CN105721009B

CN105721009B - 可变带宽数字信道合成器、分解器、信道合成与分解器

Info

Publication number: CN105721009B
Application number: CN201610269126.8A
Authority: CN
Inventors: 王晓涛; 王烁; 刘振华
Original assignee: CETC 38 Research Institute
Current assignee: CETC 38 Research Institute
Priority date: 2016-04-26
Filing date: 2016-04-26
Publication date: 2019-03-12
Anticipated expiration: 2036-04-26
Also published as: CN105721009A

Abstract

本发明公开了可变带宽数字信道合成器、分解器、信道合成与分解器。可变带宽数字信道合成器用于完成不同用户窄带信号的频谱搬移，并在合成后输出多载波宽带信号。可变带宽数字信道合成器基于固定点数FFT和固定滤波器系数架构实现，在基于K点FFT结构实现的可变带宽数字信道合成器中，多用户窄带信号经过FFT实现频谱搬移，再通过低通滤波实现镜像分量抑制，最后进行合成。本发明设计的合成器可以适用于设计的最大用户数K，及K/2、K/4、…及单用户。本发明还公开与该道合成器相对应的可变带宽数字信道分解器、具有该合成器与该分解器的用于卫星系统的可变带宽数字信道合成与分解器。

Description

可变带宽数字信道合成器、分解器、信道合成与分解器

技术领域

本发明涉及一种信道合成器、信道分解器，尤其涉及一种可变带宽数字信道合成器、可变带宽数字信道分解器、具有可变带宽数字信道合成器与可变带宽数字信道分解器的用于卫星系统的可变带宽数字信道合成与分解器。

背景技术

数字信道合成与分解器广泛运用于各种地面无线通信系统和卫星通信系统中。在基于频分复用的卫星通信系统中，每个用户工作在卫星信道的不同频段。卫星载荷完成多用户信号的接收后，通过数字化处理得到基带多载波宽带信号。多载波信号通过数字信道化分解器实现频谱搬移。卫星可以将搬到基带的各用户信号进行信道交换，交换以后再送入数字化信道合成器，构成宽带多载波信号再发送给地面用户，实现不同用户间的信息交换。

然而现有的基于专用集成电路(ASIC)数字信道合成与分解器工作模式固定，只能支持固定的用户数和子带带宽；而基于现场可编程门阵列(FPGA)构造的数字信道合成与分解器虽然工作模式可以灵活配置，但是限于现有星载FPGA的器件水平，难以实现大吞吐量的数字信道合成与分解器。

发明内容

已有的数字信道化合成与分解器没有考虑到星载环境下对功能多样化的需求，一种结构只能用于固定用户的固定带宽信号的分解和合成，因此，本发明为解决这个问题提供一种可变带宽数字信道合成器、可变带宽数字信道分解器、具有可变带宽数字信道合成器与可变带宽数字信道分解器的用于卫星系统的可变带宽数字信道合成与分解器。

本发明的解决方案是：一种可变带宽数字信道合成器，其用于完成不同用户窄带信号的频谱搬移，并在合成后输出多载波宽带信号；该可变带宽数字信道合成器基于固定点数FFT和固定滤波器系数架构实现，FFT为快速傅氏变换Fast Fourier Transformation的简称；在基于K点FFT结构实现的可变带宽数字信道合成器中，多用户窄带信号经过FFT实现频谱搬移，再通过低通滤波实现镜像分量抑制，最后进行合成，K为正整数。

作为上述方案的进一步改进，当用户数发生变化的时候：先，在没有数据输入的端口输入全零数据；然后，更改合成器的工作时钟；最后，在后端输出时，按照相应的比例进行抽取和并串转换；完成上述三个步骤即可使数字信道合成器切换工作模式，可支持的用户数包括：K、K/2、K/4、…和单用户。

进一步地，对应于K个用户的窄带信号为经过FFT变换、多相抗镜像滤波和相位旋转后，通过并串转换实现多用户窄带信号合成宽带信号。

再进一步地，实现多相抗镜像滤波的多相抗镜像滤波器为q_ρ(m)＝h_LP(Km-ρ),ρ＝0,1,2,…K-1。

本发明还提供一种可变带宽数字信道分解器，根据工作模式配置，将接收信号依此送入各输入端口，完成多用户宽带信号的抽取、抗混叠滤波后，送入K点IFFT结构完成频谱搬移，得到每个用户的基带信号；卫星接收的多载波宽带信号经过数字化以后表示为：x(n)，设x(n)包含K个子带，对应K个用户的窄带信号：其中K为数字信道分解器支持的最大子带数，K为2的幂；h_LP(n)为抗混叠滤波器，经过多相变换以后，得到g₀(m)，g₁(m)，…，g_K-1(m)，其中g_ρ(m)＝h_LP(Km+ρ),ρ＝0,1,2,…K-1。

作为上述方案的进一步改进，该可变带宽数字信道分解器支持K、K/2、K/4、…单用户工作模式，且工作模式切换的时候，只需要改变工作时钟。

本发明还提供一种用于卫星系统的可变带宽数字信道合成与分解器，其包括可变带宽数字信道合成器与可变带宽数字信道分解器；该可变带宽数字信道合成器，其用于完成不同用户窄带信号的频谱搬移，并在合成后输出多载波宽带信号；该可变带宽数字信道合成器基于固定点数FFT和固定滤波器系数架构实现；在基于K点FFT结构实现的可变带宽数字信道合成器中，多用户窄带信号经过FFT实现频谱搬移，再通过低通滤波实现镜像分量抑制，最后进行合成，K为正整数；

该可变带宽数字信道分解器，根据工作模式配置，将接收信号依此送入各输入端口，完成多用户宽带信号的抽取、抗混叠滤波后，送入K点FFT结构完成频谱搬移，得到每个用户的基带信号；卫星接收的多载波宽带信号经过数字化以后表示为：x(n)，设x(n)包含K个子带，对应K个用户的窄带信号：其中K为数字信道分解器支持的最大子带数，K为2的幂；h_LP(n)为抗混叠滤波器，经过多相变换以后，得到g₀(m)，g₁(m)，…，g_K-1(m)，其中g_ρ(m)＝h_LP(Km+ρ),ρ＝0,1,2,…K-1。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明设计的可变带宽数字信道分解器可以适用于设计的最大用户数K，及K/2、K/4、…及单用户；

2.本发明设计的可变带宽数字信道合成器可以适用于设计的最大用户数K，及K/2、K/4、…及单用户；

3.本发明设计的可变带宽数字信道分解器在用户数按表1发生变化时，只需要更改输入时钟即可，其内部结构不用做任何更改；

4.本发明设计的可变带宽数字信道合成器在用户数按表2发生变化时，只需要更改输入时钟即可，其内部结构不用做任何更改；

5.本发明能够很好的实现星上数字信道合成与分解器的功能重构，实现载荷功能自适应匹配应用需求；

6.本发明设计的可变带宽数字信道合成与分解器能够应用在设计带宽可变数字信道合成与分解器的ASIC芯片。

附图说明

图1为本发明用于64用户信号合成的可变带宽数字信道分解器的实现结构图；

图2为本发明用于64用户信号合成的可变带宽数字信道合成器的实现结构图；

图3为利用图2的数字信道合成器，64用户数字信道合成后的功率谱密度图；

图4为利用图1的数字信道分解器，64用户数字信道分解后的用户解调星座图；

图5为本发明用于4用户信号合成的可变带宽数字信道合成器的实现结构图；

图6为利用图5的数字信道合成器，4用户数字信道合成后的功率谱密度图；

图7为本发明用于4用户信号合成的可变带宽数字信道分解器的实现结构图；

图8为利用图7的数字信道分解器，4用户数字信道分解后的用户解调星座图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的可变带宽数字信道合成与分解器包括可变带宽数字信道合成器和可变带宽数字信道分解器。本发明设计的可变带宽数字信道合成与分解器可用于卫星通信系统。可变带宽数字信道合成器完成不同用户窄带信号的频谱搬移，并在合成后输出多载波宽带信号。可变带宽数字信道合成器可以根据任务需求适配不同用户数的不同带宽信号的合成。

可变带宽数字信道合成器基于固定点数FFT和固定滤波器系数架构实现，FFT为快速傅氏变换Fast Fourier Transformation的简称。在基于K点FFT结构实现的可变带宽数字信道合成器中，多用户窄带信号经过FFT实现频谱搬移，再通过低通滤波实现镜像分量抑制，最后进行合成。当用户数发生变化的时候：

1)在没有数据输入的端口输入全零数据；

2)更改合成器的工作时钟；

3)在后端输出时，按照相应的比例进行抽取和并串转换。

完成上述3个步骤即可使数字信道合成器切换工作模式，可支持的用户数包括：K、K/2、K/4、…和单用户。

比如对一个基于K＝64点FFT结构的可变带宽数字信道合成器，可以支持如下的工作模式配置：

●64个用户，每个用户带宽为B的64路窄带信号合成；

●32个用户，每个用户带宽为2B的32路窄带信号合成；

●16用户，每个用户带宽为4B的32路窄带信号合成；

●8用户，每个用户带宽为8B的32路窄带信号合成；

●4用户，每个用户带宽为16B的32路窄带信号合成；

●2用户，每个用户带宽为32B的32路窄带信号合成；

●单用户，用户带宽为64B的宽带信号。

在具体实现中，可变带宽数字信道合成器和分解器可支持的子带数(用户数)K和B和星载器件的能力有关。

可变带宽数字信道分解器和可变带宽数字信道合成器配合工作，实现卫星上行多用户窄带信号数字信道化分解，分解后的多用户窄带信号可完成信道交换后再经过数字信道合成实现宽带多载波信号下行发射。

可变带宽数字信道分解器根据工作模式配置，依此送入各输入端口，完成了多用户宽带信号的抽取、抗混叠滤波后，送入K点FFT完成频谱搬移，得到每个用户的基带信号。和可变带宽数字信道合成器相同，可变带宽数字信道分解器也可以支持K、K/2、K/4、…和单用户工作模式，且工作模式切换的时候，只需要改变工作时钟。

下面阐述可变带宽数字信道分解器的工作原理。卫星接收的多载波宽带信号经过数字化以后表示为：x(n)。设x(n)包含K个子带，对应K个用户的窄带信号：其中K为数字信道分解器支持的最大子带数，K为2的幂。h_LP(n)为抗混叠滤波器，经过多相变换以后，得到g₀(m)，g₁(m)，…，g_K-1(m)，其中g_ρ(m)＝h_LP(Km+ρ),ρ＝0,1,2,…K-1。则可变带宽数字信道分解器实现结构如图1所示。

根据应用场景需求，可变带宽数字信道分解器的工作方式如表1所示，其中在第2列中，未选中的端口在图1中对应的IFFT输入端输入为全零。

表1可变带宽数字信道分解器工作模式配置表

可变带宽数字信道合成器的实现结构如图2所示。对应于K个用户的窄带信号为经过FFT变换、多相抗镜像滤波和相位旋转后，通过并串转换实现多用户窄带信号合成宽带信号。其中，多相抗镜像滤波器为q_ρ(m)＝h_LP(Km-ρ),ρ＝0,1,2,…K-1。当用户数变为K、K/2、K/4、…或单用户时，按照表2配置图2中所示的可变带宽数字信道合成器的输入端口、工作时钟和输出支路即可。

表2可变带宽数字信道合成器工作模式配置表

依据图1和图2所示构建K＝64点的可变带宽数字信道分解与合成器。设64个用户每个用户的基带符号速率为3.90625Msps，调制方式为QPSK。经过成型滤波后带宽为：5.27MHz，采样率为7.8125Msps。64路信号合成后的符号速率为250Msps，采样率为500Msps。设采用的抗镜像和抗混叠滤波器长度为512阶，经过多相分解后，每相滤波器的长度为8。经过图2所示数字信道合成后，得到宽带信号频谱如图3所示。将合成后的信号送入图1中的可变带宽数字信道分解器解调得到星座图如图4所示。

下面通过例子说明如何利用图5和图7中的信道合成和分解器实现K/16＝4个子带信号的合成，对应于图5的4用户可变带宽数字信道分解器如图7所示。此时每个用户的基带符号速率为3.90625*16＝62.5Msps，成型滤波后每个用户信号带宽为84.375MHz，采样率为125Msps。FFT输入端口补零，输出有效端口为FFT和多相滤波器工作时钟为125MHz。合成后的信号功率谱密度示意图如图6所示，图6为利用图5的数字信道合成器，4用户数字信道合成后的功率谱密度图。解调后的星座图如图8所示，图8为利用图7的数字信道分解器，4用户数字信道分解后的用户解调星座图。

本发明利用FFT和多相滤波结构的优点，设计了带宽可变、用户数可变的数字化信道合成与分解器，工作中只需要配置不同时钟频率即可，这种结构实现了数字信道合成与分解器功能多样化，可用于多用途星载数字信道合成与分解器ASIC芯片的设计。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种可变带宽数字信道合成器，其用于完成不同用户窄带信号的频谱搬移，并在合成后输出多载波宽带信号；其特征在于：该可变带宽数字信道合成器基于固定点数FFT和固定滤波器系数架构实现，FFT为快速傅氏变换的简称；在基于K点FFT结构实现的可变带宽数字信道合成器中，多用户窄带信号经过FFT实现频谱搬移，再通过低通滤波实现镜像分量抑制，最后进行合成，K为正整数；

当用户数发生变化的时候：先在没有数据输入的端口输入全零数据；然后，更改合成器的工作时钟；最后，在后端输出时，按照相应的比例进行抽取和并串转换；完成上述三个步骤即可使数字信道合成器切换工作模式，可支持的用户数包括：K、K/2、K/4、…和单用户；

对应于K个用户的窄带信号为经过FFT变换、多相抗镜像滤波和相位旋转后，通过并串转换实现多用户窄带信号合成宽带信号，实现多相抗镜像滤波的多相抗镜像滤波器为q_ρ(m)＝h_LP(Km-ρ),ρ＝0,1,2,L K-1，其中K为数字信道分解器支持的最大子带数，K为2的幂；h_LP(n)为抗混叠滤波器，此处，n取值Km-ρ，m为时间序列。

2.一种可变带宽数字信道分解器，根据工作模式配置，将接收信号依此送入各输入端口，完成多用户宽带信号的抽取、抗混叠滤波后，送入K点IFFT结构完成频谱搬移，得到每个用户的基带信号；其特征在于：卫星接收的多载波宽带信号经过数字化以后表示为：x(n)，设x(n)包含K个子带，对应K个用户的窄带信号：其中K为数字信道分解器支持的最大子带数，K为2的幂；h_LP(n)为抗混叠滤波器，经过多相抗镜像滤波变换以后，得到g₀(m)，g₁(m)，…，g_K-1(m)，其中g_ρ(m)＝h_LP(Km+ρ),ρ＝0,1,2,L K-1；

该可变带宽数字信道分解器支持K、K/2、K/4、…单用户工作模式，且工作模式切换的时候，只需要改变工作时钟。

3.一种用于卫星系统的可变带宽数字信道合成与分解器，其包括可变带宽数字信道合成器与可变带宽数字信道分解器；该可变带宽数字信道合成器，其用于完成不同用户窄带信号的频谱搬移，并在合成后输出多载波宽带信号；其特征在于：该可变带宽数字信道合成器基于固定点数FFT和固定滤波器系数架构实现；在基于K点FFT结构实现的可变带宽数字信道合成器中，多用户窄带信号经过FFT实现频谱搬移，再通过低通滤波实现镜像分量抑制，最后进行合成，K为正整数；

该可变带宽数字信道分解器，根据工作模式配置，将接收信号依此送入各输入端口，完成多用户宽带信号的抽取、抗混叠滤波后，送入K点IFFT结构完成频谱搬移，得到每个用户的基带信号；卫星接收的多载波宽带信号经过数字化以后表示为：x(n)，设x(n)包含K个子带，对应K个用户的窄带信号：其中K为数字信道分解器支持的最大子带数，K为2的幂；h_LP(n)为抗混叠滤波器，经过多相抗镜像滤波变换以后，得到g₀(m)，g₁(m)，…，g_K-1(m)，其中g_ρ(m)＝h_LP(Km+ρ),ρ＝0,1,2,L K-1，其中K为数字信道分解器支持的最大子带数，K为2的幂；h_LP(n)为抗混叠滤波器，此处，n取值Km+ρ，m为时间序列；