星地通信中頻譜翻轉現象分析

劉聚 陳劼 楊津浦 林閩佳 朱英瑋

摘要：衛星數據傳輸需要進行調制解調和變頻處理，通過分析調制和變頻等環節造成的頻譜翻轉的機理，提出解決頻譜翻轉的方法，對星地數傳系統設計及聯試具備重要參考作用。

關鍵詞：頻譜翻轉;調制器;變頻器

中圖分類號：TN927.2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）06-0019-03

0 概述

在某型號進行星地數傳系統對接聯試時，雖然地面接收設備收到的信號功率正常，但卻無法正確解調數據，一直出現誤碼。經排查，是由于接收到的調制信號已發生頻譜翻轉，而地面接收設備的相關設置未做出相應更改造成的。該星地數傳系統由星上的編碼調制器、中頻濾波器、上變頻器、射頻濾波器、功率放大（HPA）、發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、地面接收機等組成，組成框圖見圖1。

本文對星地數傳系統中可能出現頻譜翻轉的環節進行分析說明，并提出解決頻譜翻轉的辦法。由于實際正常的QPSK調制信號的頻譜圖為近似梯形的對稱形狀，本文中為了方便說明頻譜翻轉現象，所有的頻譜示意圖均用不規則圖形表示。

1 可造成頻譜翻轉的環節分析

1.1 編碼調制器造成頻譜翻轉分析

該星地數傳系統中的編碼調制器采用全數字調制，由FPGA對數據進行編碼、數字QPSK調制、數字成形濾波后輸出至DAC數模轉換芯片。數模轉換芯片完成數字信號到模擬調制信號的轉換，由于芯片使用fs=1.8GHz的采樣頻率，根據采樣定理，調制輸出模擬信號頻譜以fs/2=0.9GHz為區間進行等分，這些區域稱為奈奎斯特域：

由圖2可知，基帶信號在0Hz±225MHz處，通過中頻調制、數模轉換后會將原始信號搬移至1.8GHz±225MHz、3.6GHz±225MHz等多處，以0.9GHz為區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……，每個奈奎斯特區域間的信號與相鄰區域成鏡像翻轉關系，即存在頻譜翻轉。

本設計選用第二奈奎斯特域信號進行濾波放大，以1.35GHz中頻輸出信號送給上變頻器，這種設計中巴倫、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現等優點，降低了單機設計難度，減小了產品體積，增加了電性能穩定性與系統可靠性。若選用第一或第三奈奎斯特域的的信號，則與第二奈奎斯特域的信號存在頻譜翻轉。

1.2 上變頻器造成頻譜翻轉分析

編碼調制器共有X對地數傳（450M）、X星間（10M/50M）、Ka中繼（20M）、Ku動中通（37.5M）、S廣播分發（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，需對輸出頻譜進行上變頻，將頻譜搬移至指定頻段。從頻域的觀點來看，變頻是一個頻譜搬移的過程，將所需的信號頻譜從一個頻率搬移到另一個頻率[1]。上變頻示意圖見圖3所示。

在實際工程系統中，輸入中頻（IF）或射頻（RF）信號是帶有基帶數字信號信息的含有多個分量的調制信號，為說明信號間的頻率關系，在此先不考慮幅度因素，將其簡化為正弦信號sin（ωct），ωc對應的是中頻（IF）或射頻（RF）的頻率。將本振信號記為sin（ωLOt），ωLO信號對應的就是本振頻率（LO），兩個信號進入混頻器進行頻域相乘，在時域的表達式y（t）為：

通過公式（1）可知，變頻后實際會產生和頻與差頻兩個信號，這兩個信號都可以被帶通濾波器選擇后用于實際傳輸。由于變頻是頻譜搬移的過程，對變頻后信號的要求是其頻譜結構、各分量相互關系保持不變，這樣解調后才能恢復出原始信息。實際系統中，和頻信號無條件滿足這一要求。對于差頻信號，在公式（1）中當ωc-ωLO<0時，則會出現輸入的低頻端信號在變頻后輸出在高頻端，而輸入的高頻端信號在變頻后輸出在低頻端的現象，即頻譜翻轉。

根據上述分析，對數傳發射子系統的聯試情況進行分析：

（1）數傳上變頻：X對地數傳（450M）、X星間（10M/50M）、Ka中繼（20M）、Ku動中通（37.5M）模式均選用上變頻后的和頻信號，即sin（ωc+ωLO）t，不會出現頻譜翻轉的情況。

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

1.3 下變頻器造成頻譜翻轉分析

下變頻將信道中的頻譜搬移回中頻解調，一般由地測設備完成，下變頻選擇的是變頻后的差頻信號。根據公式（1）進行對本次聯試的情況進行分析，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ωc-ωLO<0，頻譜發生翻轉;

（2）低本振：LO頻率小于RF輸入頻率，此時ωc-ωLO>0，頻譜不翻轉。

可見，當LO頻率大于RF輸入頻率時，下變頻會造成頻譜翻轉。

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互相抵消的方案，很少有直接翻轉頻譜的下變頻器，因此，本次聯試也未收到下變頻器的影響。

1.4 地面接收解調器造成頻譜翻轉分析

接收機收到的頻譜信號與發射端類似，也存在多個奈奎斯特區域的信號。接收機一般采用帶通采樣，其頻譜是否翻轉與采樣頻率fs和奈奎斯特區域的選擇有關，根據帶通采樣定理：

2 頻譜翻轉的機理分析及解決辦法

基于正交調制的信號特點，對頻譜翻轉后的信號進行分析，通過歐拉公式可知，任一時刻正弦波信號相當于在一個復平面上旋轉的兩個向量的合成：

編碼調制器輸出經過了一次頻譜翻轉，相當于正交調制Q路取反。與原頻譜相比，QPSK一次頻譜翻轉后的載波相位關系如表1所示：

一次頻譜翻轉后星座圖圖4所示。

可見，頻譜翻轉后與原頻譜載波相位相差90°且旋轉方向由順時針（Inverse mapping）轉換為逆時針（Normal mapping）相反，其星座圖詳細表述了這一現象。

綜上，頻譜翻轉信號是指在頻域以原始信號頻譜中心為對稱軸進行軸對稱翻轉變換形成的信號以及由此信號進行無混迭頻譜搬移所形成的信號[2]。如果在接收端發現頻譜翻轉，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的影響，這些功能都是目前接收機的常用設置。

3 結語

頻譜翻轉是星地鏈路數據傳輸中的正常現象，最終接收的頻譜是否翻轉是由星地鏈路中發射源、上下變頻、接收機等多個環節共同決定的，一次頻譜翻轉相當于正交調制Q路信號取反（也可等效為I/Q路互換或I路取反）。由于翻轉后的頻譜不會損失任何信息，在接收時只需根據地面站接收到的信號是否翻轉，通過設置接收機即可消除影響，從而正常解調接收數據。

參考文獻

[1] 尹奕江.衛星通信中頻譜反轉的成因與處理[J].電信工程技術與標準化，2018，31（11）：27-30.

[2] 張曉勇，羅來源.MPSK頻譜翻轉信號研究[J].電信技術研究，2008（1）：8-12.