微納衛(wèi)星測控通信系統(tǒng)對體積、功耗以及研制成本等方面有更高的要求，現(xiàn)有的實現(xiàn)方法往往難以滿足要求。以統(tǒng)一S波段（USB）測控應(yīng)答機為例，成熟的方案是采用模擬電路實現(xiàn)應(yīng)答機中擔(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。對于USB的數(shù)字化實現(xiàn)，從目前國內(nèi)外公開的研究成果來看，一般采用模擬前端的數(shù)模混合ASIC(專用集成電路)設(shè)計,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)計劃中的方案[1-2]。這種中頻和基帶處理模塊的數(shù)模混合的設(shè)計方案雖然可降低系統(tǒng)重量、體積，但方案需要設(shè)計專門的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)計和實現(xiàn)方法可有效降低微納衛(wèi)星測控通信系統(tǒng)體積、功耗以及研制成本，但需要解決窄帶信號條件下中頻信號的下變頻處理帶來的資源耗費大、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)字下變頻算法中運算量最大的部分，使資源消耗增多，延遲變大。因此目前對數(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算量和儲存量，以及減少濾波器運算的延遲時間。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算[6-10]。FIR濾波器的延遲時間比較大[11]。多相分解并行計算通常用于寬帶信號中，若將多相分解并行計算用于相對帶寬(采樣帶寬)小的窄帶信號中，濾波器階數(shù)變大，相位延遲增大[6-11]。在USB測控系統(tǒng)中，為了保證測距精度，對遙測視頻信號中的100 kHz主測距音信號經(jīng)過應(yīng)答機時發(fā)生的相位延遲有特定要求[12]。現(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)的窄帶信號數(shù)字下變頻的M點平均降速算法。該算法采用數(shù)據(jù)移位和減少數(shù)據(jù)位寬來減少運算量和抽取量，并同時完成濾波和抽取兩步處理。
1 窄帶信號數(shù)字下變頻原理簡述
    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)使用了擴頻通信模式，但是相對數(shù)十MHz的中頻頻率而言，其帶寬仍然可以作為窄帶信號(信號通頻帶遠遠小于信號中心頻率)處理。以下論述中作如下假設(shè)：在信號采樣之前，預(yù)先經(jīng)窄帶濾波器處理;采樣后的噪聲與有用信號均為窄帶信號。

    

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)移位簡單實現(xiàn)，而清零信號可以用計數(shù)器輸出的最高位的簡單實現(xiàn)。此時累加器的位數(shù)為：輸入數(shù)據(jù)位寬+n。給這種算法命名為“M點平均降速算法”。
    與FIR濾波器相比，M點平均降速算法具有優(yōu)勢。設(shè)M=10，采樣率為150 MS/s,對15 MHz、30 MHz、45 MHz、60 MHz陷波點處,依次對帶寬1.49 MHz、 2.90MHz、 4.02 MHz、4.83 MHz內(nèi)的窄帶信號具有大于26 dB的抑制能力，如圖2中實線，延遲時間為5個采樣周期；如采用等紋波方式逼近的FIR濾波器,則需要85點才能達到26 dB的抑制能力，如圖2中虛線，延遲時間為43個采樣周期；而10點的FIR濾波器只有大約13 dB的抑制能力，如圖2點線。可以得到結(jié)論：M點平均降速算法對窄帶信號達到相同抑制能力比相同性能的FIR濾波器需要的點數(shù)少，延遲時間短；比相同點數(shù)的FIR濾波器對窄帶信號的抑制能力強。

3 下變頻算法的FPGA實現(xiàn)與性能實測
    在Xilinx ISE 10.1環(huán)境中編程實現(xiàn)M點平均降速算法。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。這個算法和FIR “器件利用小結(jié)”相比較如表1所示。可見“M點平均降速算法”在FPGA中實現(xiàn)的資源消耗量遠遠小于FIR濾波器。同時，該算法相位延遲比通常算法減少約80%。

    對M點平均降速算法的濾波性能進行測試。測試方案為：在virtex 4系列XC4VSX35 FPGA芯片中編程實現(xiàn)2個NCO：NCO1、NCO2，NCO1輸出信號的頻率為1.5 MHz，NCO2的輸出頻率比NCO1低5 000 Hz；將NCO1、NCO2輸出的信號混頻(相乘)，相乘之后通過10點平均降速模塊完成下變頻，下變頻輸出的信號為5 000 Hz，采樣率為1.5 MHz。實測處理前后信號如圖3所示。

    由圖3可見，下變頻后的信號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)中的性能實測
    圖4是USB測控通信一體化應(yīng)答機中的中頻與基帶處理模塊圖。

    該USB通信系統(tǒng)所處理的中頻信號中心頻點為30 MHz，-3 dB時帶寬為5 MHz、-60 dB時帶寬為10 MHz。信號的全部處理流程如下：信號經(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，變換成中心頻點為2.5 MHz、采樣率為15 MS/s的抽樣中頻信號。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)的實信號下外差下變頻，依靠射頻前端的選擇性抑制鏡像；中頻信號與數(shù)字本振信號混頻后，“經(jīng)過10點平均降速”，完成抗混疊濾波和減采樣。對抽樣中頻信號進行正交乘積檢波，做cordic鑒相，解調(diào)出測控視頻信號。從視頻信號分離出的測距音信號，與實時遙測副載波合并，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，完成下行信號的發(fā)射。其中10點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)有多個陷波點，在帶寬±5 MHz內(nèi)的衰減可達到-40 dB以上。中頻信號DDC前信號中心頻率為30 MHz，本振信號頻率為28.5 MHz，則混頻后鏡像頻點為58.5 MHz，帶寬為5 MHz；正交解調(diào)前TT&C子載波中心頻點為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處。混頻后，信號經(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。
    本文針對窄帶信號數(shù)字下變頻處理過程的特性，設(shè)計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，對窄帶信號鏡像的抑制能力相同時具有更低的資源占用量和更短的延遲時間。在FPGA中對該算法的實現(xiàn)及性能測試結(jié)果驗證了設(shè)計的正確性。取M=10，在本文所給的USB應(yīng)答機系統(tǒng)中測試了該算法的性能。混頻后信號經(jīng)該算法處理后抑制了窄帶信號鏡像的頻率。可以達到該算法適合微納衛(wèi)星的特殊要求。
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