基于射频数字化的多通道信号处理方法

操礼长，谢学东，邓忠杰

基于射频数字化的多通道信号处理方法

操礼长，谢学东，邓忠杰

（中国西安卫星测控中心 西安 710043）

针对传统的卫星测控射频信号处理中存在的过程复杂、通道数量不多等缺点，提出了采用射频数字化技术，直接在上下行射频与基带之间进行信号转换，大大简化了射频前端设计；针对多路频分宽带信号，设计了二级滤波模式，较好地适应了多种卫星测控体制的需求；采用了超奈奎斯特架构，有效提升了前端的集成度及可靠性。

多相滤波；二级滤波；超奈奎斯特架构；卫星测控

引 言

传统的接收机、发射机大多采用模拟变频方式，先将接收到的射频信号转换为中频信号，再经过模数转换至数字信号，最后才进行信号的处理。这种方式造成了卫星下行遥测数据接收信道的体积庞大、设备众多、连接复杂，不易实现集成化、小型化。更为关键的是，由于经过了模数转换，不可避免地引入了插入损耗、幅频失真、群时延失真以及相位噪声，抬高了接收信道的噪声，影响了信号接收的灵敏度。同样，上行遥控数据发射信道也是如此。随着A/D、D/A器件的发展以及高速数字信号处理能力的快速提升，将射频信号直接转换为数字基带信号已成为可能，射频数字化技术已逐渐应用到航天测控系统中。而且，随着航天测控技术的快速发展，相控阵天线、极化复用技术等已逐渐投入使用，卫星上下行信道正由单极化扩展至双极化，由单通道扩展至双通道、四通道，乃至数十个通道，多通道之间的信号交叉干扰已不可避免。

本文基于无线电基本原理，提出了一种新的射频数字化架构，适用于S频段多通道下行遥测信号的接收及上行遥控信号的发射，对于X频段多通道上下行信号的接收及发射，也具有参考、借鉴作用。

1 宽带遥测信号的处理

当前，国际上的卫星测控主要用S频段的2 GHz～3 GHz，上行遥控及下行遥测信号带宽均在100 MHz左右。考虑到上下行信道的幅频特性，全功率带宽不应低于3 GHz。对这样的多路、宽带、射频信号直接数字化，必须要避免多个频谱的混叠，慎重选取采样频率。

依据带通采样原理，采样频率应满足下列公式：

对于S频段的上行遥控及下行遥测信号，针对不同的，可用的带通采样频率也随之不同。当为1时，上下行采样频率均在2 GHz～4.5 GHz范围内；而当为10时，则上下行采样频率均在300 MHz～ 500 MHz范围内。

在满足采样基本要求的前提下，兼顾上行遥控及下行遥测的频率，并考虑前置滤波器带外抑制的过渡带影响，即保留足够的数字频带间隔。此时，应选择最低的采样频率，以减少高频率信号在处理和传输过程中带来的噪声。

综合考虑信号带宽、时钟分配以及后端信号的处理，选定采样频率为960 MHz时，对中心频率为2 250 MHz的信号进行A/D转换后，数字中频为330 MHz；而对中心频率为2 050 MHz的信号进行A/D转换后，数字中频则为150 MHz。采样后的数字中频信号，通过8相变频滤波处理后，再经过缓存、协议组包等，就可将速率降至30 MHz，以进行网络传输。

对于中心频率为2 GHz～3 GHz、带宽为100 MHz的上下行信号，带内可能存在多路信号，采用多相滤波器架构，可有效解决多路高速信号的变频滤波。

多相滤波，实质上是将变频与FIR滤波二者结合起来，同步处理；之后，再将已经变频、滤波的信号均匀分解为多个相位，并单独依次处理，这样，运算单元的处理速度将降至S/（为并行位数），可达到降低信号频率、优化信号处理之目的。多相变频器的组成框图如图1所示。

图1 多相变频器组成框图

如果直接采用多相滤波实现基带信号的转换，其中心频率只能设置为S/的整数倍，这并不符合实际中上下行频率任意设置的要求。由于本质上变频的过程其实就是采样信号与载波信号乘积的过程，为此，可通过下列方法，来获得S/任意倍数的频率。

将式（2）分解成如下形式，可将输入样本与下变频载波分解成路多相信号，其结构如下：

仍以上述数据为例，在图1中，A/D采样得到的960 MHz信号，经过串并转换后，得到8路120 MHz的并行数据。利用系统时钟，移相模块依次产生每一个通道的相位偏移值，即后一个通道相位是在前一个通道的基础上增加相位偏移值后得出的。相位偏移经过正弦或余弦运算，可得出每个通道相位的本振信号。本振信号分别与各路信号相乘后，完成变频，再送入多相滤波，进行低通滤波处理。这样，经过8路并行处理，最高运算速度将由960 MHz降到120 MHz，从而较好地解决了高速信号的处理问题。

2 宽带遥控信号的处理

基带产生的数字信号经过IP化网络传输后，送入前端射频数字化设备。根据应用场景，射频数字化设备再把每个频点的基带信号变频至对应频点上。当有多路信号时，也就是有多个中心频点时，需要先把各路信号合成，最终才输出上行信号。

为了避免最大带宽为100 MHz信号的频谱混叠，上行信号还将采用数字滤波器，进行滤波处理。通常，采用FIR滤波器，并根据最窄带宽来设计滤波器的长度。

在非扩跳频测控模式下，当上行信号有多个中心频点时，为避免多路信号间的相互干扰，可采用二级滤波方式，来抑制发射带外的无用信号。为此，第一级滤波器可按照不同的测控体制信号来设计，而第二级滤波器则重点抑制非扩跳频模式的多频点信号间的干扰。两级滤波的信号调制、合成框图如图2所示。

图2 信号调制及合成框图

由于数字基带设备为通用设备，需要适应的信号带宽各不相同，因此，采用可重构的滤波器，通过DSP来实现不同系数的多组滤波、预先存储。这样，针对不同测控要求的上行信号带宽，选择合适的滤波系数，重构滤波器，就可有效滤波。设计约500组滤波器系数，就可实现100 kHz的步进要求。

3 宽带调制技术

宽带调制的难点在于射频信号的直接输出。按照信号采样与恢复原理，若直接通过D/A转换产生2 GHz的信号，其数据恢复时钟应不小于4 GHz。要保证输出信号的质量，在工程上，数据恢复时钟有时还需进一步提高，这样的高频率信号给硬件和调制算法都会带来一系列问题。采用超奈奎斯特架构，可不需要提高数据恢复时钟的频率。

图3 超奈奎斯特频谱特性图

超奈奎斯特架构是指经过D/A转换后，输出的信号功率最大的有用信号并非落在第一奈奎斯特区的原信号，而是落在第二、第三等更高奈奎斯特区的信号，此信号其实是原信号的镜像信号。对于镜像信号，可以看成原信号与D/A转换的数据刷新速率的混频，这就相当于把信号的带宽扩展到更高的频率上。

在时域上，D/A转换的输出信号可以表示为采样序列与保持脉冲的卷积：

其中，S为采样周期，0为保持脉冲的响应。

若使用零阶保持器ZOH的D/A转换信号，式（4）的频域函数则为：

由式（5）可以看出，零阶保持器ZOH的D/A输出信号的频谱受正弦函数调制。若减小零阶保持器的保持时间，可将正弦函数的包络变得更为平坦。采用二相保持器TPH，一个采样周期中，在孔径时间P内输出原信号，而在剩下的时间(S–P)中，则输出反相的原信号，其频响函数为：

当二相保持器TPH的P/S=1/2时，在采样频率S附近的包络幅度得到增强，这样，就可有效利用镜像频谱来提高信号的载频。超奈奎斯特频谱特性如图3所示。

采用超奈奎斯特架构，直接合成射频信号，省去了低通滤波器与混频器，减少了多路上行通道所需的大量组件，可有效缩小PCB面积，提升了系统集成度，增强了系统的可靠性。

4 结束语

随着航天测控技术的快速发展，特别是民用航天的井喷式发展，测控频率已由S频段扩展至X频段，高频率、多通道、小型化、经济型的卫星测控已成为大势所趋，基于APP的卫星测控也许明天就会来临，为此，射频数字化技术必将得到快速推广应用，必定拥有更为广泛的市场。S频段的射频数字化技术，对X频段，甚至Ka频段的卫星测控也具有参考、借鉴作用。

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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

操礼长, 谢学东, 邓忠杰.基于射频数字化的多通道信号处理方法[J]. 遥测遥控, 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.

操礼长 1966年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为航天测运控技术。

谢学东 1984年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为航天测运控技术和遥感信息处理。

邓忠杰 1992年生，硕士，工程师，主要研究方向为航天测运控技术。

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

(本文编辑：傅 杰)