《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種適用于微納衛(wèi)星通信系統(tǒng)的數(shù)字下變頻算法
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2011年第10期
唐樹元, 王云杉, 張 濤
(北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 北京100191)
摘要： 提出一種適用于微納衛(wèi)星通信系統(tǒng)的窄帶信號(hào)數(shù)字下變頻的M點(diǎn)平均降速算法,，采用數(shù)據(jù)移位和減少數(shù)據(jù)位寬的方法,，解決中頻信號(hào)數(shù)字下變頻中鏡像抑制濾波以及抽取環(huán)節(jié)帶來的資源消耗多、延遲大等問題。給出了該算法的FPGA編程實(shí)現(xiàn),，并與一般FIR濾波器進(jìn)行性能對(duì)比測(cè)試,。結(jié)果表明,，M點(diǎn)平均降速算法有良好的鏡像抑制能力,，同時(shí)，算法對(duì)窄帶信號(hào)達(dá)到相同抑制能力時(shí)比相同性能的FIR濾波器消耗的資源少,，相位延遲減少約80%,。
中圖分類號(hào)： TN927.23
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2011)10-0099-04
A DDC algorithm for micro/nano satellite communication system
Tang Shuyuan, Wang Yunshan, Zhang Tao
College of Electronical Information Engineering, University of Beijang, Beijing 100191, China
Abstract： A DDC algorithm for narrow band signal of micro/nano satellite communication system named M-point average decimal algorithm is introduced in this article to solve the problems of image-reject filter and the large source usage and the long latency which are produced in extraction.This paper gives the algorithm’s program completement in FPGA,compares the algorithm’s performance with that of general FIR filters.It is proved that M-point average decimal algorithm deals well with image-reject,and consumes less resources and decreases the latency by 80 percent or so than FIR filter.
Key words : micro/nano satellite；communication system,；narrow band signal,；DDC algorithm


    微納衛(wèi)星測(cè)控通信系統(tǒng)對(duì)體積、功耗以及研制成本等方面有更高的要求,，現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)方法往往難以滿足要求,。以統(tǒng)一S波段（USB）測(cè)控應(yīng)答機(jī)為例，成熟的方案是采用模擬電路實(shí)現(xiàn)應(yīng)答機(jī)中擔(dān)當(dāng)調(diào)制解調(diào),、上下變頻等功能的前端電路,，這種方案設(shè)備集成度不高、重量和體積大,。對(duì)于USB的數(shù)字化實(shí)現(xiàn),，從目前國(guó)內(nèi)外公開的研究成果來看，一般采用模擬前端的數(shù)?；旌螦SIC(專用集成電路)設(shè)計(jì),例如:西班牙的University of Cantabria,、Thales Alenia Space和意大利的Alenia spazio via Marcellina的研究成果,以及歐洲空間局(ESA)在伽利略(GALILEO)和火星快車(Mars Express)計(jì)劃中的方案[1-2]。這種中頻和基帶處理模塊的數(shù)?；旌系脑O(shè)計(jì)方案雖然可降低系統(tǒng)重量,、體積,，但方案需要設(shè)計(jì)專門的ASIC，這將增加系統(tǒng)的研制周期和成本,。
    采用基于通用VLSI的全數(shù)字中頻和基帶處理設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法可有效降低微納衛(wèi)星測(cè)控通信系統(tǒng)體積,、功耗以及研制成本，但需要解決窄帶信號(hào)條件下中頻信號(hào)的下變頻處理帶來的資源耗費(fèi)大,、處理延遲大等問題,。目前的數(shù)字下變頻算法理論主要包括帶通采樣、正交數(shù)字混頻,、高效數(shù)字濾波和多抽樣率信號(hào)處理理論等，其中高效數(shù)字濾波包括FIR濾波的積分梳狀濾波（CIC）,、半帶濾波（HB）等,，是數(shù)字下變頻算法中運(yùn)算量最大的部分，使資源消耗增多,，延遲變大,。因此目前對(duì)數(shù)字下變頻算法的研究主要關(guān)注以下方面：如何減少抽取濾波器的運(yùn)算量和儲(chǔ)存量，以及減少濾波器運(yùn)算的延遲時(shí)間,。目前公開的研究成果有：使用FIR濾波的CIC濾波器與HB濾波器[3-5],；使用多相分解并行計(jì)算[6-10]。FIR濾波器的延遲時(shí)間比較大[11],。多相分解并行計(jì)算通常用于寬帶信號(hào)中,，若將多相分解并行計(jì)算用于相對(duì)帶寬(采樣帶寬)小的窄帶信號(hào)中，濾波器階數(shù)變大,，相位延遲增大[6-11],。在USB測(cè)控系統(tǒng)中，為了保證測(cè)距精度,，對(duì)遙測(cè)視頻信號(hào)中的100 kHz主測(cè)距音信號(hào)經(jīng)過應(yīng)答機(jī)時(shí)發(fā)生的相位延遲有特定要求[12]?，F(xiàn)有公開的研究成果在相位延遲上不能滿足微納衛(wèi)星通信系統(tǒng)。
    本文主要研究一種適用于微納衛(wèi)星通信系統(tǒng)的窄帶信號(hào)數(shù)字下變頻的M點(diǎn)平均降速算法,。該算法采用數(shù)據(jù)移位和減少數(shù)據(jù)位寬來減少運(yùn)算量和抽取量,，并同時(shí)完成濾波和抽取兩步處理。
1 窄帶信號(hào)數(shù)字下變頻原理簡(jiǎn)述
    目前微納衛(wèi)星通信系統(tǒng)中常見的無線通信模式,，例如GSM,、WCDMA、TD-SCDMA,雖然有些已經(jīng)使用了擴(kuò)頻通信模式,，但是相對(duì)數(shù)十MHz的中頻頻率而言,，其帶寬仍然可以作為窄帶信號(hào)(信號(hào)通頻帶遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信號(hào)中心頻率)處理。以下論述中作如下假設(shè)：在信號(hào)采樣之前,，預(yù)先經(jīng)窄帶濾波器處理;采樣后的噪聲與有用信號(hào)均為窄帶信號(hào),。

    

 


顯然,，式(11)與式(8)形式相同，區(qū)別在于y[n]的定義域,。若M=2n,，則1/M增益可以使用數(shù)據(jù)移位簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)，而清零信號(hào)可以用計(jì)數(shù)器輸出的最高位的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn),。此時(shí)累加器的位數(shù)為：輸入數(shù)據(jù)位寬+n,。給這種算法命名為“M點(diǎn)平均降速算法”。
    與FIR濾波器相比,，M點(diǎn)平均降速算法具有優(yōu)勢(shì),。設(shè)M=10，采樣率為150 MS/s,對(duì)15 MHz,、30 MHz,、45 MHz、60 MHz陷波點(diǎn)處,依次對(duì)帶寬1.49 MHz,、 2.90MHz,、 4.02 MHz、4.83 MHz內(nèi)的窄帶信號(hào)具有大于26 dB的抑制能力,，如圖2中實(shí)線,，延遲時(shí)間為5個(gè)采樣周期；如采用等紋波方式逼近的FIR濾波器,則需要85點(diǎn)才能達(dá)到26 dB的抑制能力,，如圖2中虛線,，延遲時(shí)間為43個(gè)采樣周期；而10點(diǎn)的FIR濾波器只有大約13 dB的抑制能力,，如圖2點(diǎn)線,。可以得到結(jié)論：M點(diǎn)平均降速算法對(duì)窄帶信號(hào)達(dá)到相同抑制能力比相同性能的FIR濾波器需要的點(diǎn)數(shù)少,，延遲時(shí)間短,；比相同點(diǎn)數(shù)的FIR濾波器對(duì)窄帶信號(hào)的抑制能力強(qiáng)。

3 下變頻算法的FPGA實(shí)現(xiàn)與性能實(shí)測(cè)
    在Xilinx ISE 10.1環(huán)境中編程實(shí)現(xiàn)M點(diǎn)平均降速算法,。設(shè)M=10,，輸入數(shù)據(jù)位寬為16 bit，使用XST綜合器綜合得到RTL實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu),。設(shè)定濾波器輸入位寬為16 bit,，阻帶抑制為26 dB，阻帶為1/20采樣率,，通帶為1/30采樣率,，可在ISE中調(diào)用FIR濾波器的IP核產(chǎn)生。這個(gè)算法和FIR “器件利用小結(jié)”相比較如表1所示?？梢?amp;ldquo;M點(diǎn)平均降速算法”在FPGA中實(shí)現(xiàn)的資源消耗量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于FIR濾波器,。同時(shí)，該算法相位延遲比通常算法減少約80%,。

    對(duì)M點(diǎn)平均降速算法的濾波性能進(jìn)行測(cè)試,。測(cè)試方案為：在virtex 4系列XC4VSX35 FPGA芯片中編程實(shí)現(xiàn)2個(gè)NCO：NCO1、NCO2,，NCO1輸出信號(hào)的頻率為1.5 MHz,，NCO2的輸出頻率比NCO1低5 000 Hz；將NCO1,、NCO2輸出的信號(hào)混頻(相乘),，相乘之后通過10點(diǎn)平均降速模塊完成下變頻，下變頻輸出的信號(hào)為5 000 Hz,，采樣率為1.5 MHz,。實(shí)測(cè)處理前后信號(hào)如圖3所示。

    由圖3可見,，下變頻后的信號(hào)中無明顯鏡像頻率混入，算法的效果良好,。
4 下變頻算法的USB通信系統(tǒng)中的性能實(shí)測(cè)
    圖4是USB測(cè)控通信一體化應(yīng)答機(jī)中的中頻與基帶處理模塊圖,。

    該USB通信系統(tǒng)所處理的中頻信號(hào)中心頻點(diǎn)為30 MHz，-3 dB時(shí)帶寬為5 MHz,、-60 dB時(shí)帶寬為10 MHz,。信號(hào)的全部處理流程如下：信號(hào)經(jīng)采樣率為150 MS/s的AD芯片采樣后，做數(shù)字下變頻及抽取,，變換成中心頻點(diǎn)為2.5 MHz,、采樣率為15 MS/s的抽樣中頻信號(hào)。為了減少頻譜混疊,，并減少片上資源消耗,，數(shù)字下變頻沒有采用正交復(fù)下變頻，而是選擇傳統(tǒng)的實(shí)信號(hào)下外差下變頻,，依靠射頻前端的選擇性抑制鏡像,；中頻信號(hào)與數(shù)字本振信號(hào)混頻后，“經(jīng)過10點(diǎn)平均降速”,，完成抗混疊濾波和減采樣,。對(duì)抽樣中頻信號(hào)進(jìn)行正交乘積檢波，做cordic鑒相,，解調(diào)出測(cè)控視頻信號(hào),。從視頻信號(hào)分離出的測(cè)距音信號(hào)，與實(shí)時(shí)遙測(cè)副載波合并，PM調(diào)制到4 MHz載波上后與6 MHz的數(shù)據(jù)通信載波合路,，最后2次上變頻到中心頻率30 MHz,，完成下行信號(hào)的發(fā)射。其中10點(diǎn)平均降速算法的性能部分如下所述,。
　　算法的幅頻特性如圖5所示,。在頻帶內(nèi)有多個(gè)陷波點(diǎn)，在帶寬±5 MHz內(nèi)的衰減可達(dá)到-40 dB以上,。中頻信號(hào)DDC前信號(hào)中心頻率為30 MHz,，本振信號(hào)頻率為28.5 MHz，則混頻后鏡像頻點(diǎn)為58.5 MHz,，帶寬為5 MHz,；正交解調(diào)前TT&C子載波中心頻點(diǎn)為1.5 MHz，解調(diào)后產(chǎn)生的鏡像頻率為3 MHz,，帶寬為1 MHz,，兩者鏡像頻率均在陷波點(diǎn)處?；祛l后,，信號(hào)經(jīng)該算法處理后,除了與處理前重疊的有用譜線外無其他譜線混入。
    本文針對(duì)窄帶信號(hào)數(shù)字下變頻處理過程的特性,，設(shè)計(jì)了一種將鏡像抑制濾波器和抽取器合二為一的高速下變頻算法,。該算法與FIR濾波器相比，對(duì)窄帶信號(hào)鏡像的抑制能力相同時(shí)具有更低的資源占用量和更短的延遲時(shí)間,。在FPGA中對(duì)該算法的實(shí)現(xiàn)及性能測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性,。取M=10，在本文所給的USB應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)中測(cè)試了該算法的性能,?；祛l后信號(hào)經(jīng)該算法處理后抑制了窄帶信號(hào)鏡像的頻率?？梢赃_(dá)到該算法適合微納衛(wèi)星的特殊要求,。
參考文獻(xiàn)
[1] SIMONE L, COMPARINI M C. Spacecraft transponder for deep space application: design and performance[J]. IEEE Areospace and Elctronic System, 2002, 3:1337-1347.
[2] BARQUINERO C, DETRATTI M. Multimode GaAs chipset for new S-band satellite TT&C transponders[J]. IEEE TRAN. On Areospace and Electronic System,2008,44(3):1029-1041.
[3] 楊靈, 吳黎輝, 張?zhí)N玉. 基于高效抽取濾波器的數(shù)字下變頻設(shè)計(jì)[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2006,34(6):14-17.
[4] 王東劍, 張小華, 劉鑫. 一種基于FPGA的數(shù)字下變頻設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表,2010(1): 52-60.
[5] 馮振偉,武小冬,梅順良.基于FPGA 的數(shù)字中頻接收機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].通信技術(shù),2010,43(4):17-19.
[6] 王虹現(xiàn), 李剛,邢孟道，等.微型SAR的數(shù)字下變頻設(shè)計(jì)[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2010,32(2):485-489.
[7] Zhang Xiongkui, Gao Meiguo. A high performance digital IF receiver and application in ISAR imaging[C]. Radar Conference, 2009 IET International:1-4.
[8] Li Bing, Ge Lindong. An efficient architecture for wideband digital down conversion based on the goertzel filter [C]. Wireless Communications,Networking and Mobile Computing, 2006.WiCOM 2006. International Conferenceon:1-4.
[9] Wu Wei, Tang Bin. An efficient digital down conversion structure with bandwidth matched receiving [C]. Communications and Information Technology, 2005. ISCIT 2005.IEEE International Symposium on:136-139.
[10] 王璐,李明.基于并行FIR濾波器結(jié)構(gòu)的數(shù)字下變頻[J].火控雷達(dá)技術(shù), 2010(3):36-40.
[11] 徐小劍,黃培康.雷達(dá)系統(tǒng)及其信息處理[M]. 2nd prentice hall,Eaglewood Cliffs.
[12] 衛(wèi)星測(cè)控和數(shù)據(jù)管理測(cè)距[S].國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB1198,1991:4-91.

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