一種X 波段星載數傳發射機成形濾波設計

何林飛，李曉飛，韓俊博

（天津訊聯科技有限公司，天津 300308）

衛星通信系統信道的特點是功率和頻帶均受限[1-2]。QPSK 基帶信號的帶寬與碼速率相等，如果發射前不對基帶信號帶寬進行壓縮[3-7]，不僅會占用大的頻率帶寬，還存在嚴重的碼間干擾，導致系統傳輸誤碼率變高[8-9]。針對上述問題，需要對基帶信號進行帶限，減小碼間干擾。最常用的方法就是對基帶信號進行成形濾波[10-12]，減小基帶信號帶寬，同時使得最佳采樣點的碼間干擾盡可能小。

商業航天通常使用X 波段（8.0～8.4 GHz）下行數傳頻段，衛星的體積、功耗、質量與發射成本密切相關，因而要求星載數傳發射機具備低功耗、小體積等優點[13-14]。因而DAC 采樣頻率不宜太高，某個立方星上使用的X 波段數傳發射機中采用110 MHz 采樣率的DAC，需要實現QPSK 調制最高速率為40 Mbps（20 Msps），EVM≤10%的指標要求。同時衛星總體申請的頻率帶寬有限，需要壓縮信號帶寬。

常規成形濾波方法需要滿足采樣率和符號速率為整數倍關系。110 MHz 采樣率，20 Msps 的符號速率，采樣率和符號速率的比值為5.5，不滿足整數倍關系，無法使用常規的成形濾波方法。

基于以上背景，設計了一種成形濾波方法，該方法適用于采樣率和符號速率為非整數倍關系時的成形濾波處理。

1 非整數倍成形濾波器設計原理

1.1 平方根升余弦濾波器

滿足奈奎斯特準則的成形濾波器有許多種，最簡單的是理想低通濾波器[15]，但是其物理不可實現。在通信系統中使用最多的為升余弦濾波器，實際工程實現時采用收發組合方式實現升余弦濾波器，即發送端使用平方根升余弦濾波器，接收端采用相同平方根升余弦進行濾波。平方根升余弦沖擊響應的表達式為：

其中，Tb為符號周期,α為滾降系數，信號占用帶寬W=Rb(1+α)/2，Rb為符號速率，Rb=1/Tb。

平方根升余弦沖擊響應波形時域為無窮寬，在實際應用時需要對其進行截短，截短時間一般為8Tb，此時濾波器長度適中且對系統產生的誤差很小，如圖1所示。

圖1 平方根升余弦濾波器沖擊響應波形

1.2 非整數倍成形濾波原理

1.2.1 輸入序列插值處理

進行成形濾波處理前，首先需要對輸入序列進行插值處理。設x(h) (h=0,1,2,3...) 為輸入碼元序列，xfs(n)為對x(h)進行插值后的序列，h(n)為成形濾波器單位脈沖響應。Tb為符號周期，Ts為采樣周期，以下對Tb/TS為整數和非整數兩種情況進行分析。

1）Tb/Ts為整數時，有如下關系：

①當(Ts+Ts×n)＞Ts×n≥h×Tb時，xfs(n)=x(h)；

②其他時刻，xfs(n)=0。

例如，對于Tb/Ts=6，輸入序列：1,1,-1,1,1,1,-1；則插值后序列為1,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,-1,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,-1,0,0,0,0,0。

每次插值0 的數量都為5 個。

2）Tb/Ts為非整數時，同樣有如下關系：

①當(Ts+Ts×n)＞Ts×n≥h×Tb時，xfs(n)=x(h)；

②其他時刻，xfs(n)=0。

例如，對于Tb/Ts=4.5，輸入序列x(h) ：1,1,-1,1,1,1,-1；則插值后序列xfs(n)為1,0,0,0,0,1,0,0,0,-1,0,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,0,0,1,0,0,0,-1,0,0,0,0。

每次插值0 的數量不再固定，可能是4 個，也可能是3 個。

1.2.2 成形濾波器系數分析

同樣按照Tb/Ts為整數和非整數兩種情況分析：

1）Tb/Ts為整數

成形濾波器截短時間8Ts，每個Ts內采樣Np個點，Np=Tb/Ts。每個Ts按Np個相位值等分，相位值Pn=n/Np（n=0,1,2…Np-1）；

對每個輸入數據序列進行Np倍插值后，與濾波器h(n)進行卷積得到y(n)，y(n)如下所示：

其中，第m個輸出對應的h(n)系數的相位為m/N的小數部分，具有周期性。例如，Np=4，則相位為0,1/4,2/4,3/4,0,1/4，…依次循環。

2）Tb/Ts為非整數

此時仍需滿足數據相位與濾波器相位對齊，即第m個輸出對應的h(n)系數的相位為m/Np的小數部分（N為非整數，m=0,1,2,3…）。

例如，Np=4.5，則第1 個輸出對應濾波器系數的相位為0。

第2 個輸出對應濾波器系數的相位為0.222 2。

第3 個輸出對應濾波器系數的相位為0.444 4。

第4 個輸出對應濾波器系數的相位為0.666 7。

第5 個輸出對應濾波器系數的相位為0.888 9。

第6 個輸出對應濾波器系數的相位為0.111 1。

第7 個輸出對應濾波器系數的相位為0.333 3。

第8 個輸出對應濾波器系數的相位為0.555 6。

由上述分析可知，Np為非整數時，對應的濾波器系數不再是一組固定值，對于每個輸出需要重新計算濾波器系數。

平方根升余弦沖擊響應系數直接用FPGA 計算過于復雜，而如果提前用Matlab 將每個Ts分為Mp個相位點，將每個相位點值計算出來，并存儲到ROM，每次濾波FPGA 中只需要計算出濾波器相位，通過查表得到最接近該相位值的濾波器系數值,這樣實現的難度就大大降低。理論上Mp越大，濾波器系數精度越高。具體如下：

①對每個Ts內進行Mp個相位點的分割，例如Mp為512 點。并將8×Mp個值儲存到8 個ROM 中，ROM 的輸入地址即為相位，輸出即為對應相位的濾波器系數值。

②對于相位m/Np（取小數部分）的系數值，轉變為地址(m/Np×Mp)對應的ROM 輸出值。

1.3 具體實現方法

綜上，得到Tb/Ts為非整數時成形濾波實現方法如下：

1）對升余弦濾波器進行8Ts截短，每個Ts采樣點數為Mp（例如512），得到8 個濾波器系數ROM。

2）初始化數據移位寄存器DATA8 為{0，0，0，0，0，0，0，0}。

3）每個采樣點碼相位NCO 進行一次累加，PHASE=PHASE+Ts/Tb。

4）如果累加完后的PHASE≥1，則移入一位輸入數據，DATA8=[newbit DATA8(1:7)]，newbit 為1 bit 新的輸入，同時PHASE=PHASE-1；否則DATA8 的值不變。

5）根據NCO 相位值，經過運算得到對應濾波器系數ROM 地址為PHASE×Mp（值取整），查表得到濾波器系數值lf_coef。

6）DATA8 與lf_coef 進行相乘并累加，得到一個采樣點濾波輸出。

7）重復步驟3）-6），得到后續的濾波輸出。

2 Matlab仿真

Matlab 仿真參數設置：升余弦濾波器滾降系數為0.25，截短長度為8Tb，輸入碼元為隨機數，碼元長度為2 000，符號速率Rb為20 Msps。Tb內相位點數Mp分別選擇32、128、256 和512 進行仿真，得到成形濾波后的輸出時域波形和頻譜如圖2-5 所示。

圖2 成形濾波仿真結果圖（Mp=32）

圖3 成形濾波仿真結果圖（Mp=128）

圖4 成形濾波仿真結果圖（Mp=256）

圖5 成形濾波仿真結果圖（Mp=512）

由波形圖可知，經過成形濾波后的時域波形平滑，頻譜對應的帶寬和理論相符。

同時也可以看出，Mp=32 時，頻偏中間出現了少許失真。這是由于Mp較小時擬合出的成形濾波器系數誤差變大，導致濾波器帶外抑制惡化。

Mp=128,256,512 時，頻譜失真不明顯，濾波后的頻譜帶外抑制性能差異很小。

對于其他速率成形濾波，只需修改符號周期Tb即可，例如，當Rb為10 Msps時，仿真結果如圖6所示。

圖6 成形濾波仿真結果圖（Rb=10 Msps）

3 FPGA實現

根據Matlab仿真結果，綜合考慮FPGA資源和速率的擴展性，選取每個符號周期Tb采樣點Mp為256，進行量化并轉化為補碼后，分段存儲到ROM1-ROM8中。

FPGA 成形濾波實現框圖如圖7 所示，主要由碼NCO、8 個系數ROM、乘法器、加法器、移位寄存器組成。NCO 相位每次溢出時讀取1 bit 輸入碼元，NCO 相位截取高8 bit 后作為ROM 的地址輸入。移位寄存器輸出的比特D1、D2、D3…D8分別與8 個ROM 輸出的系數值相乘，然后進行相加后輸出，FPGA 內部各級運算均采用流水線工作方式實現。由于比特D1-D8為1 或者0，乘法器運算可進行簡化，使用判斷語句實現。如果Dn為1，則乘法器輸出等于ROM 輸出取反+1；如果Dn為0，則乘法器輸出等于ROM 輸出值。

圖7 FPGA成形濾波實現框圖

所研制的X 波段數傳發射機選用Xilinx 公司的FPGA 型號為XC7A200T，使用Veriolog HDL 實現了該成形濾波器算法。模擬輸入的碼元為周期1023的GOLD 偽隨機序列[16]，碼速率為40 Mbps，成形系數為0.25，調制方式為QPSK，使用Modelsim 仿真得到，Ⅰ路、Q 路2 路濾波器輸出的波形如圖8 所示。由圖可知，濾波器輸出的波形平滑，達到預期的效果。

圖8 Modelsim仿真結果圖

在所研制的X 波段數傳發射機中加入成形濾波器后，使用頻譜儀測量數傳輸出速率40 Mbps 時的QPSK 調制頻譜如圖9 所示，可知經過成形濾波后的信號帶寬在25 MHz 附近，實測頻譜和Matlab 仿真結果相符。

圖9 頻譜實測圖

成形濾波后的基帶信號經過變頻、放大到X波段后，使用頻譜分析儀測量數傳輸出碼速率40 Mbps 和20 Mbps 時的EVM，如圖10 和圖11 所示。加入成形濾波后40 Mbps 速率下的EVM 為5.734 4%，20 Mbps速率下的EVM 為2.233 4%，滿足EVM≤10%的系統指標要求。

圖10 EVM實測圖（40 Mbps QPSK）

圖11 EVM實測圖（20 Mbps QPSK）

對未加成形濾波處理的數傳輸出EVM 進行對比測試，如圖12 和13 所示。在數傳速率為40 Mbps 時，EVM 為13.229%，在20 Mbps 時，EVM 為8.712 5%。相對于加入成形濾波時的EVM，EVM 惡化約2～3倍。

圖12 無形型濾波EVM實測圖（40 Mbps QPSK）

圖13 無形型濾波EVM實測圖（20 Mbps QPSK）

由上述測試結果可以看出，該成形濾波方法達到了預期效果，滿足指標要求，能夠有效改善信號EVM 性能。

4 結論

文中介紹了一種采樣率與符號速率不成整數倍關系，適用星載數傳發射機實現的成形濾波的方法。利用碼NCO 控制對輸入數據移位和取數，碼NCO 相位實現對存儲濾波器系數的ROM 尋址，實現了非整數倍成形濾波。通過Matlab 和Modelsim 對算法進行了仿真，同時在星載X 波段數傳發射機硬件平臺上得到工程驗證。該成形濾波方法對數傳發射機輸出信號的EVM 性能提升明顯，具備重要的工程意義和價值。