一种适用于微纳卫星通信系统的数字下变频算法

摘   要： 提出一种适用于微纳卫星通信系统的窄带信号数字下变频的M点平均降速算法，采用数据移位和减少数据位宽的方法，解决中频信号数字下变频中镜像抑制滤波以及抽取环节带来的资源消耗多、延迟大等问题。给出了该算法的FPGA编程实现，并与一般FIR滤波器进行性能对比测试。结果表明，M点平均降速算法有良好的镜像抑制能力，同时，算法对窄带信号达到相同抑制能力时比相同性能的FIR滤波器消耗的资源少，相位延迟减少约80%。
关键词： 微纳卫星； 通信系统； 窄带信号； 数字下变频算法
       微纳卫星测控通信系统对体积、功耗以及研制成本等方面有更高的要求，现有的实现方法往往难以满足要求。以统一S波段（USB）测控应答机为例，成熟的方案是采用模拟电路实现应答机中担当调制解调、上下变频等功能的前端电路，这种方案设备集成度不高、重量和体积大。对于USB的数字化实现，从目前国内外公开的研究成果来看，一般采用模拟前端的数模混合ASIC(专用集成电路)设计,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,以及欧洲空间局(ESA)在伽利略(GALILEO)和火星快车(Mars Express)计划中的方案[1-2]。这种中频和基带处理模块的数模混合的设计方案虽然可降低系统重量、体积，但方案需要设计专门的ASIC，这将增加系统的研制周期和成本。
     采用基于通用VLSI的全数字中频和基带处理设计和实现方法可有效降低微纳卫星测控通信系统体积、功耗以及研制成本，但需要解决窄带信号条件下中频信号的下变频处理带来的资源耗费大、处理延迟大等问题。目前的数字下变频算法理论主要包括带通采样、正交数字混频、高效数字滤波和多抽样率信号处理理论等，其中高效数字滤波包括FIR滤波的积分梳状滤波（CIC）、半带滤波（HB）等，是数字下变频算法中运算量最大的部分，使资源消耗增多，延迟变大。因此目前对数字下变频算法的研究主要关注以下方面：如何减少抽取滤波器的运算量和储存量，以及减少滤波器运算的延迟时间。目前公开的研究成果有：使用FIR滤波的CIC滤波器与HB滤波器[3-5]；使用多相分解并行计算[6-10]。FIR滤波器的延迟时间比较大[11]。多相分解并行计算通常用于宽带信号中，若将多相分解并行计算用于相对带宽(采样带宽)小的窄带信号中，滤波器阶数变大，相位延迟增大[6-11]。在USB测控系统中，为了保证测距精度，对遥测视频信号中的100 kHz主测距音信号经过应答机时发生的相位延迟有特定要求[12]。现有公开的研究成果在相位延迟上不能满足微纳卫星通信系统。
     本文主要研究一种适用于微纳卫星通信系统的窄带信号数字下变频的M点平均降速算法。该算法采用数据移位和减少数据位宽来减少运算量和抽取量，并同时完成滤波和抽取两步处理。
1 窄带信号数字下变频原理简述
     目前微纳卫星通信系统中常见的无线通信模式，例如GSM、WCDMA、TD-SCDMA,虽然有些已经使用了扩频通信模式，但是相对数十MHz的中频频率而言，其带宽仍然可以作为窄带信号(信号通频带远远小于信号中心频率)处理。以下论述中作如下假设：在信号采样之前，预先经窄带滤波器处理;采样后的噪声与有用信号均为窄带信号。