CN102647197B - 多频段数字相控阵接收天线的信道化方法 - Google Patents

多频段数字相控阵接收天线的信道化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出的一种多频段数字相控阵接收天线的信道化方法，旨在提供一种滤波器数量少，种类少，实现简单的信道化方法。本发明通过下述技术方案予以实现：用个模数转换器把经过个射频前端的路多频段模拟高中频信号转换为数字信号，然后用个同路相连的解析变换器变换为解析信号，再通过对应相连的个波束合成器输出个频段的中频信号，通过与上述个波束合成器相连的个数字下变频器模块，把波束合成后的个单频段的中频输出信号转变为对应的零中频信号，再采用个数字上变频模块串联上述数字下变频模块，把个单频段的零中频信号转换为频率相同的低中频输出信号。本发明解决了现有技术使用滤波器数量多，种类多，实现复杂的问题。

Description

多频段数字相控阵接收天线的信道化方法
技术领域
本发明涉及卫星通信领域，具体涉及一种多频段数字相控阵接收天线的信道化方法。
技术背景
在卫星通信中，相控阵天线被广泛使用。在接收机中，目前的数字相控阵天线，是基于超外差结构的软件无线电体系，即在中频实现数字化，在数字中频或者数字基带实现波束合成。多频段数字相控阵接收天线是数字相控阵天线的一个典型应用，其目的是同时接收多颗卫星的信号，并以相同的中频频率输出每个卫星的中频信号。
具体而言，每个卫星信号具有相同的带宽，但各自的载频和波达方向(Direction of Arrival，DOA)却是不同的。此时，阵列的阵面接收的信号是所有卫星信号的叠加，是一个多频段信号。而多频段数字相控阵天线需要完成两个功能，一个是形成多个权矢量，从而对每个频段信号进行波束合成；二是对每个频段的信号进行信道化，即分离每个频段的信号。信道化的方法是在波束合成之前完成，即在波束合成之前，对每个频段信号采用一个带通滤波器，获取该频段的信号后，输入给该频段信号对应的波束合成单元。该方法的缺点在于，系统需要的带通滤波器数量多，种类多，实现复杂，因为每个阵元通道中，每个频段信号都需要一个带通滤波器，而且不同频段信号对应滤波器的参数是不同的。
发明内容
本发明目的是针对上述现有技术在多频段数字相控阵接收天线信道化过程中，使用滤波器数量多，种类多，实现复杂的问题，提供一种滤波器数量少，种类少，实现简单的多频段数字相控阵接收天线的信道化方法。
本发明解决所述问题的技术方案是，一种多频段数字相控阵接收天线的信道化方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)在采用超外差结构的接收机中，用N个模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)把经过射频前端的N路多频段模拟高中频信号转换为数字信号，然后用N个同路相连的解析变换器变换为解析信号，再通过对应相连的M个波束合成器输出M个单频段的中频信号，N等于阵元个数，M为频段数量；
(2)用接收机产生的M个频段的波控和频控信息，控制与上述M个波束合成器相连的M个数字下变频器(Digital Down Converter，DDC)模块中的数控振荡器(Numerically Controlled Oscillator，NCO)，通过DDC把M个波束合成器输出的M个中频信号转变为零中频信号；
(3)再采用M个数字上变频(Digital Up Converter，DUC)模块串联上述DDC模块，把上述M个单频段的零中频信号转换为频率相同的低中频输出信号。
本发明的有益效果在于，本发明把模拟高中频输入信号通过ADC转换为数字信号；通过解析变换和波束合成器，输出M个单频段的中频信号；采用M个相同的DDC模块，把波束合成输出的M个单频段信号转换为对应的零中频信号；采用M个相同的DUC模块，把M个单频段的零中频信号转换为频率相同的低中频输出信号。通过从高中频信号到零中频信号，以及零中频信号到低中频信号的两次变频实现信道化；由于信道化功能在波束合成之后完成，每个频段信号对应的DDC、DUC和滤波器模块都相同，故所需滤波器数量少，种类少，工程实现简单。本发明解决了现有技术多频段数字相控阵接收天线信道化过程中，使用滤波器数量多，种类多，实现复杂的问题，
本发明可以应用于卫星通信领域。
附图说明
图1是本发明多频段数字相控阵接收天线的信道化的原理示意图。
图2是本发明第m个频段信号的波束合成器示意图。
图3是本发明第m个频段信号的DDC结构示意图。
图4是本发明第m个频段信号的DUC结构示意图。
具体实施方式
如图1所示。数字相控阵接收天线阵列由N个天线阵元构成，每个天线阵元接收信号中都包含了相同的M个频段信号，每个频段信号对应一个卫星信号，这些信号具有相同的带宽，但载波频率和波达方向是不同的。多频段数字相控阵接收天线的信道化，实现步骤可以为：
第一步，在采用超外差结构的接收机中，信号经过接收阵列和射频前端，输出N路多频段模拟高中频信号x1(t)，…，xN(t)，再通过N个ADC把模拟高中频输入信号转换为数字信号x1(n)，…，xN(n)，N等于阵元个数；
第二步，用个同路相连的N个解析变换器把数字高中频信号x1(n)，…，xN(n)变换为解析信号
Figure BDA0000131041940000031
再通过对应相连的M个波束合成器输出M个单频段中频信号y1(n)，…，yM(n)，M个波束合成器的权矢量w1，…，wM由接收机的波控和频控信息得到，N等于阵元个数，M等于频段数量；
第三步，根据接收机产生的波控和频控信息，采用M个DDC模块，把M个单频段的波束合成输出信号y1(n)，…，yM(n)转换为对应的零中频信号s1(n)，…，sM(n)；
第四步，按照系统输出低中频信号的频率要求，采用M个DUC模块，把M个单频段的零中频信号s1(n)，…，sM(n)转换为频率相同的低中频输出信号z1(n)，…，zM(n)。
其中，第三步中的M个DDC模块在硬件上完全相同，每个DDC模块由复数乘法器、数控振荡器(Numerically Controlled Oscillator，NCO)、低通滤波器(Low Passband Filter，LPF)构成，其连接关系为NCO的输出和波束合成器输出作为复数乘法器输入，复数乘法器输出作为低通滤波器输入，低通滤波器输出是零中频信号。
第四步中的个DUC模块在硬件上完全相同，每个DUC模块由复数乘法器、NCO、低通滤波器构成，连接关系为NCO的输出和零中频信号作为复数乘法器输入，复数乘法器输出作为低通滤波器输入，低通滤波器输出是低中频信号。
在图2中，相控阵天线根据每个频段信号的载波频率和波达方向，形成M个复数权矢量wm＝[wm1 ... wmN]T，m＝1，2，...，M。第m个波束合成器实现第m个频段信号对应的加权求和输出，即
Figure BDA0000131041940000041
符号“H”表示求共轭转置。
图3为第m个频段信号对应的DDC结构，m＝1，2，...，M。波束合成器输出信号经过DDC，得到M个单频段的零中频信号sm(n)。相控阵天线根据接收机指定的第m个频段信号的频率信息，产生相应的频控信号，该信号控制NCO，使之输出一个频率为ωm的本振信号
Figure BDA0000131041940000042
该频率等于第m个频段信号的高中频频率，Ts为采样周期。本振信号
Figure BDA0000131041940000043
同ym(n)在复数乘法器中完成复数乘法，输出经过一个LPF。LPF用于滤除第m个频段信号以外的其它频段信号，实现信道化。该LPF的通带等于第m个频段信号带宽，由于每个频段信号带宽相同，所以，M个DDC中的LPF相同，进而，M个DDC硬件上也相同，只是频控信号不同，产生的本振信号频率不同。
图4为第m个频段零中频信号sm(n)对应的DUC结构，m＝1，2，...，M。根据系统要求，M个单频段的信号经过相控阵天线后，输出要为相同频率的低中频信号，该低中频频率为ω0。由于所有的M个零中频信号sm(n)具有相同的带宽和中心频率，所以，通过M个相同的DUC，可以实现系统的功能要求。NCO产生的本振信号为
Figure BDA0000131041940000051
同sm(n)进行复数乘法，输出经过一个LPF，滤除带外杂波，从而得到满足要求的第m个频段第中频信号zm(n)。

Claims (5)

1.一种多频段数字相控阵接收天线的信道化方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）在采用超外差结构的接收机中，用N个模数转换器（ADC）把经过射频前端的N路多频段模拟高中频信号转换为数字信号，然后用N个同路相连的解析变换器将所述的数字信号变换为解析信号，再通过对应相连的M个波束合成器输出M个单频段的中频信号，N等于阵元个数，M为频段数量；
（2）用接收机产生的M个频段的波控和频控信息，控制与上述M个波束合成器相连的M个数字下变频器（DDC）模块中的数控振荡器（NCO），通过DDC把M个波束合成器输出的M个中频信号转变为零中频信号；
（3）再采用M个数字上变频（DUC）模块串联上述DDC模块，把M个单频段的零中频信号转换为频率相同的低中频输出信号。
2.如权利要求1所述的多频段数字相控阵接收天线的信道化方法，其特征在于，M个DDC模块在硬件上完全相同，每个DDC模块由复数乘法器、数控振荡器（NCO）、低通滤波器（LPF）构成，其中，NCO的输出和波束合成器输出作为复数乘法器输入，复数乘法器输出作为低通滤波器输入，低通滤波器输出零中频信号。
3.如权利要求1所述的多频段数字相控阵接收天线的信道化方法，其特征在于，M个DUC模块在硬件上完全相同，每个DUC模块由复数乘法器、NCO、低通滤波器构成，其中，NCO的输出和零中频信号作为复数乘法器输入，复数乘法器输出作为低通滤波器输入，低通滤波器输出低中频信号。
4.如权利要求1所述的多频段数字相控阵接收天线的信道化方法，其特征在于，相控阵天线根据接收机指定的第m个频段信号的频率信息，产生相应的频控信号，该信号控制NCO，使之输出一个频率为ωm的本振信号
Figure FDA0000454108110000011
该频率等于第m个频段信号的高中频频率，Ts为采样周期。
5.如权利要求4所述的多频段数字相控阵接收天线的信道化方法，其特征在于，本振信号
Figure FDA0000454108110000021
同加权求和输出ym(n)在复数乘法器中完成复数乘法，输出经过一个LPF；LPF用于滤除第m个频段信号以外的其它频段信号，实现信道化，该LPF的通带等于第m个频段信号带宽。
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