基于Ka頻段的寬帶信號數字下變頻技術研究*

安衛國，達新宇，劉煒，郭威武

(空軍工程大學，陜西 西安 710077)

0 引言

在頻段超寬帶衛星通信中，除了采用抗突發干擾、頻譜利用率高的傳輸技術進行無線數據的高速傳輸外，信號接收技術也在很大程度上決定著通信系統的性能。數字下變頻技術作為一種信號接收技術，以其較強的可控性和較高的精確度，已經發展成為多個領域的關鍵技術。如軟件無線電、數字地面廣播電視(digital video broadcasting-TV，DVB-TV)、數字音頻廣播(digital audio broadcasting，DAB)以及未來的4G通信技術。然而，數字下變頻器的電路實現中涉及大量的乘加運算，這些運算通常用專用芯片或DSP實現，但是現有的DSP器件的處理速率已經沒辦法滿足寬帶信號下變頻需求。

目前，已經有一些學者采用多相濾波數字正交變換[1]，數字混頻正交變換[2]等[3-4]方法實現數字下變頻，而實現上述理想變換的階躍濾波器是很困難的；而文獻[5]提到多通道的數字下變頻高效結構，該方案先抽取后濾波最后混頻，使系統在較低的速率下并行處理數據，大大地提高了運算的效率，但是該方案的接收信號是固定的某些帶通信號，犧牲了頻點的靈活性；文獻[6]提出了一種改變濾波器帶寬的方法，但是濾波器帶寬成倍增加，容易引入不需要的干擾信號，不能準確地實現接收信號的頻譜搬移；文獻[7]提出了一種基于Goertzel濾波器的任意頻點的高效數字下變頻結構，但是該結構電路復雜，在實際實現上存在困難，電路消耗較多的運算能力，效率不高。

為此，本文從數字下變頻的基本原理出發，分析其現有的高效結構，對文獻[8-9]的高效算法進行推導，得出了非固定頻點的高效數字下變頻結構，最后用計算機仿真軟件驗證了該結構的有效性。結果表明改進后的高效結構可以實現非固定頻點一定帶寬信號的數字下變頻。

1 數字下變頻原理及多通道數字下變頻結構

數字下變頻的原理與模擬下變頻一樣，是把所需要的分量從中頻載波頻率搬移到所需要的頻率[10]。圖1為數字下變頻一般結構圖；接收信號經過ADC采樣轉換成高密度的離散數據序列x(n)與由數控振動器產生的復向量樣本e-jω0n在數字混頻器里相乘，然后對信號進行低通濾波濾除帶外信息，從而對數字信息進行頻譜搬移。

圖1 數字下變頻一般結構Fig.1 General structure of digital down conversion

對于一般的窄帶信號來說，上述的一般數字下變頻結構可以準確地實現接收信號的頻譜搬移，而對于寬帶信號來說，接收信號ADC后產生了較高的數據流，而現有的DSP處理器件無法滿足高數據流的數字下變頻任務；針對以上問題文獻[5]提出了一種多通道的高效數字下變頻結構，該結構先抽取后濾波最后混頻，使系統在較低的速率下并行處理數據，結構圖如圖2。

圖2 多通道數字下變頻結構Fig.2 Multi-channel digital down conversion structure

該方案對接收信號是有一定要求的，假設接收信號的采樣頻率為fs,信號的中心頻率f0,抽取數M；根據信道化接收機原理，將整個調諧帶寬分為N個信道，為了不出現盲區，每個信道的帶寬為2fs/N，這樣調諧帶寬分為N組，相鄰調諧通道之間有50%的重疊[11]； 調諧帶寬劃分如圖3所示。

圖3 調諧帶寬分布Fig.3 Tuning bandwidth distribution

當接收信號正好落入某一信道且中心頻點f0為某一信道的中心頻點時，圖2的結構是有效的，究其根本原因是犧牲了頻點的靈活性來換取高效的數字下變頻結構的。

2 基于多通道數字下變頻的非固定頻點的數字下變頻高效結構

由圖1下變頻結構圖可知，輸出序列為

y(n) ={[x(n)e-jω0n]*h(n)}↓M=

(1)

圖4 f0不為m/M信號示意圖Fig.4 Signal schematic diagram when f0 is not m/M

如果把寬帶帶通信號的中心頻點分為周期分量f1和偏移量fd，周期分量為m/N，那么式(1)有：

y(n) ={[x(n)e-jω0n]*h(n)}↓M=

(2)

對式(2)進行多相分解，令v=ρ+lM，M為抽取倍數，式(2)得到

ej2πfd(ρ+lM)x(nM-(ρ+lM)).

(3)

比較式(3)與現有的多通道數字下變頻結構，可以知道式(3)也將下變頻結構分成了M個通道，其對接收信號的處理過程也是先抽取后濾波最后混頻，但區別就在于濾波器組的各級濾波階數的系數，式(3)中將混頻系數的偏移分量ej2πfdn分散于各級濾波器中，使原本的濾波系數h(n)變為了h(n)ej2πfd(n)，然后對濾波后的離散點進行N點的IDFT，由于混頻系數的不固定，對于輸出的N點IDFT還需與周期分量的M被抽取后的混頻系數作復乘運算，得到最后的頻譜搬移后的輸出序列y(n)。

圖5為根據公式(3)得到的改進后的非固定點的數字高效下變頻結構。

圖5 改進的非固定頻點數字下變頻高效結構Fig.5 Improved non fixed frequency point digital down conversion efficient structure

由以上的結構可以知道，改進后的方案在結構上沒有太大的變化，在每階濾波器上復乘上一個頻率偏移分量，如果接收機的抽取倍數為M，那么每處理一個點就相當于在原有的高效結構上多進行M+1次復乘運算，運算量有所增加，但是增加了頻點的靈活性，相比文獻[6]提到的基于Goertzel濾波器的電路實現結構來說，本文提到的結構更易于工程上的實現。

3 仿真驗證

為了驗證改進結構的有效和高效性，按照圖5的改進結構和式(3)在計算機上用模擬仿真軟件Matlab進行了仿真驗證[12]；仿真條件如下：

原始輸入信號為中心頻點f0=22 MHz，帶寬B0=8 MHz的線性調頻信號；系統的采樣率fs=100 MHz，N=10，M=5；由仿真條件可知輸入信號落入劃分頻帶的第2個信道內，該信道的中心濾波頻點為20 MHz；仿真結果如圖6所示。

圖6 原始信號的頻譜圖Fig.6 Spectrum diagram of original signal

為了使下變頻后的信號有可對比性，對原始信號按照圖1的一般結構進行直接數字下變頻，直接數字下變頻的頻譜結果如圖7所示。

圖7 對信號直接下變頻后頻譜圖Fig.7 Direct down conversion signal spectrogram

如果對于一般的接收信號，其頻點和帶寬都不滿足傳統的多通道數字下變頻基本條件，其下變頻后的結果如圖8所示。

圖8 傳統高效結構輸出頻譜圖Fig.8 Traditional efficient structure output spectrum figure

按照式(3)和結構圖5進行的改進后的下變頻結構對一般特性的接收信號進行數字下變頻結果如圖9所示。

圖9 改進結構的非固定頻點下變頻頻譜圖Fig.9 Improvement of structure of non-fixed frequency down conversion spectrum

由以上仿真圖可以看出，圖7是對接收信號進行原始的頻譜搬移(按圖1的原理結構)，圖8是在傳統的多通道數字下變頻結構上實現的仿真，可以看出由于濾波器的限制，最后得到的輸出序列相比圖7的直接下變頻輸出是完全失真的，所以該方案不適合一般頻點的數字下變頻；圖9則是采用了改進后方案的頻譜輸出圖，相比較圖7該方案輸出的頻譜實現了頻譜的準確搬移，但是在頻譜的幅度上有一些失真，這是由于濾波器組各級與頻率偏移分量進行復乘過程中所產生的誤差。

綜上所述，改進的高效結構對非固定頻點的帶通信號進行數字下變頻時，可以無失真地對信號進行頻譜搬移，其下變頻的頻譜圖等效于直接數字下變頻的頻譜圖，而傳統的多通道高效數字下變頻對非固定頻點進行數字下變頻時對信號造成了不可還原的失真，其高效結構的有效性遭到破壞。

4 結束語

本文分析了現有的高效數字下變頻結構，并針對已有結構頻點固定的問題，將下變頻系數分散于各個濾波器階數中，得到了一種非固定頻點的高效數字下變頻結構，仿真驗證了改結構的有效性。與傳統結構相比運算量增加K+1次，但其接收信號的頻點靈活性大大增加，在一定程度上提高了頻段超寬帶衛星通信系統的通信效率，具有一定的理論價值。

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