星地通信中頻譜翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象分析

劉聚 陳劼 楊津浦 林閩佳 朱英瑋

摘要：衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸需要進(jìn)行調(diào)制解調(diào)和變頻處理，通過(guò)分析調(diào)制和變頻等環(huán)節(jié)造成的頻譜翻轉(zhuǎn)的機(jī)理，提出解決頻譜翻轉(zhuǎn)的方法，對(duì)星地?cái)?shù)傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)及聯(lián)試具備重要參考作用。

關(guān)鍵詞：頻譜翻轉(zhuǎn);調(diào)制器;變頻器

中圖分類號(hào)：TN927.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）06-0019-03

0 概述

在某型號(hào)進(jìn)行星地?cái)?shù)傳系統(tǒng)對(duì)接聯(lián)試時(shí)，雖然地面接收設(shè)備收到的信號(hào)功率正常，但卻無(wú)法正確解調(diào)數(shù)據(jù)，一直出現(xiàn)誤碼。經(jīng)排查，是由于接收到的調(diào)制信號(hào)已發(fā)生頻譜翻轉(zhuǎn)，而地面接收設(shè)備的相關(guān)設(shè)置未做出相應(yīng)更改造成的。該星地?cái)?shù)傳系統(tǒng)由星上的編碼調(diào)制器、中頻濾波器、上變頻器、射頻濾波器、功率放大（HPA）、發(fā)射天線以及地面的接收天線、低噪放（LPA）、射頻濾波器、下變頻器、中頻濾波器、地面接收機(jī)等組成，組成框圖見(jiàn)圖1。

本文對(duì)星地?cái)?shù)傳系統(tǒng)中可能出現(xiàn)頻譜翻轉(zhuǎn)的環(huán)節(jié)進(jìn)行分析說(shuō)明，并提出解決頻譜翻轉(zhuǎn)的辦法。由于實(shí)際正常的QPSK調(diào)制信號(hào)的頻譜圖為近似梯形的對(duì)稱形狀，本文中為了方便說(shuō)明頻譜翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，所有的頻譜示意圖均用不規(guī)則圖形表示。

1 可造成頻譜翻轉(zhuǎn)的環(huán)節(jié)分析

1.1 編碼調(diào)制器造成頻譜翻轉(zhuǎn)分析

該星地?cái)?shù)傳系統(tǒng)中的編碼調(diào)制器采用全數(shù)字調(diào)制，由FPGA對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、數(shù)字QPSK調(diào)制、數(shù)字成形濾波后輸出至DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片完成數(shù)字信號(hào)到模擬調(diào)制信號(hào)的轉(zhuǎn)換，由于芯片使用fs=1.8GHz的采樣頻率，根據(jù)采樣定理，調(diào)制輸出模擬信號(hào)頻譜以fs/2=0.9GHz為區(qū)間進(jìn)行等分，這些區(qū)域稱為奈奎斯特域：

由圖2可知，基帶信號(hào)在0Hz±225MHz處，通過(guò)中頻調(diào)制、數(shù)模轉(zhuǎn)換后會(huì)將原始信號(hào)搬移至1.8GHz±225MHz、3.6GHz±225MHz等多處，以0.9GHz為區(qū)間可分為第一奈奎斯特域、第二奈奎斯特域、第三奈奎斯特域……，每個(gè)奈奎斯特區(qū)域間的信號(hào)與相鄰區(qū)域成鏡像翻轉(zhuǎn)關(guān)系，即存在頻譜翻轉(zhuǎn)。

本設(shè)計(jì)選用第二奈奎斯特域信號(hào)進(jìn)行濾波放大，以1.35GHz中頻輸出信號(hào)送給上變頻器，這種設(shè)計(jì)中巴倫、中頻濾波器體積緊湊，且具有一次上變頻之后的射頻濾波器在工程上易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，降低了單機(jī)設(shè)計(jì)難度，減小了產(chǎn)品體積，增加了電性能穩(wěn)定性與系統(tǒng)可靠性。若選用第一或第三奈奎斯特域的的信號(hào)，則與第二奈奎斯特域的信號(hào)存在頻譜翻轉(zhuǎn)。

1.2 上變頻器造成頻譜翻轉(zhuǎn)分析

編碼調(diào)制器共有X對(duì)地?cái)?shù)傳（450M）、X星間（10M/50M）、Ka中繼（20M）、Ku動(dòng)中通（37.5M）、S廣播分發(fā)（2K/8K/64K/256K）5種工作模式、9種工作速率。各工作模式的工作頻段不同，需對(duì)輸出頻譜進(jìn)行上變頻，將頻譜搬移至指定頻段。從頻域的觀點(diǎn)來(lái)看，變頻是一個(gè)頻譜搬移的過(guò)程，將所需的信號(hào)頻譜從一個(gè)頻率搬移到另一個(gè)頻率[1]。上變頻示意圖見(jiàn)圖3所示。

在實(shí)際工程系統(tǒng)中，輸入中頻（IF）或射頻（RF）信號(hào)是帶有基帶數(shù)字信號(hào)信息的含有多個(gè)分量的調(diào)制信號(hào)，為說(shuō)明信號(hào)間的頻率關(guān)系，在此先不考慮幅度因素，將其簡(jiǎn)化為正弦信號(hào)sin（ωct），ωc對(duì)應(yīng)的是中頻（IF）或射頻（RF）的頻率。將本振信號(hào)記為sin（ωLOt），ωLO信號(hào)對(duì)應(yīng)的就是本振頻率（LO），兩個(gè)信號(hào)進(jìn)入混頻器進(jìn)行頻域相乘，在時(shí)域的表達(dá)式y(tǒng)（t）為：

通過(guò)公式（1）可知，變頻后實(shí)際會(huì)產(chǎn)生和頻與差頻兩個(gè)信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)都可以被帶通濾波器選擇后用于實(shí)際傳輸。由于變頻是頻譜搬移的過(guò)程，對(duì)變頻后信號(hào)的要求是其頻譜結(jié)構(gòu)、各分量相互關(guān)系保持不變，這樣解調(diào)后才能恢復(fù)出原始信息。實(shí)際系統(tǒng)中，和頻信號(hào)無(wú)條件滿足這一要求。對(duì)于差頻信號(hào)，在公式（1）中當(dāng)ωc-ωLO<0時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)輸入的低頻端信號(hào)在變頻后輸出在高頻端，而輸入的高頻端信號(hào)在變頻后輸出在低頻端的現(xiàn)象，即頻譜翻轉(zhuǎn)。

根據(jù)上述分析，對(duì)數(shù)傳發(fā)射子系統(tǒng)的聯(lián)試情況進(jìn)行分析：

（1）數(shù)傳上變頻：X對(duì)地?cái)?shù)傳（450M）、X星間（10M/50M）、Ka中繼（20M）、Ku動(dòng)中通（37.5M）模式均選用上變頻后的和頻信號(hào)，即sin（ωc+ωLO）t，不會(huì)出現(xiàn)頻譜翻轉(zhuǎn)的情況。

（2）廣播分發(fā)上變頻：S廣播分發(fā)（2K/8K/64K/256K）選用上變頻后的差頻信號(hào)，且ωLO>ωc，ωc-ωLO<0。因此，頻譜會(huì)發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)。

1.3 下變頻器造成頻譜翻轉(zhuǎn)分析

下變頻將信道中的頻譜搬移回中頻解調(diào)，一般由地測(cè)設(shè)備完成，下變頻選擇的是變頻后的差頻信號(hào)。根據(jù)公式（1）進(jìn)行對(duì)本次聯(lián)試的情況進(jìn)行分析，下變頻本振（LO）包含兩種情況：

（1）高本振：LO頻率大于RF輸入頻率，此時(shí)ωc-ωLO<0，頻譜發(fā)生翻轉(zhuǎn);

（2）低本振：LO頻率小于RF輸入頻率，此時(shí)ωc-ωLO>0，頻譜不翻轉(zhuǎn)。

可見(jiàn)，當(dāng)LO頻率大于RF輸入頻率時(shí)，下變頻會(huì)造成頻譜翻轉(zhuǎn)。

目前市面上的下變頻器多選低本振的下變頻方案，或選用兩次高本振變頻使頻譜翻轉(zhuǎn)互相抵消的方案，很少有直接翻轉(zhuǎn)頻譜的下變頻器，因此，本次聯(lián)試也未收到下變頻器的影響。

1.4 地面接收解調(diào)器造成頻譜翻轉(zhuǎn)分析

接收機(jī)收到的頻譜信號(hào)與發(fā)射端類似，也存在多個(gè)奈奎斯特區(qū)域的信號(hào)。接收機(jī)一般采用帶通采樣，其頻譜是否翻轉(zhuǎn)與采樣頻率fs和奈奎斯特區(qū)域的選擇有關(guān)，根據(jù)帶通采樣定理：

2 頻譜翻轉(zhuǎn)的機(jī)理分析及解決辦法

基于正交調(diào)制的信號(hào)特點(diǎn)，對(duì)頻譜翻轉(zhuǎn)后的信號(hào)進(jìn)行分析，通過(guò)歐拉公式可知，任一時(shí)刻正弦波信號(hào)相當(dāng)于在一個(gè)復(fù)平面上旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)向量的合成：

編碼調(diào)制器輸出經(jīng)過(guò)了一次頻譜翻轉(zhuǎn)，相當(dāng)于正交調(diào)制Q路取反。與原頻譜相比，QPSK一次頻譜翻轉(zhuǎn)后的載波相位關(guān)系如表1所示：

一次頻譜翻轉(zhuǎn)后星座圖圖4所示。

可見(jiàn)，頻譜翻轉(zhuǎn)后與原頻譜載波相位相差90°且旋轉(zhuǎn)方向由順時(shí)針（Inverse mapping）轉(zhuǎn)換為逆時(shí)針（Normal mapping）相反，其星座圖詳細(xì)表述了這一現(xiàn)象。

綜上，頻譜翻轉(zhuǎn)信號(hào)是指在頻域以原始信號(hào)頻譜中心為對(duì)稱軸進(jìn)行軸對(duì)稱翻轉(zhuǎn)變換形成的信號(hào)以及由此信號(hào)進(jìn)行無(wú)混迭頻譜搬移所形成的信號(hào)[2]。如果在接收端發(fā)現(xiàn)頻譜翻轉(zhuǎn)，可采用的措施是：Q路取反;I、Q路交換;I路取反。每一種措施均可以消除頻譜翻轉(zhuǎn)的影響，這些功能都是目前接收機(jī)的常用設(shè)置。

3 結(jié)語(yǔ)

頻譜翻轉(zhuǎn)是星地鏈路數(shù)據(jù)傳輸中的正常現(xiàn)象，最終接收的頻譜是否翻轉(zhuǎn)是由星地鏈路中發(fā)射源、上下變頻、接收機(jī)等多個(gè)環(huán)節(jié)共同決定的，一次頻譜翻轉(zhuǎn)相當(dāng)于正交調(diào)制Q路信號(hào)取反（也可等效為I/Q路互換或I路取反）。由于翻轉(zhuǎn)后的頻譜不會(huì)損失任何信息，在接收時(shí)只需根據(jù)地面站接收到的信號(hào)是否翻轉(zhuǎn)，通過(guò)設(shè)置接收機(jī)即可消除影響，從而正常解調(diào)接收數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 尹奕江.衛(wèi)星通信中頻譜反轉(zhuǎn)的成因與處理[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2018，31（11）：27-30.

[2] 張曉勇，羅來(lái)源.MPSK頻譜翻轉(zhuǎn)信號(hào)研究[J].電信技術(shù)研究，2008（1）：8-12.