處理的通信系統(tǒng)。

２． １ 分析濾波過程

設定信道的劃分方式為偶型排列無混疊的均勻信道劃分，如圖２ 所示。假設子信道數(shù)為Ｋ，則第ｋ 個子信道的中心頻率為ωｋ ＝ ２πｋ／ Ｋ，每個子信道的帶寬為２π／ Ｋ，其子信道在頻域內均勻等間隔分布。

假設輸入復信號為長度為Ｌ 的有限長序列ｘ［ｎ］，ｎ＝０，１，２，…，Ｌ，ＡＤＣ 采樣率為ｆｓ，信道劃分數(shù)為Ｋ，抽取數(shù)為Ｍ，原型濾波器的傳遞函數(shù)為ｈ［ｉ］，階數(shù)為Ｎ 階，第ｋ 個均勻子信道的中心頻點為ωｋ，則輸出信號ｙｋ［ｎ］的表達式為：

根據(jù)多相濾波的思想，將濾波操作分解為Ｋ 個分支，每個濾波分支階數(shù)為Ｐ，即設ｉ ＝ ｍ＋ｐＫ，其中ｍ＝０，１，…，Ｋ－１，ｐ ＝ ０，１，…，Ｐ －１，則式（２）可表示為：

一個典型的二維平面矩形柵格陣列位于ｘＯｙ 平面，它的陣因子方向圖ＡＦ（θ，φ）的表達式為：

式中：Ｍ、Ｎ 分別為ｘ、ｙ 方向的陣元數(shù)，ｄｘ、ｄｙ 分別為ｘ、ｙ 方向的陣元間距，Ｉ（ｍ，ｎ）為陣元的復數(shù)激勵。

令ｋ＝Ｍｄｘｓｉｎ θｃｏｓ φ／ λ，ｌ＝Ｎｄｙｓｉｎ θｓｉｎ φ／ λ，則有：

對比式（１０）和式（１１）中的ＡＦ（ｋ，ｌ）和ｙ（ｋ，ｌ），區(qū)別在于（ｋ，ｌ）的序列不同，可以通過變換使二者等價。也就是說，對復激勵Ｉ（ｍ，ｎ）做二維ＩＦＦＴ 變換后，再進行ｆｆｔｔｓｈｉｆｔ 函數(shù)變換，可以得到二維平面天線陣列的陣因子方向圖。值得注意的是，ＦＦＴ 算法要求天線陣元必須呈矩形柵格排布，即ｘ 和ｙ 方向的間距均相等。二維ＦＦＴ 算法也可以綜合三角柵格陣列，通過增加虛擬的激勵為０ 的陣元，三角柵格便等效于矩形柵格。使用ＦＦＴ 方法計算出的陣列天線方向圖不能直接使用天線坐標系（θ，φ）表示，而一般采用正弦空間表示法。正弦空間是天線坐標系到二維平面的投影，用變量ｕ、ｖ、ｗ 來表示：

通常情況下，陣列天線的三維方向圖只關注ｕ、ｖ 取值范圍均為［－１，１］以及ｗ 取值范圍為［０，１］的半球。而對于平面陣列，不考慮ｗ 對天線方向圖的影響。

綜上，基于式（９）的傳統(tǒng)法計算陣列方向圖需要約（ＭＮ） ２ 次復數(shù)運算，而基于式（１１）的二維ＦＦＴ 算法的引入可使計算量從ＭＮ 量級降到（ＭＮ／２）ｌｂ（ＭＮ）量級，且陣元數(shù)目越多，運算量降低地越明顯。

３． ３ 陣列信號的模擬

對于信號的幅度來說，星地傳播過程中存在各種損耗，因此通過加權隨機衰減系數(shù)和添加一定信噪比下的噪聲來模擬。

信號的相位包含初始相位和空間相位。通常情況下，生成后信號的初始相位是已確定的，因此只有空間相位可能發(fā)生變化。由于信號到達不同陣元時經(jīng)過的空間路徑存在差異，導致各個陣元對同一信號的空間相位影響有所不同。在模擬陣列信號時，還需要考慮一個重要的參數(shù)，即信號的到達角，它描述了信號方向與天線陣列之間的空間角度關系。如果陣列是一維直線陣列，到達角是指信號方向與天線陣列形成的夾角；如果是二維陣列，到達角則包括方位角和俯仰角的組合［２２］。根據(jù)陣元的位置和信號的到達角，可以計算出信號到達接收天線陣列時引入的空間相位，將其與初始相位相加，便能得到信號的最終相位。

４ 仿真與結果分析

根據(jù)圖１ 所示的模型架構，通過Ｍａｔｌａｂ、ＳｙｓＧｅｎ和現(xiàn)場可編程門陣列（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ，ＦＰＧＡ）多平臺聯(lián)合仿真，驗證所提系統(tǒng)準確性。

４． １ 系統(tǒng)Ｍａｔｌａｂ 仿真

系統(tǒng)共包含三部分：一是地面發(fā)送部分，目的是產(chǎn)生地面用戶信號；二是星上部分，主要對星上信號的處理過程作仿真分析，包括陣列信號的合成以及單波束和多波束的波束成形算法；三是地面驗證部分，目的是驗證信號處理和波束成形的正確性。

４． １． １ 參數(shù)設置

① 用戶信號參數(shù)設置：二進制相移鍵控調制模式；系統(tǒng)中頻采樣率為５０ ＭＨｚ，中頻調制載波的中心頻率為５． ５、１８． ５ ＭＨｚ；每個用戶信號帶寬約為３ ＭＨｚ；使用Ｋｕ 波段用于用戶鏈路，即選取射頻調制載波的中心頻率為１０、１１、１２、１３ ＧＨｚ。其中，中頻調制是為了區(qū)分同一小區(qū)內的不同用戶，而射頻調制是為了對應四頻復用原則來區(qū)分不同小區(qū)。

② 天線陣面參數(shù)設置：位于ｘＯｙ 平面的２C２ 天線子陣，陣元間距為０． ５λｍｉｎ （λｍｉｎ 對應最大頻率１３ ＧＨｚ 的波長）。

③ 通信小區(qū)參數(shù)設置：設小區(qū)總數(shù)為Ｉ ＝ ９，是指不同指向的波束數(shù)量也為Ｉ ＝ ９，可以在（θ，φ）平面上表示小區(qū)集合，即：

ｕｓｅｒ＝｛（θ１，φ１），（θ２，φ２），…，（θＭ，φＭ）｝，θＭ∈［－１０°，１０°］，φＭ∈［－１０°，１０°］。（１３）

４． １． ２ 仿真步驟

為簡化仿真步驟，假設此時只有（θ，φ）為（０°，０°）的小區(qū)內存在兩個用戶同時進行通信，其他小區(qū)暫無用戶通信。地面發(fā)送部分的具體操作可化簡為只對（０°，０°）小區(qū)的兩個用戶實信號分別進行二進制相移鍵控中頻調制，已調信號的中心頻率分別為５． ５、１８． ５ ＭＨｚ，用戶帶寬約為３ ＭＨｚ，小區(qū)總信號帶寬約為２０ ＭＨｚ?；谛^(qū)間頻分復用的原則，相鄰小區(qū)需使用不同的射頻頻率進行通信，且在射頻調制過程中，加入信噪比為１５ ｄＢ 的白噪聲。

為得到比較符合實際的陣列信號，引入隨機衰減系數(shù)來模擬鏈路損耗，結合實信號的特征，引入時延模擬陣元位置和信號到達角不同造成的空間相位不同。經(jīng)過射頻解調和模數(shù)轉換器后，將每個陣元信號傳入數(shù)字信道化器進行分析濾波。采樣率為５０ ＭＨｚ；信道數(shù)Ｋ 為８，抽取率Ｍ 為８（臨界抽?。凑請D２ 所示的偶型排列無混疊的均勻信道劃分方式，得到子信道對應的頻率范圍如表１ 所示。低通原型濾波器采用有限脈沖響應低通線性相位濾波器，階數(shù)為２５６。分析濾波的過程完成了“下采樣＋并行下變頻”，最終得到每個陣元在基帶上的子信道信號，且每個子信道信號對應不同中頻頻段的用戶信號。

接收ＤＢＦ 可通過式（５）的波束成形矩陣和二維ＦＦＴ 算法對陣元的子信道信號進行加權運算，并快速得到目標小區(qū)的ＤＢＦ 權重系數(shù)、波束信號、波束方向圖和３ ｄＢ 波束覆蓋范圍。再根據(jù)地面接收的目標區(qū)域進行星上發(fā)射ＤＢＦ，將波束信號轉換為星上發(fā)射陣列各陣元的基帶子信道信號，通過綜合濾波進行子信道信號重構，再經(jīng)過射頻調制后可實現(xiàn)轉發(fā)。

地面驗證部分對仿真過程進行正確性檢驗，經(jīng)過相干解調、低通濾波、抽樣判決和碼型轉換等操作，與原始用戶二進制碼流相對比，統(tǒng)計誤碼數(shù)。

４． １． ３ 仿真結果分析

由于兩個中頻段用戶信號的中心頻率為５． ５、１８． ５ ＭＨｚ，帶寬約為３ ＭＨｚ，根據(jù)表１ 的子信道頻率劃分結果，理論上應該只有第二和第四子信道有輸出。圖５ 為截取的其中一個陣元分析濾波一段時間內的仿真結果可以看出，仿真結果與理論分析保持一致。

圖６ 分別展示了單目標區(qū)域（θ，φ）為（１０°，０°），多目標區(qū)域（θ，φ）為（－１０°，０°）、（０°，０°）和（１０°，０°）的３ ｄＢ 波束覆蓋范圍，３ 個目標區(qū)域為相鄰小區(qū)的關系，不同顏色的圖例代表不同的調制載波頻率。單波束俯仰向的３ ｄＢ 波束寬度約為４４°，多波束覆蓋滿足相鄰小區(qū)的頻率復用原則，但是由于陣列規(guī)模較小而形成的波束較寬，所以在圖上表現(xiàn)為只有一個寬波束的覆蓋，實際上是同時形成了３ 個波束，俯仰向的３ ｄＢ 波束寬度約為３２°。

不同信噪比下的誤碼率曲線如圖７ 所示，針對本系統(tǒng)１５ ｄＢ 信噪比的條件，此時誤碼率為０，說明該模型的Ｍａｔｌａｂ 仿真準確無誤，模型可靠性較高。

４． ２ 數(shù)字信道化ＳｙｓＧｅｎ 仿真

ＳｙｓＧｅｎ 是Ｘｉｌｉｎｘ 公司推出的一款ＦＰＧＡ 開發(fā)開發(fā)工具，它將仿真與ＦＰＧＡ 實現(xiàn)結合在一個可視化界面中，使二者可以同步完成［２３］。ＳｙｓＧｅｎ 在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 環(huán)境下運行，通過使用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 中的ＸｉｌｉｎｘＢｌｏｃｋｓｅｔ 庫模塊來構建數(shù)字信號處理系統(tǒng)。完成仿真后，系統(tǒng)模型可以直接封裝為ＩＰ 核，并嵌入到Ｖｅｒｉｌｏｇ 代碼中以實現(xiàn)硬件設計。此外，ＳｙｓＧｅｎ 還能夠自動生成ｔｅｓｔｂｅｎｃｈ 文件用于硬件邏輯仿真，ｔｅｓｔｂｅｎｃｈ 中的數(shù)據(jù)直接取自ＳｙｓＧｅｎ 仿真的結果，方便開發(fā)人員進行對比與驗證［２４］。

４． ２． １ 模型設計

由于射頻接收和發(fā)射模塊屬于系統(tǒng)外接部分，此處只進行中頻部分的數(shù)字信號處理，考慮到綜合濾波是分析濾波的逆過程，根據(jù)分析濾波原理進行設計。對應上文Ｍａｔｌａｂ 的仿真步驟，信道數(shù)Ｋ ＝ ８，建立其中一個陣元的數(shù)字信道化的分析濾波ＳｙｓＧｅｎ 模型，如圖８ 所示，包括延時抽取、多相濾波、并串轉換及ＩＦＦＴ 處理４ 個子模塊。總陣列的ＳｙｓＧｅｎ 模型可以通過單個陣元模型經(jīng)４ 次復制后得到，區(qū)別僅在于輸入信號不同。

延時抽取模塊把串行輸入的信號轉為多路并行輸出。為實現(xiàn)８ 路無混疊的數(shù)字信道化功能，輸入信號需先經(jīng)過延時，再進行８ 倍抽取，將單路信號速率降低為原來的１ ／８。

多相濾波模塊是對８ 路信道信號分別進行濾波，從Ｘｉｌｉｎｘ Ｂｌｏｃｋｓｅｔ 庫中調用８ 個Ｄｉｇｉｔａｌ ＦＩＲ Ｆｉｌｔｅｒ模塊完成各支路濾波功能。根據(jù)信道劃分關系，在Ｍａｔｌａｂ 軟件中運用ＦＤＡＴｏｏｌ 生成原始低通濾波器系數(shù)，再對該系數(shù)序列進行８ 路多相抽取處理生成８ 組信道濾波系數(shù)，將８ 組系數(shù)分別關聯(lián)到各支路濾波器模塊即可完成濾波器序列的設置。

Ｘｉｌｉｎｘ 公司的Ｉｎｖｅｒｓｅ ＦＦＴ 模塊能夠執(zhí)行復數(shù)８ 點ＩＦＦＴ 運算，但需要串行形式的數(shù)據(jù)輸入。因此，系統(tǒng)中引入了一個輪詢模塊，用于將８ 路并行數(shù)據(jù)轉換為串行數(shù)據(jù)，以滿足ＩＦＦＴ 模塊的輸入要求。在數(shù)據(jù)輸入階段，ＩＦＦＴ 模塊的ｓｔａｒｔ＿ｆｒａｍｅ＿ｉｎ 端口用于標記時間戳，當每組８ 個數(shù)據(jù)中的第一個數(shù)據(jù)被輸入時，ｓｔａｒｔ＿ｆｒａｍｅ＿ｉｎ 端口的信號為１，后續(xù)７ 個數(shù)據(jù)輸入時，該端口信號為０。這樣的設計可以明確８ 點ＩＦＦＴ 操作的起始位置，從而確保ＩＦＦＴ 模塊能夠準確地識別和處理輸入數(shù)據(jù)。同樣地，在數(shù)據(jù)輸出階段，ＩＦＦＴ 模塊的輸出端口提供了ｓｔａｒｔ＿ｆｒａｍｅ＿ｏｕｔ信號。經(jīng)過８ 點ＩＦＦＴ 計算處理后，輸出的第一個數(shù)據(jù)會伴隨ｓｔａｒｔ＿ｆｒａｍｅ＿ｏｕｔ 信號為１，而接下來的７ 個數(shù)據(jù)輸出時，該信號則為０。

４． ２． ２ 仿真結果分析

圖９ 為Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 環(huán)境中第一至第四信道的示波器輸出的量化信號波形。與圖５ 所示的Ｍａｔｌａｂ 仿真結果對比，由于量化精度導致信號波形的幅度存在一定誤差，但誤差在可接受范圍內。

４． ３ 數(shù)字波束成形ＦＰＧＡ 仿真

選?。兀椋欤椋睿?公司Ｋｉｎｔｅｘ７ 系列的ＦＰＧＡ 芯片，該芯片系列專為低功耗和經(jīng)濟型信號處理而設計，具有低能耗、高性能、低成本等特點。經(jīng)過不同型號芯片資源的對比，最終決定采用型號為ｘｃ７ｋ４１０ｔｉｆｆｇ９００ 的芯片。

由于天線的發(fā)射和接收具有互異性［２５］，以數(shù)字接收波束為例，本系統(tǒng)可簡化為兩個基本單元，即分析濾波模塊和接收ＤＢＦ 模塊。基于Ｖｉｖａｄｏ２０１９ 平臺，采用Ｖｅｒｉｌｏｇ 語言編寫數(shù)字信道化中分析濾波過程和接收ＤＢＦ 的ＦＰＧＡ 程序，其中數(shù)字信道化的ＦＰＧＡ 程序通過ＳｙｓＧｅｎ 模型直接生成。下面主要展示接收ＤＢＦ 模塊的ＦＰＧＡ 仿真。

ＤＢＦ 權重系數(shù)的實部和虛部分別存儲在芯片ＲＯＭ 中，量化數(shù)據(jù)寬度為８ 位；設置二維ＦＦＴ 算法的點數(shù)為１６，則最終形成一個１６C１６ 的陣列方向圖矩陣。圖１０ 為單波束ＤＢＦ 權重的部分計算結果，ｃｏｅ＿ｒｅａｌ 為單波束ＤＢＦ 權重的實部，ｃｏｅ＿ｉｍａｇ 為單波束ＤＢＦ 權重的虛部，通過改變ｓｅｌ 信號來控制單波束的指向，每個ｓｅｌ 信號對應４ 個權重系數(shù)值，分別是２C２ 陣列的４ 個陣元的激勵加權系數(shù)。而多波束的ＤＢＦ 權重則是通過多個單波束的權重相乘得到的。

將ＦＰＧＡ 仿真得到的目標區(qū)域為（１０°，０°）的方向圖矩陣導入Ｍａｔｌａｂ 中，繪制３ ｄＢ 波束覆蓋圖，如圖１１ 所示。與圖６（ａ）中的Ｍａｔｌａｂ 仿真結果對比發(fā)現(xiàn)波束覆蓋范圍有所減小，俯仰向的３ ｄＢ 波束寬度降為３４°，但仍可以保證目標區(qū)域的全覆蓋效果。波束覆蓋范圍的減小與二維ＦＦＴ 點數(shù)以及量化精度的取值有關。

５ 結束語

針對衛(wèi)星通信中的數(shù)字化技術，本文探討了基于多相ＦＦＴ 的數(shù)字信道化方法和基于二維ＦＦＴ 的ＤＢＦ 算法。數(shù)字信道化技術可以將陣列的工作帶寬均勻劃分為多個子信道，從而提取對應頻段的用戶信號，并實現(xiàn)信號的降速、變頻和時域濾波，還能夠對這些窄帶用戶信號進行重構，提高頻譜利用效率。ＤＢＦ 技術則能夠生成多個獨立可控的波束，有效分離來自不同方向的信號，從而實現(xiàn)空域濾波。此外，這兩種技術均運用了ＦＦＴ 算法，降低了系統(tǒng)的運算工作量，進一步提升了系統(tǒng)的實時處理能力和資源利用效率。將這兩種技術相結合，本文設計了一個２０ ＭＨｚ 帶寬的陣列接收模型，實現(xiàn)了對不同用戶信號的實時處理，并應用于一個２×２ 陣列的ＤＢＦ 多波束模塊。通過多平臺聯(lián)合仿真，對系統(tǒng)的關鍵技術指標進行了驗證。仿真結果表明，生成的波束能夠全面覆蓋用戶終端所在區(qū)域，且系統(tǒng)在通信靈活性和可靠性方面表現(xiàn)優(yōu)異。

參考文獻

［１］ ＤＵＯＮＧ Ｔ Ｑ，ＮＧＵＹＥＮ Ｌ Ｄ，ＢＵＩ Ｔ Ｔ，ｅｔ ａｌ． ＭａｃｈｉｎｅＬｅａｒｎｉｎｇａｉｄｅｄ Ｒｅａｌｔｉｍｅ Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ Ｍｕｌｔｉｂｅａｍ ｆｏｒ ６Ｇ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ＳａｔｅｌｌｉｔｅＴｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ：Ｇｌｏｂａｌ Ｃｏｖｅｒａｇｅ ｆｏｒＭｏｂｉｌｅ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ ［Ｊ ］． ＩＥＥＥ Ｎｅｔｗｏｒｋ，２０２３，３７ （２ ）：８６－９３．

［２］ ＬＵＯ Ｘ Ｗ，ＣＨＥＮ Ｈ Ｈ，ＧＵＯ Ｑ． ＬＥＯ／ ＶＬＥＯ ＳａｔｅｌｌｉｔｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ６Ｇ ａｎｄ Ｂｅｙｏｎｄ Ｎｅｔｗｏｒｋｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｎｅｔｗｏｒｋ，２０２４，３８（５）：２７３－２８５．

［３］ ＮＯＲＰ Ｔ，ＦＩＮＥ Ｊ Ｙ，ＤＪＡＰＩＣ Ｒ． Ｎｅｔｗｏｒｋ Ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ ５Ｇ ａｎｄ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］． ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ，２０２３，４１（３）：２３９－２４８．

［４］ ＢＡＮＡＦＡＡ Ｍ，ＳＨＡＹＥＡ Ｉ，ＤＩＮ Ｊ，ｅｔ ａｌ． ６Ｇ Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，Ｔａｒｇｅｔｓ，Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ，Ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ａｎｄ Ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓ［Ｊ］． Ａｌｅｘａｎｄｒｉａ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ，２０２３，６４：２４５－２７４．［５］ ＣＨＡＫＥＲ Ｈ，ＣＨＯＵＧＲＡＮＩ Ｈ，ＭＡＲＴＩＮＳ Ｗ Ａ，ｅｔ ａｌ．

Ｍａｔｃｈｉｎｇ Ｔｒａｆｆｉｃ Ｄｅｍａｎｄ ｉｎ ＧＥＯ Ｍｕｌｔｉｂｅａｍ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ：Ｔｈｅ Ｊｏｉｎｔ Ｕｓｅ ｏｆ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ａｎｄ ＰｒｅｃｏｄｉｎｇＵｎｄｅｒ Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎＢｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ，２０２２，６８（４）：８１９－８３３．

［６］ ＫＡＮＥＫＯ Ｋ，ＮＩＳＨＩＹＡＭＡ Ｈ，ＫＡＴＯ Ｎ，ｅｔ ａｌ． Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆ ａ Ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ＨｉｇｈｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔＳａｔｅｌｌｉｔｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｗｉｔｈ ａ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｈａｎｎｅｌｉｚｅｒ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１７，６７（３）：２０９７－２１０７．

［７］ ＨＡＯ Ｊ Ｇ，ＷＡＮＧ Ｇ，ＷＡＮＧ Ｈ Ｇ，ｅｔ ａｌ． ＬｏｗｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙＤｉｇｉｔａｌ Ｃｈａｎｎｅｌｉｚｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｄｅｆｉｎｅｄ Ｒａｄｉｏ［Ｊ］． ＩＥＩＣＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，２０２４，１０７（１）：１３４－１４０．

［８］ ＶＡＲＧＨＥＳＥ Ｒ Ｃ，ＡＭＩＲ Ａ． Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｌｙ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ＩＦＩＲ ｂａｓｅｄ Ｆｉｌｔｅｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｈａｎｎｅｌｉｚｅｒ［Ｃ］∥２０２２ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ，Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＳＰＩＣＥＳ）． Ｔｈｉｒｕｖａｎａｎｔｈａｐｕｒａｍ：ＩＥＥＥ，２０２２，１：９９－１０４．

［９］ ＸＩＥ Ｘ Ｘ，ＤＩＮＧ Ｘ Ｊ，ＺＨＡＮＧ Ｇ Ｘ． Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎｖｉａ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ｆｏｒ Ｓｐｅｃｔｒｕｍｓｈａｒｉｎｇ ＬＥＯ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｊｏｕｒｎａｌ，２０２３，１７（４）：５８２２－５８３０．

［１０］ＸＩＡＮＧ Ｙ Ｒ，ＬＩ Ｓ Ｔ，ＣＨＥＮ Ｌ Ｈ． Ｓａｔｅｌｌｉｔｅｂａｓｅｄ ＤＢＦＡＤＳＢ Ｐａｙｌｏａｄ ｗｉｔｈ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅｐｈａｓｅ Ｍｉｓｍａｔｃｈ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ［Ｃ］∥Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２０２３ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：ＡＣＭ，２０２３：１５９－１６３．

［１１］Ｖ？ＳＱＵＥＺＰＥＲＡＬＶＯ Ｊ Ａ，ＱＵＥＲＯＬ Ｊ，ＯＲＴ？Ｚ Ｆ，ｅｔ ａｌ．Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ｆｏｒ Ｄｉｒｅｃｔ Ｒａｄｉａｔｉｎｇ Ａｒｒａｙｓ ｉｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ［Ｊ ］． ＩＥＥＥ Ａｃｃｅｓｓ，２０２３，１１：７９６８４－７９６９６．

［１２］ＳＥＳ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ． Ａｃｃｅｓｓｅｄ：Ｍａｒ． ２０２１． ［ＥＢ／ ＯＬ］． ［２０２４－０８－２０］． ｈｔｔｐｓ：∥ｗｗｗ． ｓｅｓ． ｃｏｍ／ ｎｅｔｗｏｒｋｓ／ ｎｅｔｗｏｒｋｓａｎｄｐｌａｔｆｏｒｍｓ／ ｏ３ｂｍｐｏｗｅｒ．

［１３］ＭＩＵＲＡ Ａ，ＭＯＲＩＫＡＷＡ Ｅ，ＹＯＳＨＩＭＵＲＡ Ｎ，ｅｔ ａｌ． Ｏｎｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＢａｎｄｗｉｄｔｈｏｎＤｅｍａｎｄ Ｈｉｇｈ ＴｈｒｏｕｇｈｐｕｔＳａｔｅｌｌｉｔｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ［Ｃ］∥ Ｋａａｎｄ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ． Ｏｋｉｎａｗａ：ＩＣＳＳＣ，２０１９：１－９．

［１４］ＳＩＫＲＩ Ｄ，ＪＡＹＡＳＵＲＩＹＡ Ｒ Ｍ． Ｍｕｌｔｉｂｅａｍ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙｗｉｔｈ Ｆｕｌｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ｆｏｒ ＳＡＴＣＯＭ ａｎｄ ５Ｇ［Ｊ］．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｊｏｕｒｎａｌ，２０１９，６２（４）：６４－７９．

［１５］張世層． 星載柔性轉發(fā)器的數(shù)字信道化器設計與實現(xiàn)［Ｄ］． 西安：西安電子科技大學，２０１５．

［１６］ＰＡＲＶＡＴＨＩ Ａ Ｋ，ＶＥＬＬＡＩＳＡＭＹ Ｓ． Ｌｏｗ Ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ＡｄａｐｔｉｖｅＳｐｅｃｔｒｕｍ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ Ｍｏｄｉｆｉｅｄ ＦＲＭ Ｆｉｌｔｅｒ Ｂａｎｋ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０２２，１０９ （１２ ）：２０１５－２０３４．

［１７］陶然，石巖，王越． 多抽樣率數(shù)字信號處理理論及其應用［Ｍ］． 北京：清華大學出版社，２０２２．

［１８］ＺＨＡＮＧ Ｍ，ＺＨＡＮＧ Ｈ Ｌ，ＺＨＡＮＧ Ｙ Ｚ，ｅｔ ａｌ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎＣｈａｎｎｅｌｉｚａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ Ｒａｄｉｏ Ａｓｔｒｏｎｏｍｉｃａｌ ＷｉｄｅｂａｎｄＳｉｇｎａｌ ｗｉｔｈ Ｏｖｅｒｓａｍｐｌｅｄ Ｐｏｌｙｐｈａｓｅ Ｆｉｌｔｅｒ Ｂａｎｋｓ［Ｊ］．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ Ａｓｔｒｏｎｏｍｙ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｐｈｙｓｉｃｓ，２０２３，２３（８）：０８５０１２．

［１９］ＰＡＬＩＳＥＴＴＹ Ｒ，ＳＯＣＡＲＲＡＳ Ｌ Ｍ Ｇ，ＣＨＡＫＥＲ Ｈ，ｅｔ ａｌ．ＦＰＧＡ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ ｆｏｒ Ｏｎｂｏａｒｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｉｎ ＭＥＯ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ ［Ｃ］∥ ２０２３ ＩＥＥＥ３４ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｐｅｒｓｏｎａｌ，Ｉｎｄｏｏｒａｎｄ Ｍｏｂｉｌｅ Ｒａｄｉｏ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ （ＰＩＭＲＣ）． Ｔｏｒｏｎｔｏ：ＩＥＥＥ，２０２３：１－７．

［２０］ＭＩＵＲＡ Ｒ，ＴＡＮＡＫＡ Ｔ，ＣＨＩＢＡ Ｉ，ｅｔ ａｌ． Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ａ ＤＢＦ Ｍｕｌｔｉｂｅａｍ Ａｎｔｅｎｎａ ｉｎ ａ Ｍｏｂｉｌｅ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｎｔｅｎｎａｓａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，１９９７，４５（４）：７０７－７１４．

［２１］ＡＲＩＹＡＲＡＴＨＮＡ Ｖ，ＣＯＥＬＨＯ Ｄ Ｆ Ｇ，ＰＵＬＩＰＡＴＩ Ｓ，ｅｔ ａｌ．Ｍｕｌｔｉｂｅａｍ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｒｒａｙ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ Ｕｓｉｎｇ ａ １６ｐｏｉｎｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｌｅｓｓ ＤＦＴ Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎＡｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，２０１８，６７（２）：９２５－９３３．

［２２］劉翔． 自適應數(shù)字波束形成技術研究［Ｄ］． 西安：西安電子科技大學，２０１２．

［２３］胡天翔，陳科，趙志強． 一種基于ＳｙｓｔｅｍＧｅｎｅｒａｔｏｒ 的ＣＯＲＤＩＣ 算法實現(xiàn)［Ｊ］． 科技創(chuàng)新與應用，２０２０（１９）：２３－２７．

［２４］張鋒，高玉良，劉驍，等． 一種改進的數(shù)字信道化ＤＲＦＭ系統(tǒng)設計研究［Ｊ］． 現(xiàn)代防御技術，２０１６，４４ （４）：１３６－１４３．

［２５］田麗鴻，許小軍． 電路分析［Ｍ］． 南京：東南大學出版社，２０１６．

作者簡介：

路一凡 女，（２００１—），碩士研究生。主要研究方向：相控陣天線。

黃文乾 男，（１９９３—），博士，工程師。主要研究方向：航天器總體設計。

堯如歌 男，（２００１—），碩士研究生。主要研究方向：相控陣天線。

李殷喬 男，（１９８３—），博士，研究員。主要研究方向：航天器總體設計。

（*通信作者）鄧長江 男，（１９８８—），博士，副教授。主要研究方向：手機天線、相控陣天線。