魏绍杰， 姜 坤， 侯孝民， 廉 昕

(1装备学院研究生管理大队 北京 101416 2中国西昌卫星发射中心 西昌 615000 3装备学院光电装备系 北京 101416)

一种多模式高效全频谱基带转换系统设计∗

魏绍杰1， 姜 坤2， 侯孝民3， 廉 昕1

(1装备学院研究生管理大队 北京 101416 2中国西昌卫星发射中心 西昌 615000 3装备学院光电装备系 北京 101416)

数字基带转换器是VLBI(Very Long Baseline Interferometry)系统中的重要部分。为了进一步加强国际合作和国内中科院VLBI网的联测能力，我国深空站需要支持Mark5B和RDEF两种数据输出格式。参照美国深空网DSN和上海天文台数字基带转换器的技术指标，设计一种同时支持实信号输出和复信号输出的多模式全频谱基带转换系统，同时支持Mark5B和RDEF两种数据格式。该系统采用基于多相滤波器组高效均匀信道化和正交混频相结合的基带转换方法，能够实现可分析频带内无盲区无失真全频谱基带转换功能。

VLBI； 基带转换； 全频谱； 半带滤波器； CIC滤波器

引 言

随着我国嫦娥系列任务的顺利进行和与欧空局合作的开展，深空探测已经成为继载人航天工程之后我国航天领域的又一重大工程。VLBI是二十世纪六十年代后期发展起来的一种干涉测量技术，具有超高的测角精度[1]，起初应用于射电天文、大地测量以及地球物理学。由于VLBI观测量能够与测距测速提供三维互补信息，促进了VLBI技术在深空测控中的应用与发展。数字基带转换器作为VLBI系统中的重要部分，承担着数据采集、频带选择和基带转换等任务。为了进一步加强国际合作和国内中科院VLBI网的联测能力，我国深空站需要支持Mark5B和RDEF两种数据输出格式。本文参照美国深空网DSN和上海天文台数字基带转换器的技术指标，设计了一种同时支持Mark5B和RDEF两种数据输出格式的多模式全频谱基带转换系统，可同时支持宽带输出模式和窄带输出模式，并且能够实现可分析频带内无盲区无失真全频谱基带转换功能。

1 数字基带转换器发展现状

一个完整的VLBI系统由两个或两个以上接收系统和一个数据处理中心组成，整个系统结构如图1所示。观测数据信号经天线由数据采集系统采集下来，经过基带转换、帧格式编辑等处理后，记录在存储介质中，再通过事后回放交由数据处理中心做相关处理得到相关条纹。

随着通信技术的发展，现已出现了用高速通讯网络代替磁带记录和传输观测数据，将数据直接传至数据处理中心的实时VLBI技术，也叫e-VLBI技术。实时VLBI又分为准实时和真实时VLBI这两个技术层次，前者基于中低速通讯网，需要中间存储转发设备；后者则采用高速通信技术，无需中间缓存，真正做到了边观测、边传输、边处理。

实时VLBI是VLBI技术的一次飞跃和发展趋向，非常适合对航天器进行实时精密定轨、反向实时监测大陆板块运动和观测短时标天文现象，它所带来的效率远高于传统VLBI技术手段[2]。

图1 VLBI系统结构框图

VLBI数据记录终端设备是VLBI系统中重要的组成部分，其核心部件是基带转换器BBC(Base Band Converter)。

现代电子技术的发展推动了VLBI基带转换器的升级换代。2004年，IVS(International VLBIService for Geodesy＆Astrometry)提出了VLBI2010计划[3～5]，对VLBI系统进行改造升级，以实现更高的测量精度。在基带转换器方面，它提出设计新的DBBC(Digital Base-Band Converter)来替代原有的模拟基带转换器。与老旧的模拟基带转换器相比，DBBC具有以下优点：①稳定一致的性能；②低成本；③更强的灵活性；④易于升级；⑤开发周期短。现在，各国都已开始了新的DBBC的研制。IVS在VLBI数字基带转换器的实现方面，推荐了两种典型的基带转换方法：一种是基于正交混频的基带转换方法；另一种是基于多相滤波器组PFB(Poly-phase Filter Bank)的高效信道化方法。

2 多模式高效全频谱基带转换系统设计

2.1 主要技术指标

VLBI主要测量元素为群时延，观测带宽越宽，测量精度就越高。由深空通信的频段分配[6]可知，不同观测频段，深空航天器下行信号的最大观测带宽分别是：S频段10MHz，X频段50MHz，Ka频段500MHz。由Nyquist采样定理可知，采用1GHz的采样频率即可满足航天器的观测需求。

因为射电源信号信噪比较低，所以采用较少的量化位数(1～2bit)即可满足射电源信号的观测需求。对于航天器信号而言，其信噪比较高，增加量化位数，可以提高量化信噪比，而通常采用8bit量化即可满足航天器信号的观测需求。

为了进一步加强国际合作和国内中科院VLBI网的联测能力，我国深空站需要支持两种数据输出格式。一种是实信号输出，记录帧格式采用Mark5B，主要用于与中科院VLBI网进行联合观测。另一种是复信号输出，记录帧格式采用RDEF，主要用于与ESA进行联合观测。参照美国DSN和上海天文台数字基带转换器的输出带宽设置，将我国深空站DBBC的输出带宽分为宽带模式和窄带模式。宽带模式输出带宽为16MHz、8MHz、4MHz、2MHz、1MHz、0.5MHz，需要同时支持实信号和复信号输出。窄带模式输出带宽为200kHz、100kHz、50kHz、25kHz、16kHz、8kHz、4kHz、2kHz、1kHz，只需支持复信号输出。

2.2 系统设计

按照以上技术指标，根据文献[7]提出的基于PFB的固定带宽无失真接收的无盲区高效均匀信道化和正交混频相结合的基带转换方法对深空站DBBC系统进行设计，其中单路中频最大输出基带信号路数为8路，对应的基带转换系统框图如图2所示。

图2 基于PFB+正交混频的高效全频谱DBBC系统框图

观测的模拟信号首先经过1024MHz＠8bit AD采样变为数字信号，经串并转换变为16个并行支路，每个支路的工作频率由原来的1024MHz降低为64MHz，大大减轻了FPGA硬件的处理压力。16个支路再经过固定带宽无失真的无盲区高效均匀信道化滤波。由于输出基带信号的最大带宽为16MHz，因此设计低通原型滤波器的通带截止频率为24MHz，从而保证相邻子通道之间有16MHz的通带重叠范围，实现最大带宽为16MHz的无盲区无失真全频谱基带转换。为了最大限度地降低滤波器实现难度，可将滤波器的阻带截止频率由32MHz扩展为40MHz，矩形系数由1.33变为1.67。在这种滤波器设计下，在进行16倍抽取时，虽然会产生混叠，但由于混叠发生在滤波器的过渡带内，对通带信号影响很小。滤波器采用Kaiser窗设计，带内波动为0.01dB，阻带衰减为90dB，系数个数为304，其幅频特性如图3所示。

图3 信道化滤波原型低通滤波器幅频特性

在该滤波器设计下，整个接收频带的信道划分情况如图4所示。图4(a)为整个接收频带实际信道划分情况，图4(b)为将负半轴的镜像谱等效到正半轴后的信道划分情况。由图4(b)可以看出，该信道划分结构能够实现接收频带内任意16MHz带宽信号无失真输出。

图4 信道划分情况

表1 各输出信道对应的频带范围

通道选择单元根据最终输出的基带信号频带范围，按照表1所示的对应关系从信道化输出的16个信道中选择8路送至第二级正交混频下变频单元。由表1可知，偶数信道输出的复信号频谱均为负谱，在处理时需要将其转换为相应的正谱。负谱到正谱的转换，只需要将负谱信道复信号取共轭即可实现。

在正交混频下变频中，根据输出信号带宽不同，分为宽带输出模式和窄带输出模式。宽带输出模式支持实信号和复信号输出。窄带输出模式只支持复信号输出。正交混频结构通过改变NCO频率实现任意频率信号的基带转换。在复信号输出模式下，NCO频率的设置只需要考虑信号经过第一级信道化滤波后所在频率范围。在实信号输出模式下，NCO频率的设置还需要考虑上边带或下边带的选择。

2.2.1 宽带输出模式

宽带输出模式下，信号带宽是按照1/2倍递减的，因此选择多级半带滤波器级联来实现不同带宽信号的输出，其实现框图如图5所示。

宽带输出模式中，半带滤波器的归一化通带截止频率为0.25(对FS/2进行归一化，FS为采样频率)，归一化阻带截止频率为0.75，阻带衰减60dB，滤波器阶数14阶，其幅频特性如图6(a)所示。由于半带滤波器有一半系数为零，因此其实现是高效的。

输出带宽选择单元根据设定的基带输出信号带宽决定选择哪一级半带滤波器的输出送至后端处理，其具体对应关系如表2所示。

图5 宽带输出模式系统框图

图6 半带滤波器和整形滤波器幅频特性

表2 输出带宽与半带滤波器级数对应关系

整形滤波器用于提高输出信号的频带利用率，确保输出基带信号-3dB带宽达到可分析带宽的90%。在设计整形滤波器时采用等波纹法，可以指定通带截止频率和阻带截止频率，带内波动为0.05dB，阻带衰减为50dB，滤波器阶数72阶，其幅频特性如图6(b)所示。

根据基带输出信号形式不同，对整形滤波输出进行不同的处理。当为复信号输出时，直接对信号进行二倍抽取。当为实信号输出时，则需要对复信号进行实信号单边带变换。

2.2.2 窄带输出模式

窄带输出模式下，由于抽取倍数较大，且输出信号带宽不是严格按照1/2倍递减的，因此不适合使用半带滤波器的级联形式。在此，采用了可变抽取倍数的高效CIC滤波器，实现窄带信号不同带宽的滤波输出，具体实现框图如图7所示。

图7 窄带输出模式系统框图

为了降低信号数据率，首先对64MSps的数据流进行8倍CIC滤波抽取，将采样率降为8MHz。为了增大CIC滤波器的旁瓣衰减，选择6级级联，理论上可以达到80dB的旁瓣衰减。由于CIC滤波器具有带内滚降特性，因此在设计时需要重点考虑其在有效频带内的信号衰减问题。在窄带模式下，基带输出信号最大带宽为200kHz，由于输出信号为复信号，实际频谱范围为[-100kHz，100kHz]，所以其带宽比例因子b[8]为：

由于D/b＝8/0.0125＝640≫1，可计算得出单级8倍抽取CIC滤波器在100kHz处的带内容差δS：

由式(2)可得6级级联的带内容差为0.0132dB，在容许的带内波动范围内。

8MSps的数据流通过可变抽取倍数的CIC滤波器实现基带输出信号的变带宽输出。CIC抽取倍数与基带输出信号带宽之间的关系如表3所示。

表3 CIC抽取倍数与基带输出信号带宽的关系

为了实现较大的阻带衰减，可变抽取倍数的CIC滤波器也采用6级级联，通过计算可知，不同抽取倍数下，输出信号的带宽比例因子均为0.125，6级级联的带内容差均为1.3464dB，由于有效频带内的信号滚降较大，因此需要对该CIC滤波器进行补偿。CIC补偿滤波器的设计采用频域取样法，使用Matlab中的fir2函数，归一化补偿频率点为0.185(对FS归一化)，滤波器阶数为24阶，经过补偿的不同抽取倍数的CIC滤波器幅频特性如图8所示。

图8 补偿后不同抽取倍数下CIC滤波器幅频特性

由图8可知，经过补偿后，有效频带内的带内波动小于0.06dB，满足设计要求。CIC补偿后的信号，经过整形滤波，保证-1dB带宽达到90%。

2.3 系统实现

整个DBBC系统主要由CPCI工控机、信号调理与频综模块、数据采集与基带转换板、数据传输板组成，这里重点对全频谱基带转换在数据采集与基带转换板上的实现进行论述。

数据采集与基带转换板主要由2片ADC、3片负责信号处理的StratixⅢFPGA和1片负责PCI总线控制的StratixⅡFPGA，以及相应的电源、时钟、缓存组成，如图9所示。

参照2.2节设计，进行数字基带转换的FPGA实现，结构框图如图10所示。

图9 数据采集与基带转换板

图10 数字基带转换器结构框图

整个程序采用VHDL语言编写。在具体实现过程中，针对不同的模式(宽带/窄带)，分别设计了不同的FPGA实现方案，可以通过FPGA的实时动态加载进行不同模式的切换，实现FPGA的系统重构。

3 结束语

本文采用基于多相滤波器组高效均匀信道化和正交混频相结合的基带转换方法，设计了一种同时支持Mark5B和RDEF两种数据输出格式的多模式全频谱基带转换系统，可同时支持宽带输出模式和窄带输出模式，能够实现可分析频带内无盲区无失真全频谱基带转换功能，满足了国际合作和国内中科院VLBI网的联测要求，并对VLBI系统以及软件无线电、数据采集等领域的发展具有一定的推动促进作用。

[1] 钱志翰，邬林达.甚长基线干涉测量[M].北京：测绘出版社，1998.

[2] 张海荣，蔡宏兵，赵成仕.e-VLBI技术及其在卫星定轨中的应用概况[J].时间频率学报，2012，35(3)：175～178.

[3] Gino Tuccari，Alan Whitney，Hans Hinteregger，et al.IVS-WG3 Report on the Backend System[R].IVS Memorandum 2006-003v01，2004.

[4] Bill Petrachenko.VLBI2010 Digital Back End(DBE)Requirements[R].IVSMemorandum 2008-014v01，2008.

[5] 马高峰.VLBI2010与GNSS联合数据分析理论及方法研究[D].解放军信息工程大学博士学位论文，2011.

[6] Yuen JH.Deep Space Telecommunications Systems Engineering[M].New York：Plenum Press，1983.

[7] 姜 坤，王元钦，梁 盛.深空测控VLBI全频谱数字基带转换方法研究[J].电讯技术，2011，51(12)：20～26.

[8] 杨小牛，楼才义，徐建良.软件无线电技术与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2010.

Design of an Efficient M ulti-mode Full Spectrum Digital Baseband Converter

Wei Shaojie， Jiang Kun， Hou Xiaomin， Lian Xin

The digital baseband converter is an important part of VLBI(Very Long Baseline Interferometry)system.In order to strengthen the international cooperation and the ability of joint observation with Chinese Academy of Sciences VLBI network，our deep space station needs to support both Mark5B and RDEF data formats.Referring to the technical indexes of digital baseband converters of Deep Space Network and Shanghai Astronomical Observatory，a multi-mode full spectrum digital baseband converter which supports both real signal and complex signal output is designed，and the corresponding data formats are Mark5B and RDEF. Themethod which combines the PFB(Poly-phase Filter Bank)efficient uniform channelization with the orthogonalmixing is used in the digital baseband converter，which can realize the full spectrum baseband conversion of analyzing bandwidth withoutblindzone or distortion.

VLBI； Baseband converter； Full spectrum； Half-band filter； CIC filter

TN911.72文献识别码：A

CN11-1780(2014)05-0047-07

魏绍杰 1990年生，硕士，主要研究方向为航天测控、高速数字信号处理。

姜 坤 1984年生，博士，主要研究方向为航天测控、高速数字信号处理。

侯孝民 1968年生，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为通信与信息系统、航天测控等。

廉 昕 1987年生，博士，主要研究方向为航天测控、高速数字信号处理。

国家自然科学基金(NO.61271265)

2014-03-20 收修改稿日期：2014-04-28