（通信与信息系统专业论文）风云二号中频全数字解调器关键技术研究.pdf

摘要 本文首先说明了本课题的研究背景与来源，并且简要介绍了数字下变频和定 时同步技术的发展现状。随后在风云二号气象卫星中频全数字解调器总体结构方 案的基础上，对数字下变频和定时同步部分进行了重点研究。在数字下变频部分 的分析中，着重讨论了采样频率的选取，并综合多种因素确定了适合本文的采样 频率。然后根据降速率信号处理的要求，给出了本文所使用的抽取方案以及具体 的半带滤波器设计。定时同步方面，介绍和分析了整体模块设计中各部分的原理 和功能。在环路滤波器设计中，研究了在s i m u l i n k 平台上求取环路滤波器参数的 步骤，并结合k a r a m 锁定算法给出了一种环路带宽的切换方法。最后，本文给出 了q v s k 解调系统的性能仿真以及数字下变频和定时同步部分的f p g a 实现。 关键词：数字下变频定时同步中频全数字解调器 a b s t r a c t f i r s t l y , t h i sp a p e ri n d i c a t e st h eb a c _ k 掣d u n da n ds o u l t o ft h ep r o j e c t , a n db r i e f l y i n t r o d u c e st h ed e v e l o p i n gs i t u a t i o no ft h ed i g i t a ld o w nc o n v e r s i o na n dt h et i m i n g s y n c h r o n i z a t i o n t h e n , b a s e do nt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ei fa l l 埘g i t a ld e m o d u l a t o r f o rf y - 2m e t e o r o l o g i c a ls a t e l l i t e ，t h ed i 【西t a ld o w nc o n v e r s i o na n dt h et i m i n g s y n c h r o n i z a t i o na d e e p l yr e s e a r c h e d t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ed i 百t a ld o w n c o n v e r s i o np r i n c i p l e ，t h es e l e c t i o no f t h es a m p l er a t ei sd i s e u s s e do ne m p h a s i s ，a n dt h e p r o p e rs a m p l er a t ef o rt h ep r o j e c ti sd e t e r m i n e di nw h i c hm a n yv a r i o u sf a c t o l 葛a l e c o n s i d e r e d t h e na c c o r d i n gt ot h er e q u e s to fd o w n s p e e ds i g n a l sp r o c e s s i n g , t h e e x t r a c t i o ns c h e m ea n dt h ed e t a i l e dh a l fb a n df i l t e rd e s i g na l ep r o v i d e d i nt h et i m i n g s y n c h r o n i z a t i o n ，t h ep r i n c i p l e sa n df u n c t i o n so f e v e r yp a r ti nt h eo v e r a l lm o d u l ed e s i g n a r ei n t r o d u c e da n da n a l y z e d i nt h el o o pf i l t e rd e s i g n ，t h es t e p so fg e t t i n gl o o pf i l t e r p a r a m e t e r sa tt h es i m u l i n kp l a t f o r ma r er e s e a r c h e d , a n dam e t h o do fs w i t c h i n g1 0 0 1 9 b a n d w i d t hc o m b i n e dw i t ht h ek a r a ml o c ka l g o r i t h mi sp r o v i d e d i nt h ee n d ，t h e s i m u l a t i o no fq p s kd e m o d u l a t i o ns y s t e ma n dt h ei m i p l e m e n t a t i o no ft h ed j i 百t a ld o w n c o n v e r s i o na n dt h et i m i n gs y n c h r o n i z a t i o ni nf p g aa r eg i v e n k e y w o r d ：d i g i t a ld o w nc o n v e r s i o nt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n i fa l l - d i g i t a l d e m o d i d a t o r 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：蝉 日期 舢g ，厶 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期亟堕! ! ：! 兰 第一章绪论 第一章绪论 随着集成电路工艺以及数字信号处理技术的飞速发展，各种数字电路和数字 芯片已经广泛应用于通信设备中，不仅提高了器件的集成度，减小了设备体积， 降低了功耗，而且也极大得推动了通信技术从模拟化和模数混合化向全数字化的 发展。同时伴随着软件无线电理论的提出与发展，已经引发了世界通信领域的第 三次革新。利用软件无线电的思想，在同一硬件平台的支持下，通过采用软件编 程和数字处理技术，解调器可以适用多种模式，同时具有灵活性、通用性和适应 性强的特点，并且性能稳定，抗干扰能力强，已经成为当今通信系统的研究热点。 1 1 本课题研究背景与来源 世界上第一颗气象卫星泰罗斯1 ( t i r o s 1 ) 是由美国在1 9 6 0 年4 月1 日成功发射 的，而现如今经过大约半个世纪的发展，气象卫星技术已经获得了长足的进步。 气象卫星已经能够拍摄可见光、红外、水汽等多种云图，卫星轨道已经从极地轨 道发展到地球静止轨道，完成了全天候对地观测。但是近年来随着全球气候的持 续恶化以及大型自然灾害的不断发生，凸现了气象卫星在监视云层和大气的变化， 提供短期天气预报和长期气候监测的功能，入们越来越多的需要利用气象卫星迸 行天气预报，防范自然灾害，为气象、海洋、农业、林业、水利、航空、航海、 环境保护及军事等提供大量的公益性和专业性服务。 而在利用气象卫星的同时，其前提是及时、准确、稳定的获得气象卫星传输 的数据信息，因此设计和实现一个高效、可靠的气象卫星地面数据接收解调系统 就显的尤为关键了，这也成为了本课题的研究背景。 我国气象卫星的发展主要以“风云”系列为主，分为极轨气象卫星和地球静止轨 道气象卫星。在已经成功发射运行的风云系列气象卫星中，“风云一号”为第一代极 轨气象卫星，先后发射了两颗试验卫星和两颗业务卫星。我国第一代静止气象卫 星风云二号a ( 简称f y 2 a ) 星于1 9 9 7 年6 月1 0 日发射，标志着我国气象卫星进入 一个新阶段，使我国同时研制出两类气象卫星。2 0 0 0 年6 月2 5 日，风云二号b 星 也成功发射，它与风云二号a 星一样，同属静止轨道试验卫星。随后在2 0 0 4 年 和2 0 0 6 年也成功发射了风云二号c 星和d 星两颗风云二号业务卫星，正式建立了 连续稳定运行的对地观测体系，为国民经济建设发挥了巨大作用。 但是随着气象卫星技术的进步，其星载探测仪器的数量和精度都在不断地增 加和提高，卫星数据传输量也大为增加，由此带来码速率的提高与信道带宽的加 2 风云二号中频全数字解调器关键技术研究 大。因此气象卫星的数据传输技术也朝着以下方向发展h 】： ( 1 ) 传输频段的扩展。现有气象卫星数据传输的频段大都用l 波段0 6 7 0 1 7 1 0m n z ) ，这是国际电信联盟已划分好的供气象卫星使用的频段，频率 范围总共只有4 0m h z ，因此传输的数据码速率只有几兆秒。显然l 波 段已不能满足需要，必须提高到更高波段。 ( 2 ) 采用国际空间数据系统咨询委员会( c c s d s ：c o n s u l t a t i o nc o m m i t t e eo f s p a c ed a t as y a e m ) 标准分包传输。提高信道传输效率和增加灵活性，允许 大量数据同时向地面传输。 ( 3 ) 传输方式的数字化。现有气象卫星低分辨率资料仍采用模拟传输，为了提 高传输质量，数字化传输已经成为必然的发展趋势。 面对上述发展，对于地面接收解调器也提出了更高的要求，需要能够适应多种 符号速率，兼容多种模式，要求系统同步时阅更短，误码性能更低，可靠性更高， 同时调试方便，利于批量生产。因此，对于气象卫星数据传输中接收解调部分的 分析是具有研究价值的。同时现阶段，风云二号气象卫星中部分地面解调器仍然 采用模拟解调的方法( 其中只有部分数字部分) ，即模数混合电路，不仅接收机体积 大，功耗高，而且模拟器件对温度等外界因素变化较为敏感，稳定度不够，所以 总体性能不够理想。为此针对原模拟解调器的缺陷，利用软件无线电的思想，实 现中频全数字解调是具有现实意义的。这些都成为了本课题的来源，为此本文主 要是在风云二号b 星( 简称f y - 2 b ，以下相同) 的基础上，对其数据传输系统中地面 中频全数字解调器的数字下变频和定时同步部分进行研究与分析，但是应该指出 的是，风云二号中f y - 2 c ，f y - 2 d 在调制方式、中频中心频率和符号速率等方面与 f y - 2 b 都是相同的，所以对于后续型号同样具有一定的适用性。 1 2 数字下变频研究现状 软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 是在1 9 9 2 年由j o em i t o l a 在美国国家远程会议上 首次提出的。其中心思想是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件 平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协 议等用软件来完成，并使模数转换器( a d c ：a n a l o gd i g i t a lc o n v e r s i o n ) 尽可能靠近 天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统【7 j 。 软件无线电思想中理想的数字接收机是在射频前端完成滤波和放大后，直接 在靠近天线处进行模数转换，所有的信号处理都用可编程的硬件处理器在数字域 内完成。但就目煎器件的发展水平来讲，在大多数数字接收机中，通常先将射频 信号经模拟下变频至适当的中频，然后在中频处进行模数转换，输出转换后的高 速数字信号，再经数字下变频( d d c ：d i g i t a ld o w nc o n v e r s i o n ) 处理后，将基带信号 第一章绪论 送给通用d s p 器件做后续的解调、解码、自适应均衡等处理。图1 1 给出了上述 方案的具体实现框图。 d s p 基带 信号处理 图1 1 现行数字中频接收方案 可以看出，数字下变频在这里起到了前端a d c 和后端通用d s p 器件之间的 桥梁作用。其中数字下变频部分主要包括了混频、滤波等功能，这通常是系统处 理中运算量最大的部分，就目前的d s p 发展而言，很难用廉价的通用d s p 芯片 完成中频采样后全部的软件处理工作，因此数字下变频也就成为了制约d s p 计算 能力的“瓶颈”问题。 为了解决上述问题，除了期待随着器件工艺提高生产出超高速的d s p 处理器 外，人们又提出了三种可行的方案；一是采用多片d s p 组成并行处理模块，但是 出于价格、功耗等方面的考虑，目前这方面的应用不多。二是积极探索数字下变 频处理中的高效算法，其中包括带通采样、正交数字混频、高效数字滤波和多速 率信号处理等理论。而重点的改进工作主要集中在高效数字滤波器中，对其中积 分梳状滤波器、半带滤波器等进行研究，以期待利用高效算法减少数字下变频的 运算量。其中有针对梳状滤波器具有带通衰减快的缺点，提出了将梳状滤波器与 内插二阶多项式滤波器结合进行有效抽取滤波的算法；也有提出了将混频、抽取 和滤波结合在一起以进一步减少运算量的解决方案【9 ”1 1 ”】。但是这些数字下变频 算法都仅适用于特殊的场合，不能很好满足软件无线电宽带、开放的要求。第三 种方案是采用d d c 专用芯片实现数字下变频的功能。目前比较有代表性的公司 有美国的i n t e r s i l 公司、a d i 公司和g r a y c h i p 公司，其产品性能和功能较强。同 时许多型号的d d c 芯片不仅包含数字下变频功能，还包括了成型滤波器、定时 同步内插滤波器、坐标变换、数字a g c 等功能，且芯片内部的各个功能模块均 实现了可编程性。将这些d d c 芯片与后端通用d s p 器件结合，便可构成一个标 准的数字化中频接收机硬件平台。 1 3 定时同步介绍 在通信系统中，为了恢复原始的发送符号，接收端必须用与发送端同频同相 的符号时钟周期性地对基带数据进行取样判决。然而，实际当中对于接收端来讲， 4 风云二号中频全数字解调器关键技术研究 真正拥有一个与发送端同频同相的本地振荡器作为采样时钟几乎是不可能的。主 要原因一是由于本地振荡器的振荡频率与发送端有差异，二是发送端到接收端的 数据传输延迟也是未知的。这就要求为了能够得到正确的符号序列，接收端必须 通过某种方式从接收信号中获得符号同步信息，这也就称为定时同步或符号同步。 定时同步实质是提供一种时间信息，其中包含了各个符号的起始时刻以及持 续时间，并将这些信息准确地反映给解调器，达到正确恢复原始符号的目的。而 定时同步作为通信系统中最为重要的部分之一，其同步功能一旦失效，将导致整 个通信系统完全瘫痪，因此任何一个通信系统都需要一个稳定的，准确的定时同 步技术。 按照获取和传输同步信息方式的不同，定时同步的主要有两种方式：一种是 外同步法，又称辅助信息同步法。其是在正常信息码元序列外附加定时同步用的 附加信息，以达到提取定时同步信息的目的。插入导频就属于这种方法，具体原 理是在基带信号频谱的零点处插入所需的定时导频信号，如图1 2 所示： ， 图1 2 插入导频法 接收端将接收到的信号通过一个中心频率为i t 的窄带滤波器，就可以从中提 取出时钟信息。当然导频信号也可以以1 t 的倍数频点作为插入点，这样只需要对 经过窄带滤波器后提取的时钟进行分频即可。但这种外同步方法存在两个明显不 足，第一是时钟信号具有一定的功率，从而占用了发送端有用功率；第二是时钟 信号同样会占用一小部分信道带宽。外同步法还可以在发送数据中周期性地加入 特定的数据来辅助获取时钟信息，但是总体来说，外同步法成本高，应用范围窄， 需要在信号有用功率和信道带宽之间做出一定的牺牲，同时从抗干扰能力、可靠 性和经济实用性等发面来看都不够理想。 第二种同步方式直接从接收到的数据中提取时钟信号，称为自同步法。其不 需要占用额外的发射功率和信道带宽，是人们最希望的定时同步方法，适合大多 数通信系统。但是自同步法对接收端的要求较高，需要高效、稳定的定时同步算 法，同时电路实现较为复杂。 现有通信系统中，自同步法主要包括基于调整采样时钟的自同步技术和基于 数据调整的自同步技术。图1 3 给出了基于调整采样时钟的自同步技术原理图。 第一章绪论 图1 3 基于调整采样时钟的自同步技术 图中，( f ) 为接收到的信号，r ( 七z ) 为经过模数转换器采样之后的信号，z 为采 样周期。其中匹配滤波是为了消除码间干扰，数字处理主要负责计算定时误差， 数模转换器( d a ) 将定时误差信号转换成模拟信号控制压控钟，从而调整采样时钟 的位置，达到同步的目的。此方法的优点是产生的时钟在频率和相位上都和数据 时钟是同步的，但是由于采用了模数混合电路，增加了前端设计的复杂性，同时 由于反馈环路中模拟器件的存在，容易产生较大的噪声，带来环路的不稳定。 相对于第一种自同步技术，基于数据调整的方法则完全采用数字信号处理技 术，使用固定的采样时钟，以数据调整即内插的方法实现定时同步。图1 4 给出了 具体原理框图。 图1 4 基于数据调整的自同步技术 基于数据调整的自同步技术的采样时钟并不需要与符号时钟同步，但需要满 足奈奎斯特采样定理的要求。由于使用的是异步采样时钟，所以实现同步主要由 数据处理单元完成。这种方法可以通过全数字方法实现，而且利用软件无线电的 观点可以实现中频采样，本文就采用以上方法进行定时同步模块设计。 1 4 本文的工作和章节安排 本文以风云二号系列中f y - 2 b 原始云图的接收解调为研究对象，结合数据传 输中的数据特点和解调要求，在中频全数字解调器的总体设计方案基础上，对其 中数字下变频部分和定时同步部分进行了详细的研究与分析，本文的主要工作可 以概括如下： ( 1 ) 针对原模拟解调器稳定度低，失真大，抗干扰能力弱的缺点，给出了中频 全数字解调器的总体实现方案，提高了整体集成度和稳定性，并且灵活性大，性 6 风云二号中频全数字解调器关键技术研究 能不易受外界因素影响。 ( 2 ) 结合具体的中频中心频率，中频带宽和符号速率等参数，确定了适合本文 的采样频率，同时利用带通采样原理给出了数字下变频的设计方案，并利用抽取 理论降低了后续解调部分的数据处理压力。 ( 3 ) 针对定时同步部分中环路滤波器参数的选取，给出了s i m u l i n k 中具体的实 现步骤，同时在分析k a r a m 锁定算法的基础上，给出了种环路滤波器带宽切换 的方法。 ( 4 ) 针对数字下变频和定时同步部分的设计，在f p g a 中进行了具体的实现与 仿真。 论文的章节安排如下： 第一章首先阐述了本课题的研究背景与来源，随后简单介绍了数字下变频的研 究现状与定时同步技术，最后介绍了本文的主要工作和章节安排。 第二章先简单介绍了f y 2 b 数据传输系统参数，给出了中频全数字解调器总体 结构方案，并对解调器中各个部分的功能进行了简要说明。重点研究了解调器中 数字下变频部分的原理与功能，并综合多种因素讨论和选取了适合本文的采样频 率，同时利用正交免混频带通采样原理简化了数控振荡器的设计。随后为了达到 降低后续解调部分数据处理压力的目的， 给出了适合本文的降速率信号处理方案， 仿真结果。 本文根据抽取理论和半带滤波器的设计， 最后给出了数字下变频部分的s i m u l i n l 【 第三章重点研究解调器中的定时同步部分。在定时同步模块整体设计方案之 上，分章节详细介绍了定时同步中内插滤波器，定时误差检测，环路滤波器，数 控振荡器等部分。在内插滤波器部分中主要介绍了内插计算公式的由来，并根据 理想内插滤波器的性能要求，在常用内插滤波器中选取了合适的内插滤波器。随 后详细介绍了几种比较典型的定时误差检测算法，并主要对g a d 血盯定时误差检 测算法进行了研究与分析。环路滤波器部分中，着重讨论了环路滤波器参数的选 取及优化，给出了s i m u l i n k 平台上求取环路滤波器参数的步骤，并在k a 姗的锁 定算法的分析基础上，给出了一种环路带宽切换的方法以及具体设计过程和仿真 结果。最后结合数控振荡器的原理举例说明其工作过程。 第四章结合q p s k 解调系统总体设计，给出了s 妇u l i n k 中整体系统仿真结果， 并结合仿真图验证了各个部分的功能以及解调系统的性能。最后给出了数字下变 频和定时同步部分的f p g a 实现和时序仿真图。 第五章最后总结全文内容，提出了本课题有待于进一步深入研究的问题。 第二章总体结构方案及数字下变频设计 第二章总体结构方案及数字下变频设计 7 本章中先介绍t f y - 2 b 中频全数字解调器的总体方案结构，并简要分析了其中 各个部分的功能。随后以数字下变频为研究对象，主要对其中正交变换、滤波和 抽取等部分作出研究。根据所设计的中频全数字解调器具体参数，讨论并选择了 所需要的采样频率、抽取率和正交变换方案，同时给出了相关滤波器的设计以及 数字下变频部分的性能仿真。 2 1 中频全数字解调器总体结构 “风云二号b 星”是中国独立研制的第二颗自旋稳定静止气象卫星，卫星定点于 东经1 0 5 0 赤道上空，其有效观测范围为东经4 5 0 1 6 5 0 ，南北纬6 0 0 。f y 2 b 的主要 任务包括【4 】： ( 1 ) 获取白天可见光云图分布，昼夜红外云图及水汽分布图； ( 2 ) 收集和转发卫星覆盖区内气象、海洋、水文等数据收集平台发送的环境监 测资料； ( 3 ) 实时转发高分辨率数字展宽云图、广播低分辨率传真( w e f a x ) 云图； ( 4 ) 监测卫星所在轨道的空间环境数据，提供卫星工程和空间科学研究应用。 其中最为重要的是获取高质量的云图，在f y 2 b 星的数据传输系统中，采用时 分复用的方式发送原始云图和扩展云图数据，每幅云图持续约3 0 m i n 。具体数据传 输参数如表2 1 所示0 2 1 。 表2 1f y - 2 b 数据传输具体参数 射频频率中频频率中频带宽调制方数据速率持续时间间 m 哪2zm h z 式 m b p s 隔 原始1 6 8 1 67 01 4 q p s k 1 4 4 0 m s 左右 云图 扩展1 6 9 7 57 5 92d p s ko 6 6 5 6 0 m s 左右 云图 其中原始云图主要是由国家卫星气象中心气象卫星传输系统地面站( c d a s ) 进 行接收，原始云图经过c d a s 处理后就形成了含有各种文件数据的扩展云图，再发 送给f y 2 b 用以对各个地面接收站进行广播转发。本文的中频全数字解调器针对的 是原始云图的接收解调，图2 1 给出了解调器的总体组成框图。 风云二号中频全数字解调器关键技术研究 图2 1 中频全数字解调器框图 结合表2 1 可知，输入信号为射频信号经过下变频后的中频信号，中心频率 7 0 m h z ，中频带宽1 4 m h z 。同时根据模数转换器的位置可以将解调器区分为模拟 部分和数字部分，其中在模数转换器之前的部分为模拟前端，剩下的称为后端数 字解调部分。 模拟前端中使用声表面滤波器( s a w ) 目的是滤除带外噪声，使输入模数转换 器的信号为一带限信号。对于声表面滤波器的带宽可以选取与中频带宽相同。由 于声表面滤波器具有较大的衰减，所以需要中频放大器对滤波后的信号进行增益 补偿。卫星信号在信道传输中，由于大气衰落变化，天线指向等各种原因，会造 成输入解调器的信号电平上下波动，为了减小波动范围，同时控制输入到模数转 换器信号的动态范围，提高解调器的接收精度，这里采用一个自动增益控常t j ( a g c l 模块对中频放大器的放大增益进行控制。模数转换器在采样时钟的控制下，周期 性的对输入的中频信号进行模数转换，其中先输出一路用于进行自动增益控制运 算，待自动增益控制电路稳定后，再输出另外一路供后续数字解调部分使用。 在本系统数字解调部分中，与以前f y - 2 b 模拟解调电路不同，采样时钟是工 作在固定频率下的，不需要用传统的压控振荡器进行调节，简化了模拟部分电路 的设计复杂性，同时提高了抗干扰性能。 其中数字下变频的主要目的是将中频带通信号搬移到基带，即完成信号频谱 的搬移与变换。定时同步的主要目的是从基带信号中获取各个符号的起始时刻以 及持续时间的信息，用以最终符号判决输出，进而正确恢复出原始信息。这两部 分作为本文研究的重点，将放在后面进行详细的研究与分析。 卫星信号在传输过程中由于发送端和接收端的本振时钟不一致或者信道特性 的变化使得信号偏离中心频率，会导致经过高频头，下变频以后的基带信号的中 心频率偏离零点，造成频率偏移，而同时信号的相位也会发生不同程度的改变， 造成相位偏移。频率偏移和相位偏移的存在都将导致星座点在星座图上产生旋转， 干扰信号的正确解调。因此载波恢复模块的作用就是为了补偿信号在传输过程中 由于各种原因造成的频率偏移和相位偏移。 第二章总体结构方案及数字下变频设计 9 经过载波恢复模块后的数字信号就可以通过判决器来恢复出原始发端的数字 序列。 2 2 数字下变频的设计 在进行中频采样之后，首先进行的就是数字下变频。数字下变频部分所要完 成的任务，一方面是将带通信号搬移到基带，另一方面是降低基带信号的信号速 率，这也就意味着降低数据量，减轻后续部分实时处理的压力。 2 2 1 数字下变频基本原理 数字下变频( d d c ：d i g i t a ld o w nc o n v e r s i o n ) 部分主要由数控振荡器 f n u m m e a lc o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) ，数字混频：器( d i g i t a lm i x e r ) ，低通滤波i 器( l o wp a s s f i l t e r ) 和抽取器组成。图2 2 为数字下变频的结构框图。 图2 2 数字下变频结构框图 数字下变频部分中输入为对中频信号进行模数转换后的数字信号，而输出则 为经过频谱搬移，滤波和抽取以后的基带信号。从工作原理上讲，数字下变频和 模拟下变频一样，就是将输入信号与一个本地振荡信号进行乘法运算，以完成频 谱搬移功能。设输入中频模拟信号为： 算( f ) = a ( t ) e o s 2 z f 。f + 妒( f ) ( 2 1 ) 其中，a ( o 为信号的瞬时幅度，工为中频载波频率，p ( f ) 为信号的瞬时相位。则经 过模数转换采样后的数字信号为 工( 疗) = a ( n ) e o s 2 x f 。厅z + 妒( 栉z ) ( 2 2 ) 式中l = l f , ，工为采样频率。设本地振荡器频率为厶，则数控振荡器产生的同 相和正交混频用信号分别为c o s ( 2 z f l z ) 和s i n ( 2 z f w n 正) ，经过乘法混频后输出 为： 风云二号中频全数字解调器关键技术研究 i 司相支路：y a n ) = x ( n ) * c o s ( 2 ，r f w z ) ：! 霎2 c o s 【2 万( 丘+ 么) 尼正+ 伊( z ) 】+ c o s 2 石一幺) ，l z + 尹( 以z ) 】) ( 2 3 ) 正交支路：y q ( n ) = x ( n ) * s i n ( 2 ，r f l o h z ) ：! 婴 s i n 2 万( z + 五。) 雄e + q ( n t ，) + s i n 2 7 r ( f , 一乙) 万z + 伊( 以z ) 】) ( 2 - 4 ) 因此，根据式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 可知，在混频后用一个低通滤波器滤除和频部分 o ：+ 厶) ，保留差频部分旺一厶) ，可以得到如下信号： ，( ，1 ) = ! 婴c o s ( 2 z t a f i t t ，+ 妒。正) ) ( 2 5 ) q ( 以) = 兰婴s i n ( 2 7 口气廓i + 伊( 以z ) ) ( 2 6 ) 其中，厂= ，：一尼。如果选取允= z 就可以实现将信号由中频变换到基带，恢 复出所需要的基带信号。匕述就是数字下变频部分基本的工作原理。 2 2 2 采样频率的确定 对于本文而言，经过模拟前端滤波以后的输入信号为中频中心频率7 0 m h z 的 q p s k 带限信号，其中频带宽为1 4 m h z 。而实际中为了留有一定的余量，我们取 中频带宽为2 0 m h z ，也就是说信号的频率是分布在( 6 0 m h z 8 0 m h z ) 的频带内的， 如果使用n y q u i s t 采样频率进行采样的话，采样时钟必须要达到1 6 0 m h z 以上，这 对于实际的数模转换器来讲是不现实的，所以需要利用带通采样原理实现对该信 号的采样。 带通采样定理描述如下1 ：对于中心频率为五，带宽为b 的带通信号，其 上、下截止频率分别为厶= + b 2 和五= f o - b 2 时，不失真的重建信号的充要 条件为： 2 矗k z 2 五( k 一1 ) ( 2 - 7 ) 其中后为满足下式的正整数： 1 i 厶b 且厶一五五 ( 2 8 ) 所以可以看出对于带通信号而言，按照带通采样定理可实现用低于2 倍信号 最高频率的采样频率进行欠采样，使采样频率大大降低，同时也可减少后续信号 处理的负担，使中频解调器易于实现。因此，本文采用带通采样，在式( 2 7 ) 中代 入厶= 8 0 m i - i z ，五= 6 0 m h z ，根据i 的不同取值计算得到如下采样频率范围： 第二章总体结构方案及数字下变频设计 k = 1 ，1 6 0 z ( 单位：m n z ) k = 2 ，8 0 z 1 2 0 | = 3 ，5 3 3 zs 6 0 k = 4 ，z = 4 0 ( 2 9 ) 因此，在满足带通采样定理前提下，采样频率z 可以从上面的四个范围内任 意选取。但是实际中对于采样频率的选取还需要综合其它因素加以考虑。 首先我们知道，选取k 值较小时，计算得到的采样频率较大，采样后的频谱 间隔较大，而且采样量化后得到的信噪比较高。这是因为当采样率提高时，采样 得到的信号带宽增加了，而量化噪声功率是固定的而且不依赖于带宽，所以量化 噪声分布在更大的带宽上，也就减小了落入信号有效频带范围( 0 ，厶) 内的量化噪 声。工程中我们用下式表示信噪比与采样率的关系： s n o = 6 0 2 n + 1 7 6 + 1 0 1 9 ( f ，2 b ) ( 2 - 1 0 ) 其中表示量化后的位数。由此我们可知，采样频率每提高一倍，信噪比大约提 高3 d b 。但是过高的采样频率会加重后续信号处理部分的负担，不利于整体性能的 优化。 其次，使用较大的k 值，可以选取较小的采样频率，这样虽然可以减轻后续处 理部分的压力，但是采样后的频谱间隔会很小，会使后面数字滤波器的过渡带变 窄，增加数字滤波器的设计难度。 再者，在选择采样频率的时候，考虑到数控振荡器( n c o ) 部分的简化( 详细分 析见2 2 3 节) ，采样频率z 还需要满足( 单位：m h z ) z = 2 8 0 所 其中研为自然数。因此可以得到 m = l ，k = l ，z = 2 8 0 t = 3 ，k = 2 ，z = 9 3 3 小= 5 ，k = 3 ，z = 5 6 埘= 7 ，k = 4 ，z = 4 0 ( 2 1 1 ) 最后，考虑如果选取采样频率z = 9 3 3 m h z ，则对于现有的模数转换器来讲 速率过高，并且给后续信号处理部分带来过多的压力，在这里并不适用。对于 z = 4 0 m h zz = 5 6 m h z ，在符号速率r = 7 m b s 的情况下，我们希望拥有较高 旦风云二号中频全数字解调器关键技术研究 的采样频率和过采样率，所以综合考虑本文选取z = 5 6 m h z 作为采样频率，而且 这样选取采样频率也有利于后续滤波器的设计，相比z = 4 0 m h z 留有更大的过渡 带，同时也有利于后续2 整数倍抽取的设计以及定时同步性能的验证。 2 2 3 数控振荡器的设计 在实际通信系统中，携带数字信息的信号通常是通过某种类型的载波调制方 式发送的，传送信号的带宽限制在以载波为中心的一个频段上。在发射端均需一 个高频载波将信息调制上去，以减少信号衰落。相干解调时在接收端也需要一个 与发送端同频同相的高频载波将信息从高频上解调下来。为了产生这个高频载波， 在数字电路中是采用数控振荡器( n c o ) 实现，它的频率和相位可以灵活设计和改 变，从而满足各种需要。 数控振荡器是决定数字下变频性能的主要因素之一，其目的是产生一个理想 的正弦或余弦波，更确切说是产生一个频率可变的正( 余) 弦波样本，即： r， l 焉( 箨) = c o s ( 2 x ! 粤! 嚣) ， 露= 0 ，1 ，2 ， 乏 ( 2 - 1 2 ) i s 2 ( 珂) = s i n ( 2 x 等功， n = 0 ，1 ，2 ， l ， 其中，厶为本地振荡器频率，z 为进入混频器信号的速率，也就是模数转换器 ( a d c ) 的采样频率。 通常情况下，数控振荡器产生正( 余) 弦样本信号最有效、最简单的方法是查表 法。即预先根据正( 余) 弦波相位计算好对应的正弦值，并按照相位角度作为地址存 储该相位的正弦值数据。因此数控振荡器般由三部分组成：相位累加器、相位 加法器和正弦表。相位累加器的作用是在控制时钟的作用下，对输入的频率控制 字口进行累加t 1 次，即输出相位：以= 0 0 + n a 0 ，其中h 是第n 个时钟脉冲，岛为 初始相位。每到来一个控制时钟，输出相位就在原来的基础上累加一个相位增量， 从而计算得到新的相位值眈，最后利用查表的方法输出该相位的正( 余) 弦值，因此 相位值以与其正( 余) 弦值表存在一一对应的关系。图2 3 为数控振荡器的实现框图。 图2 3 数控振荡器实现框图 第二章总体结构方案及数字下变频设计 1 3 通过查表法可以方便的得到所需频率的正( 余) 弦值，但是由于存在相位量化误 差，所以在一定程度上会影响输出频率的准确度，同时正( 余) 弦表的存在也会占据 大量的存储空间。为此，我们希望通过选择合适的采样频率来简化数控振荡器的 设计。 从软件无线电理论中得知，我们可以通过使用正交免混频带通采样原理来简 化数控振荡器的设计。对于前面选取采样率，：= 5 6 m h z 而言，在满足带通采样 定理的要求下，这样做可以使得模数转换后的数字正交混频非常简便和精确，下 面具体分析说明。 首先我们知道输入信号为中频中心频率7 0 m h z 的带通信号，为了完成数字下 变频的目的，在正交混频中输入的两路混频信号中心频率为7 0 m h z ，表示为 同相混频信号：c o s ( 2 刀 7 0 m h z f )( 2 1 3 ) 正交混频信号：s i n ( 2 1 r 7 0 m h z f )( 2 1 4 ) 在，= 5 6 m h z 的采样下，由 2 以互跏7 z2 磊盖( 2 - 1 s ) 将式( 2 1 5 ) 代入( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 中，得到变换后混频信号表达式为： 同相混频信号：c o s , 栉) ( 2 1 6 ) 二 c 正交混频信号：s i n ( x 玎) ( 2 - 1 7 ) 二 因此可以计算得到，同相混频信号为0 ，- - 1 ，0 ，1 ，正交混频信号为1 ， 0 ，一l ，0 。这两个数字序列都是以采样周期z = i z 为间隔产生的，而且不 难看出二者的取值只有0 ，1 ，一l 三个数值。这样得到的混频信号在与输入信号相 乘时，需要做的仅仅是对输入信号进行保持，清零，取反三种操作。所以在整个 计算过程中，不但不会产生由于相位量化精度不够所带来的误差，而且有可能不 需要用到专用的乘法器和i e ( 余) 弦值存储器。 进一步分析可知，对于采样率f = 5 6 m h z 能够简化数控振荡器的设计，是由 于同相混频信号和正交混频信号都是以7 0 m h z 作为频率。当采样频率c = 5 6 m h z 时，由于二者的频率之差恰好为采样频率的1 4 ，也就是对应数字域的x 2 ，f 因 为采样频率z = 5 6 m h z ，对应数字域的2 a - 。) 所以得到的数字混频信号的角速度 为石2 ，从而数字混频信号简化为仅仅包括0 ，1 ，1 z 个值的数字序列。 所以，为了实现正交免混频带通采样，在选择采样频率f 的时候，需要满足 如下公式： 一1 4 风云二号中频全数字解调器关键技术研塞 半：譬 z 2 石 化简得： z = 2 8 0 m h z m 根据不同的跏计算得到：( 单位：m h z ) m = 1 ，z = 2 8 0 m = 2 ，：= 1 4 0 搠= 3 ，z = 9 3 3 m = 4 ，：= 7 0 历= 5 ，z = 5 6 ( 2 1 9 ) 所以对于2 2 2 节中选取采样频率z = 5 6 m h z 时，只需要用保持、清零、取反 操作就可以完成信号下变频至基带，大大简化了系统实觋。图2 4 给出了使用正交 免混频带通采样时数字下变频的实现框图。 图2 4 正交免混频带通采样数字下变频的实现框图 2 3 降速率信号处理 由于在数字下变频中经过混频以后的信号速率与模数转换器的采样速率一 致，因此当采样频率较高时，产生的数据量会很大，从而加大后续处理模块的压 力，特别是对于某些同步解调算法，如果数据吞吐量太高时很难满足实时性要求 的，所以有必要对模数转换之后的数据进行降速率处理。 第二章总体结构方案及数字下变频设计 2 3 1 抽取理论 1 5 抽取是指降低信号的采样率以去掉多余数据的变换，也称抽取率压缩。整数( 均 倍抽取是指在原始样值序列x ( n ) 中每隔( m - d 个样值数据取一个，以形成一个新的 序列y ( 功，即灭，| ) = 并( 妇) ，n = o ，1 , 2 ，3 。抽取前后采样率的关系为z ：= z ，m ， 其中z ，为抽取前采样率，z ：为抽取后采样率。1 5 2 5 给出了抽取的时域变化过程。 x ( n岁( 露) 012 345 6n0l23n ( a ) 抽取前( b 抽取后 图2 5 整数倍抽取的时域过程衅2 ) 从频域上看，设抽取前信号x ( n ) 的频谱为x ( e 。) ，抽取后信号y ( n ) 的频谱为 y ( e j 。) ，则有： y ( ) 2 吉善z ( 一“删) ( 2 - 2 0 ) 式( 2 2 0 ) 可以理解为抽取后的序列y ( n ) 的频谱y ( e 。) 是抽取前序列频谱 x ( e j 。1 经频移和m 倍扩展后的 外频段信号混叠在一起的结果f 2 0 】。如果抽取前 序列的频谱x ( p 如) 的最高频率大于7 r i m ，则抽取后的频谱就会发生严重的混叠， 无法从抽取后的序列中不失真的恢复出原始信号信息，如图2 6 所示。 ( a ) 原始模拟信号工( f ) 的频谱 ( b ) 抽取前序列x ( n ) 的频谱 一1 6 风云二号中频全数字解调器关键技术研究 ( c ) 抽取后序列y ( n ) 的频谱 图2 6 发生混叠时抽取频域关系图( 仁2 ，z 2 = 厶2 ) 为了能够准确恢复出原始信号中感兴趣的内容，避免发生频率混叠，在进行 抽取之前需要用数字滤波器进行滤波，滤除肖( 扩) 频率成分中大于石m 的部分， 然后再进行抽取，这样做就可以有效的防止频率混叠的发生，如图2 7 所示。 ( a ) 抽取前序列x ( n ) 的频谱 ( b ) 经过数字滤波器以后的频谱 ( c ) 抽取后序列) ，( ，1 ) 的频谱 图2 7 无混叠时抽取频域关系图( m 每2 ，z 2 = z i 2 ) 通过图2 7 中的频谱关系，可知经过数字滤波器( 通带带宽r c l m ) 滤波以后再 进行抽取得到的序列y ( n ) 的频谱y ( g 归) 可以准确表示石( p 加) 中小于7 r i m 的频谱 成份。但是此时的数据速率只有原来的1 m ，降低了对后续处理部分的压力。所 以，一个完整的朋倍抽取结构如下所示。 图2 8 肘倍抽取实现框图 第二章总体结构方案及数字下变频设计 2 3 2 半带滤波器 1 7 半带滤波器非常适合于实现膨= 2 的抽取，而且计算效率高。半带滤波器的 幅频特性如图2 9 所示。 0 m c 7 2 图2 9 半带滤波器幅频响应 结合图2 9 ，我们可以得到半带滤波器的以下特性 h ( e j 。) = 卜h ( e 。1 ) ( 2 - 2 1 ) h ( e 一，2 ) ：1 ( 2 - 2 2 ) m ，= 舻七基地 仁2 s ， 从式( 2 - 2 3 ) 我们可以看出，半带滤波器的冲击响应h ( k ) 除了零点不为零外，其 余偶数点全为零，所以在采用半带滤波器实现信号速率变换时，只需要一半的计 算量，非常适合实时信号处理。同时，对于半带滤波器来讲，其阻带宽度与通带 宽度相等，而且通带和阻带波纹也相等，即 ? 2 三一竺 ( 2 2 4