星地通信中频谱翻转现象分析

刘聚 陈劼 杨津浦 林闽佳 朱英玮

摘要：卫星数据传输需要进行调制解调和变频处理，通过分析调制和变频等环节造成的频谱翻转的机理，提出解决频谱翻转的方法，对星地数传系统设计及联试具备重要参考作用。

关键词：频谱翻转;调制器;变频器

中图分类号：TN927.2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）06-0019-03

0 概述

在某型号进行星地数传系统对接联试时，虽然地面接收设备收到的信号功率正常，但却无法正确解调数据，一直出现误码。经排查，是由于接收到的调制信号已发生频谱翻转，而地面接收设备的相关设置未做出相应更改造成的。该星地数传系统由星上的编码调制器、中频滤波器、上变频器、射频滤波器、功率放大（HPA）、发射天线以及地面的接收天线、低噪放（LPA）、射频滤波器、下变频器、中频滤波器、地面接收机等组成，组成框图见图1。

本文对星地数传系统中可能出现频谱翻转的环节进行分析说明，并提出解决频谱翻转的办法。由于实际正常的QPSK调制信号的频谱图为近似梯形的对称形状，本文中为了方便说明频谱翻转现象，所有的频谱示意图均用不规则图形表示。

1 可造成频谱翻转的环节分析

1.1 编码调制器造成频谱翻转分析

该星地数传系统中的编码调制器采用全数字调制，由FPGA对数据进行编码、数字QPSK调制、数字成形滤波后输出至DAC数模转换芯片。数模转换芯片完成数字信号到模拟调制信号的转换，由于芯片使用fs=1.8GHz的采样频率，根据采样定理，调制输出模拟信号频谱以fs/2=0.9GHz为区间进行等分，这些区域称为奈奎斯特域：

由图2可知，基带信号在0Hz±225MHz处，通过中频调制、数模转换后会将原始信号搬移至1.8GHz±225MHz、3.6GHz±225MHz等多处，以0.9GHz为区间可分为第一奈奎斯特域、第二奈奎斯特域、第三奈奎斯特域……，每个奈奎斯特区域间的信号与相邻区域成镜像翻转关系，即存在频谱翻转。

本设计选用第二奈奎斯特域信号进行滤波放大，以1.35GHz中频输出信号送给上变频器，这种设计中巴伦、中频滤波器体积紧凑，且具有一次上变频之后的射频滤波器在工程上易于实现等优点，降低了单机设计难度，减小了产品体积，增加了电性能稳定性与系统可靠性。若选用第一或第三奈奎斯特域的的信号，则与第二奈奎斯特域的信号存在频谱翻转。

1.2 上变频器造成频谱翻转分析

编码调制器共有X对地数传（450M）、X星间（10M/50M）、Ka中继（20M）、Ku动中通（37.5M）、S广播分发（2K/8K/64K/256K）5种工作模式、9种工作速率。各工作模式的工作频段不同，需对输出频谱进行上变频，将频谱搬移至指定频段。从频域的观点来看，变频是一个频谱搬移的过程，将所需的信号频谱从一个频率搬移到另一个频率[1]。上变频示意图见图3所示。

在实际工程系统中，输入中频（IF）或射频（RF）信号是带有基带数字信号信息的含有多个分量的调制信号，为说明信号间的频率关系，在此先不考虑幅度因素，将其简化为正弦信号sin（ωct），ωc对应的是中频（IF）或射频（RF）的频率。将本振信号记为sin（ωLOt），ωLO信号对应的就是本振频率（LO），两个信号进入混频器进行频域相乘，在时域的表达式y（t）为：

通过公式（1）可知，变频后实际会产生和频与差频两个信号，这两个信号都可以被带通滤波器选择后用于实际传输。由于变频是频谱搬移的过程，对变频后信号的要求是其频谱结构、各分量相互关系保持不变，这样解调后才能恢复出原始信息。实际系统中，和频信号无条件满足这一要求。对于差频信号，在公式（1）中当ωc-ωLO<0时，则会出现输入的低频端信号在变频后输出在高频端，而输入的高频端信号在变频后输出在低频端的现象，即频谱翻转。

根据上述分析，对数传发射子系统的联试情况进行分析：

（1）数传上变频：X对地数传（450M）、X星间（10M/50M）、Ka中继（20M）、Ku动中通（37.5M）模式均选用上变频后的和频信号，即sin（ωc+ωLO）t，不会出现频谱翻转的情况。

（2）广播分发上变频：S广播分发（2K/8K/64K/256K）选用上变频后的差频信号，且ωLO>ωc，ωc-ωLO<0。因此，频谱会发生一次翻转。

1.3 下变频器造成频谱翻转分析

下变频将信道中的频谱搬移回中频解调，一般由地测设备完成，下变频选择的是变频后的差频信号。根据公式（1）进行对本次联试的情况进行分析，下变频本振（LO）包含两种情况：

（1）高本振：LO频率大于RF输入频率，此时ωc-ωLO<0，频谱发生翻转;

（2）低本振：LO频率小于RF输入频率，此时ωc-ωLO>0，频谱不翻转。

可见，当LO频率大于RF输入频率时，下变频会造成频谱翻转。

目前市面上的下变频器多选低本振的下变频方案，或选用两次高本振变频使频谱翻转互相抵消的方案，很少有直接翻转频谱的下变频器，因此，本次联试也未收到下变频器的影响。

1.4 地面接收解调器造成频谱翻转分析

接收机收到的频谱信号与发射端类似，也存在多个奈奎斯特区域的信号。接收机一般采用带通采样，其频谱是否翻转与采样频率fs和奈奎斯特区域的选择有关，根据带通采样定理：

2 频谱翻转的机理分析及解决办法

基于正交调制的信号特点，对频谱翻转后的信号进行分析，通过欧拉公式可知，任一时刻正弦波信号相当于在一个复平面上旋转的两个向量的合成：

编码调制器输出经过了一次频谱翻转，相当于正交调制Q路取反。与原频谱相比，QPSK一次频谱翻转后的载波相位关系如表1所示：

一次频谱翻转后星座图图4所示。

可见，频谱翻转后与原频谱载波相位相差90°且旋转方向由顺时针（Inverse mapping）转换为逆时针（Normal mapping）相反，其星座图详细表述了这一现象。

綜上，频谱翻转信号是指在频域以原始信号频谱中心为对称轴进行轴对称翻转变换形成的信号以及由此信号进行无混迭频谱搬移所形成的信号[2]。如果在接收端发现频谱翻转，可采用的措施是：Q路取反;I、Q路交换;I路取反。每一种措施均可以消除频谱翻转的影响，这些功能都是目前接收机的常用设置。

3 结语

频谱翻转是星地链路数据传输中的正常现象，最终接收的频谱是否翻转是由星地链路中发射源、上下变频、接收机等多个环节共同决定的，一次频谱翻转相当于正交调制Q路信号取反（也可等效为I/Q路互换或I路取反）。由于翻转后的频谱不会损失任何信息，在接收时只需根据地面站接收到的信号是否翻转，通过设置接收机即可消除影响，从而正常解调接收数据。

参考文献

[1] 尹奕江.卫星通信中频谱反转的成因与处理[J].电信工程技术与标准化，2018，31（11）：27-30.

[2] 张晓勇，罗来源.MPSK频谱翻转信号研究[J].电信技术研究，2008（1）：8-12.