摘 要：圍繞靈巧衛(wèi)星數(shù)字多波束相控陣的工程應(yīng)用，針對通信衛(wèi)星采用的多波束頻分多址通信體制，討論了基于多相快速傅里葉變換（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ＦＦＴ）的數(shù)字信道化技術(shù)和基于二維ＦＦＴ 的數(shù)字波束成形原理，設(shè)計了一個２０ ＭＨｚ 帶寬的陣列接收模型，將接收到的不同用戶的不同頻率信號通過對應(yīng)的子信道輸出，從而實現(xiàn)對多路同時到達(dá)信號的實時截獲、降速以及變頻，并成功集成到一個２C２ 陣列的數(shù)字波束成形（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ，ＤＢＦ）多波束模塊中，達(dá)到了時域和空域的雙重濾波效果。進(jìn)一步通過Ｍａｔｌａｂ、ＳｙｓＧｅｎ 和現(xiàn)場可編程門陣列（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ，ＦＰＧＡ）多平臺聯(lián)合仿真，驗證模型的準(zhǔn)確性和有效性。仿真結(jié)果表明，在１５ ｄＢ 信噪比的前提下，生成的波束能夠完全覆蓋用戶終端所在的整個區(qū)域，確保了通信的全面覆蓋，且傳輸誤碼率為０。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信道化；數(shù)字波束成形；相控陣；快速傅里葉變換

中圖分類號：ＴＮ９２７ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號：１００３－３１１４（２０２４）０６－１１３７－１０

０ 引言

近年來，隨著５Ｇ 及６Ｇ 技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信受到了廣泛關(guān)注［１－４］。雖然移動通信網(wǎng)絡(luò)在５Ｇ 和６Ｇ 中取得了進(jìn)展，但某些區(qū)域的通信仍然面臨挑戰(zhàn)，某些地面網(wǎng)絡(luò)在緊急情況下可能會因擁塞或故障而無法正常運(yùn)行。因此，利用衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)來補(bǔ)充地面通信網(wǎng)絡(luò)在這種情況下的不足顯得尤為重要。并且，隨著數(shù)字化和全球化的發(fā)展，對衛(wèi)星通信的需求不斷增加，如何更加合理和充分地利用通信資源，是衛(wèi)星通信行業(yè)發(fā)展中需要重點思考的問題。

傳統(tǒng)的無線電資源管理策略通常采用靜態(tài)規(guī)則波束布局、四頻復(fù)用方案以及均勻的每波束功率分配來覆蓋用戶終端所在區(qū)域。然而，這種固定的通信資源分配方式未能充分適應(yīng)不同服務(wù)區(qū)域和不同時段的用戶鏈路需求分布（流量模式）的顯著差異［５］。由于這一差異，通信資源的使用效率受到影響，出現(xiàn)了為低流量需求的波束分配過多資源，而為高流量需求的波束分配不足的問題［６］。

為解決這一問題，下一代高通量衛(wèi)星如Ｉｎｍａｒｓａｔ５、ＫＡＳＡＴ 和Ｖｉａｓａｔ３ 正在全球范圍內(nèi)積極開發(fā)。通過將數(shù)字信道化器、數(shù)字波束成形（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ，ＤＢＦ）以及波束跳變等數(shù)字控制功能引入下一代高通量衛(wèi)星中，從而促進(jìn)通信資源分配效率的提高。數(shù)字信道化器將接收到的寬帶信號分解為多個子信道，使每個子信道專注于處理特定頻段的信號，以提高頻譜利用效率并實現(xiàn)信號的精確處理，能夠在高速度和高精度的條件下工作［７－８］。ＤＢＦ 作為衛(wèi)星通信中的關(guān)鍵技術(shù)［９－１１］，通過改變波束數(shù)量和形狀以及合理分配功率等措施提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的靈活性。在保持信噪比的前提下，可以同時生成多個獨立的可控波束，并在基帶上保留所有陣列單元信號的信息，從而提供更優(yōu)的波束性能和更多的信號參數(shù)。例如，英國于２０２１ 年發(fā)射的Ｏ３ｂ ｍＰＯＷＥＲ 衛(wèi)星和日本于２０２３ 年發(fā)射的工程試驗衛(wèi)星ＥＴＳＩＸ 均采用了這些數(shù)字控制技術(shù)，使其能夠在運(yùn)行過程中根據(jù)通信需求的變化靈活調(diào)整頻率和覆蓋區(qū)域［１２－１３］。此外，隨著大規(guī)模集成電路和陣列信號處理算法的發(fā)展，Ｓａｔｉｘｆｙ 公司于２０１９ 年推出了全球首款能夠在衛(wèi)星通信中實現(xiàn)實時衛(wèi)星延遲的商用ＤＢＦ 芯片Ｐｒｉｍｅ［１４］。ＯｎｅＷｅｂ 和Ｔｅｌｅｓａｔ公司已與Ｓａｔｉｘｆｙ 公司合作，并計劃在后續(xù)衛(wèi)星發(fā)射中采用ＤＢＦ 技術(shù)。

為了應(yīng)對現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)中不斷增長的帶寬需求和匹配覆蓋區(qū)域中的業(yè)務(wù)需求，本文將深入探討衛(wèi)星通信中的數(shù)字信道化和ＤＢＦ 技術(shù)。針對多波束頻分多址通信體制，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)小區(qū)、用戶以及頻率信號，調(diào)整每個用戶的信號輸出到相應(yīng)的子信道，從而實現(xiàn)星上任意頻段、帶寬之間的信息交互及靈活的跨波束交互。

１ 模型架構(gòu)

面向靈巧通信衛(wèi)星的數(shù)字控制功能主要包含數(shù)字信道化和ＤＢＦ 技術(shù)。數(shù)字信道化的優(yōu)點在于可以提高信號的處理效率，能夠?qū)⒐ぷ鲙拕澐譃槎鄠€子信道，每個子信道專注處理特定頻段的信號，從而實現(xiàn)信號的時域或頻域濾波。而ＤＢＦ 技術(shù)的優(yōu)點在于可以增強(qiáng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的靈活性，它通過調(diào)整波束的數(shù)量和形狀，以及合理分配功率來增強(qiáng)目標(biāo)信號的強(qiáng)度，同時有效抑制來自其他方向的干擾。

基于兩種數(shù)字化技術(shù)的優(yōu)點，本文將數(shù)字信道化技術(shù)與ＤＢＦ 技術(shù)相結(jié)合，提出了一種基于星載２×２ 陣列的ＤＢＦ 多波束模型，旨在實現(xiàn)多路信號的高效處理與分離。該系統(tǒng)架構(gòu)示意如圖１ 所示，涵蓋了衛(wèi)星通信中的接收和發(fā)射兩個過程，分為６ 個關(guān)鍵模塊：射頻接收／ 發(fā)射模塊、接收／ 發(fā)射陣元信道化模塊和接收／ 發(fā)射ＤＢＦ 模塊。通過這些模塊的協(xié)同工作，模型能夠優(yōu)化信號的傳輸、接收和處理效率。

在接收過程中，模型的核心在于高效的信號處理與空間濾波。射頻接收模塊負(fù)責(zé)捕捉來自衛(wèi)星天線的射頻信號，這些射頻信號通常處于較高頻段，經(jīng)過射頻接收模塊的預(yù)處理后，通過混頻器將信號下變頻至中頻段，中頻模擬信號由陣元前端的模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。為進(jìn)一步處理不同載頻下的數(shù)字信號，進(jìn)入接收陣元信道化模塊。此模塊采用了基于多相濾波和ＦＦＴ 的分析濾波器組，可以同時完成對信號的下采樣和并行下變頻，最終生成多路并行的基帶信號。這些基帶信號可以更方便地進(jìn)行后續(xù)的數(shù)字處理和波束成形操作。

在信號處理鏈路中，接收ＤＢＦ 模塊起到了至關(guān)重要的作用。它通過對來自不同方向的信號進(jìn)行加權(quán)和相加，實現(xiàn)對接收信號的空間濾波。該過程的核心是通過控制陣列天線的波束來實現(xiàn)定向接收，提升信號的方向性和靈敏度。

發(fā)射與接收過程在總體架構(gòu)上相似，但信號處理流程是反向的。在發(fā)射過程中，首先通過發(fā)射ＤＢＦ 模塊負(fù)責(zé)對信號進(jìn)行波束成形，以確保信號能夠準(zhǔn)確地聚焦在目標(biāo)區(qū)域。其次通過發(fā)射陣元信道化模塊對多路并行的子信道信號進(jìn)行重構(gòu)，該過程采用基于多相ＦＦＴ 的綜合濾波器組完成上采樣和上變頻操作，從而完成信號的頻譜擴(kuò)展，使其恢復(fù)到更高的中頻信號。在發(fā)射的最后階段，射頻發(fā)射模塊中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器將中頻數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為中頻模擬信號。隨后經(jīng)過混頻器處理，信號被進(jìn)一步上變頻至射頻范圍。最后經(jīng)過波束成形的射頻信號通過衛(wèi)星發(fā)射天線傳輸，確保信號精準(zhǔn)覆蓋目標(biāo)區(qū)域，從而實現(xiàn)高效的遠(yuǎn)距離通信。

２ 基于多相ＦＦＴ 的數(shù)字信道化

為提高頻譜利用效率、實現(xiàn)信號的快速處理而引入數(shù)字信道化技術(shù)。通過此技術(shù)對衛(wèi)星的上行鏈路信號依據(jù)頻分多址對應(yīng)劃分成各個子信道，并完成對接收信號的分析與提取，最終對星上交換后的信號進(jìn)行重構(gòu)，作為下行鏈路信號輸出［１５］。

本文提出的數(shù)字信道化方法基于復(fù)指數(shù)調(diào)制濾波器組［１６］、多抽樣率系統(tǒng)中的恒等變換［１７］和多相濾波技術(shù)［１８］。其核心結(jié)構(gòu)由分析濾波器組和綜合濾波器組組成，分析濾波器組負(fù)責(zé)將接收信號帶寬均勻劃分，提取出各個子信道所對應(yīng)的特定頻段的信號作為輸出；而綜合濾波器組則將這些子信道信號重新組合，最終形成一個時域連續(xù)、頻域完整的寬帶信號。此方法的優(yōu)勢在于可以將接收機(jī)的工作帶寬細(xì)分為多個信道，從而實時并快速處理多路同時到達(dá)的信號。同時，還能降低采樣率、減少數(shù)字濾波器的計算量，提高數(shù)字信道化器的性能和效率，特別適用于需要高效信號處理的通信系統(tǒng)。

２． １ 分析濾波過程

設(shè)定信道的劃分方式為偶型排列無混疊的均勻信道劃分，如圖２ 所示。假設(shè)子信道數(shù)為Ｋ，則第ｋ 個子信道的中心頻率為ωｋ ＝ ２πｋ／ Ｋ，每個子信道的帶寬為２π／ Ｋ，其子信道在頻域內(nèi)均勻等間隔分布。

假設(shè)輸入復(fù)信號為長度為Ｌ 的有限長序列ｘ［ｎ］，ｎ＝０，１，２，…，Ｌ，ＡＤＣ 采樣率為ｆｓ，信道劃分?jǐn)?shù)為Ｋ，抽取數(shù)為Ｍ，原型濾波器的傳遞函數(shù)為ｈ［ｉ］，階數(shù)為Ｎ 階，第ｋ 個均勻子信道的中心頻點為ωｋ，則輸出信號ｙｋ［ｎ］的表達(dá)式為：

根據(jù)多相濾波的思想，將濾波操作分解為Ｋ 個分支，每個濾波分支階數(shù)為Ｐ，即設(shè)ｉ ＝ ｍ＋ｐＫ，其中ｍ＝０，１，…，Ｋ－１，ｐ ＝ ０，１，…，Ｐ －１，則式（２）可表示為：

一個典型的二維平面矩形柵格陣列位于ｘＯｙ 平面，它的陣因子方向圖ＡＦ（θ，φ）的表達(dá)式為：

式中：Ｍ、Ｎ 分別為ｘ、ｙ 方向的陣元數(shù)，ｄｘ、ｄｙ 分別為ｘ、ｙ 方向的陣元間距，Ｉ（ｍ，ｎ）為陣元的復(fù)數(shù)激勵。

令ｋ＝Ｍｄｘｓｉｎ θｃｏｓ φ／ λ，ｌ＝Ｎｄｙｓｉｎ θｓｉｎ φ／ λ，則有：

對比式（１０）和式（１１）中的ＡＦ（ｋ，ｌ）和ｙ（ｋ，ｌ），區(qū)別在于（ｋ，ｌ）的序列不同，可以通過變換使二者等價。也就是說，對復(fù)激勵Ｉ（ｍ，ｎ）做二維ＩＦＦＴ 變換后，再進(jìn)行ｆｆｔｔｓｈｉｆｔ 函數(shù)變換，可以得到二維平面天線陣列的陣因子方向圖。值得注意的是，ＦＦＴ 算法要求天線陣元必須呈矩形柵格排布，即ｘ 和ｙ 方向的間距均相等。二維ＦＦＴ 算法也可以綜合三角柵格陣列，通過增加虛擬的激勵為０ 的陣元，三角柵格便等效于矩形柵格。使用ＦＦＴ 方法計算出的陣列天線方向圖不能直接使用天線坐標(biāo)系（θ，φ）表示，而一般采用正弦空間表示法。正弦空間是天線坐標(biāo)系到二維平面的投影，用變量ｕ、ｖ、ｗ 來表示：

通常情況下，陣列天線的三維方向圖只關(guān)注ｕ、ｖ 取值范圍均為［－１，１］以及ｗ 取值范圍為［０，１］的半球。而對于平面陣列，不考慮ｗ 對天線方向圖的影響。

綜上，基于式（９）的傳統(tǒng)法計算陣列方向圖需要約（ＭＮ） ２ 次復(fù)數(shù)運(yùn)算，而基于式（１１）的二維ＦＦＴ 算法的引入可使計算量從ＭＮ 量級降到（ＭＮ／２）ｌｂ（ＭＮ）量級，且陣元數(shù)目越多，運(yùn)算量降低地越明顯。

３． ３ 陣列信號的模擬

對于信號的幅度來說，星地傳播過程中存在各種損耗，因此通過加權(quán)隨機(jī)衰減系數(shù)和添加一定信噪比下的噪聲來模擬。

信號的相位包含初始相位和空間相位。通常情況下，生成后信號的初始相位是已確定的，因此只有空間相位可能發(fā)生變化。由于信號到達(dá)不同陣元時經(jīng)過的空間路徑存在差異，導(dǎo)致各個陣元對同一信號的空間相位影響有所不同。在模擬陣列信號時，還需要考慮一個重要的參數(shù)，即信號的到達(dá)角，它描述了信號方向與天線陣列之間的空間角度關(guān)系。如果陣列是一維直線陣列，到達(dá)角是指信號方向與天線陣列形成的夾角；如果是二維陣列，到達(dá)角則包括方位角和俯仰角的組合［２２］。根據(jù)陣元的位置和信號的到達(dá)角，可以計算出信號到達(dá)接收天線陣列時引入的空間相位，將其與初始相位相加，便能得到信號的最終相位。

４ 仿真與結(jié)果分析

根據(jù)圖１ 所示的模型架構(gòu)，通過Ｍａｔｌａｂ、ＳｙｓＧｅｎ和現(xiàn)場可編程門陣列（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ，ＦＰＧＡ）多平臺聯(lián)合仿真，驗證所提系統(tǒng)準(zhǔn)確性。

４． １ 系統(tǒng)Ｍａｔｌａｂ 仿真

系統(tǒng)共包含三部分：一是地面發(fā)送部分，目的是產(chǎn)生地面用戶信號；二是星上部分，主要對星上信號的處理過程作仿真分析，包括陣列信號的合成以及單波束和多波束的波束成形算法；三是地面驗證部分，目的是驗證信號處理和波束成形的正確性。

４． １． １ 參數(shù)設(shè)置

① 用戶信號參數(shù)設(shè)置：二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制模式；系統(tǒng)中頻采樣率為５０ ＭＨｚ，中頻調(diào)制載波的中心頻率為５． ５、１８． ５ ＭＨｚ；每個用戶信號帶寬約為３ ＭＨｚ；使用Ｋｕ 波段用于用戶鏈路，即選取射頻調(diào)制載波的中心頻率為１０、１１、１２、１３ ＧＨｚ。其中，中頻調(diào)制是為了區(qū)分同一小區(qū)內(nèi)的不同用戶，而射頻調(diào)制是為了對應(yīng)四頻復(fù)用原則來區(qū)分不同小區(qū)。

② 天線陣面參數(shù)設(shè)置：位于ｘＯｙ 平面的２C２ 天線子陣，陣元間距為０． ５λｍｉｎ （λｍｉｎ 對應(yīng)最大頻率１３ ＧＨｚ 的波長）。

③ 通信小區(qū)參數(shù)設(shè)置：設(shè)小區(qū)總數(shù)為Ｉ ＝ ９，是指不同指向的波束數(shù)量也為Ｉ ＝ ９，可以在（θ，φ）平面上表示小區(qū)集合，即：

ｕｓｅｒ＝｛（θ１，φ１），（θ２，φ２），…，（θＭ，φＭ）｝，θＭ∈［－１０°，１０°］，φＭ∈［－１０°，１０°］。（１３）

４． １． ２ 仿真步驟

為簡化仿真步驟，假設(shè)此時只有（θ，φ）為（０°，０°）的小區(qū)內(nèi)存在兩個用戶同時進(jìn)行通信，其他小區(qū)暫無用戶通信。地面發(fā)送部分的具體操作可化簡為只對（０°，０°）小區(qū)的兩個用戶實信號分別進(jìn)行二進(jìn)制相移鍵控中頻調(diào)制，已調(diào)信號的中心頻率分別為５． ５、１８． ５ ＭＨｚ，用戶帶寬約為３ ＭＨｚ，小區(qū)總信號帶寬約為２０ ＭＨｚ。基于小區(qū)間頻分復(fù)用的原則，相鄰小區(qū)需使用不同的射頻頻率進(jìn)行通信，且在射頻調(diào)制過程中，加入信噪比為１５ ｄＢ 的白噪聲。

為得到比較符合實際的陣列信號，引入隨機(jī)衰減系數(shù)來模擬鏈路損耗，結(jié)合實信號的特征，引入時延模擬陣元位置和信號到達(dá)角不同造成的空間相位不同。經(jīng)過射頻解調(diào)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器后，將每個陣元信號傳入數(shù)字信道化器進(jìn)行分析濾波。采樣率為５０ ＭＨｚ；信道數(shù)Ｋ 為８，抽取率Ｍ 為８（臨界抽?。?，按照圖２ 所示的偶型排列無混疊的均勻信道劃分方式，得到子信道對應(yīng)的頻率范圍如表１ 所示。低通原型濾波器采用有限脈沖響應(yīng)低通線性相位濾波器，階數(shù)為２５６。分析濾波的過程完成了“下采樣＋并行下變頻”，最終得到每個陣元在基帶上的子信道信號，且每個子信道信號對應(yīng)不同中頻頻段的用戶信號。

接收ＤＢＦ 可通過式（５）的波束成形矩陣和二維ＦＦＴ 算法對陣元的子信道信號進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算，并快速得到目標(biāo)小區(qū)的ＤＢＦ 權(quán)重系數(shù)、波束信號、波束方向圖和３ ｄＢ 波束覆蓋范圍。再根據(jù)地面接收的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行星上發(fā)射ＤＢＦ，將波束信號轉(zhuǎn)換為星上發(fā)射陣列各陣元的基帶子信道信號，通過綜合濾波進(jìn)行子信道信號重構(gòu)，再經(jīng)過射頻調(diào)制后可實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)。

地面驗證部分對仿真過程進(jìn)行正確性檢驗，經(jīng)過相干解調(diào)、低通濾波、抽樣判決和碼型轉(zhuǎn)換等操作，與原始用戶二進(jìn)制碼流相對比，統(tǒng)計誤碼數(shù)。

４． １． ３ 仿真結(jié)果分析

由于兩個中頻段用戶信號的中心頻率為５． ５、１８． ５ ＭＨｚ，帶寬約為３ ＭＨｚ，根據(jù)表１ 的子信道頻率劃分結(jié)果，理論上應(yīng)該只有第二和第四子信道有輸出。圖５ 為截取的其中一個陣元分析濾波一段時間內(nèi)的仿真結(jié)果可以看出，仿真結(jié)果與理論分析保持一致。

圖６ 分別展示了單目標(biāo)區(qū)域（θ，φ）為（１０°，０°），多目標(biāo)區(qū)域（θ，φ）為（－１０°，０°）、（０°，０°）和（１０°，０°）的３ ｄＢ 波束覆蓋范圍，３ 個目標(biāo)區(qū)域為相鄰小區(qū)的關(guān)系，不同顏色的圖例代表不同的調(diào)制載波頻率。單波束俯仰向的３ ｄＢ 波束寬度約為４４°，多波束覆蓋滿足相鄰小區(qū)的頻率復(fù)用原則，但是由于陣列規(guī)模較小而形成的波束較寬，所以在圖上表現(xiàn)為只有一個寬波束的覆蓋，實際上是同時形成了３ 個波束，俯仰向的３ ｄＢ 波束寬度約為３２°。

不同信噪比下的誤碼率曲線如圖７ 所示，針對本系統(tǒng)１５ ｄＢ 信噪比的條件，此時誤碼率為０，說明該模型的Ｍａｔｌａｂ 仿真準(zhǔn)確無誤，模型可靠性較高。

４． ２ 數(shù)字信道化ＳｙｓＧｅｎ 仿真

ＳｙｓＧｅｎ 是Ｘｉｌｉｎｘ 公司推出的一款ＦＰＧＡ 開發(fā)開發(fā)工具，它將仿真與ＦＰＧＡ 實現(xiàn)結(jié)合在一個可視化界面中，使二者可以同步完成［２３］。ＳｙｓＧｅｎ 在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 環(huán)境下運(yùn)行，通過使用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 中的ＸｉｌｉｎｘＢｌｏｃｋｓｅｔ 庫模塊來構(gòu)建數(shù)字信號處理系統(tǒng)。完成仿真后，系統(tǒng)模型可以直接封裝為ＩＰ 核，并嵌入到Ｖｅｒｉｌｏｇ 代碼中以實現(xiàn)硬件設(shè)計。此外，ＳｙｓＧｅｎ 還能夠自動生成ｔｅｓｔｂｅｎｃｈ 文件用于硬件邏輯仿真，ｔｅｓｔｂｅｎｃｈ 中的數(shù)據(jù)直接取自ＳｙｓＧｅｎ 仿真的結(jié)果，方便開發(fā)人員進(jìn)行對比與驗證［２４］。

４． ２． １ 模型設(shè)計

由于射頻接收和發(fā)射模塊屬于系統(tǒng)外接部分，此處只進(jìn)行中頻部分的數(shù)字信號處理，考慮到綜合濾波是分析濾波的逆過程，根據(jù)分析濾波原理進(jìn)行設(shè)計。對應(yīng)上文Ｍａｔｌａｂ 的仿真步驟，信道數(shù)Ｋ ＝ ８，建立其中一個陣元的數(shù)字信道化的分析濾波ＳｙｓＧｅｎ 模型，如圖８ 所示，包括延時抽取、多相濾波、并串轉(zhuǎn)換及ＩＦＦＴ 處理４ 個子模塊?？傟嚵械模樱螅牵澹?模型可以通過單個陣元模型經(jīng)４ 次復(fù)制后得到，區(qū)別僅在于輸入信號不同。

延時抽取模塊把串行輸入的信號轉(zhuǎn)為多路并行輸出。為實現(xiàn)８ 路無混疊的數(shù)字信道化功能，輸入信號需先經(jīng)過延時，再進(jìn)行８ 倍抽取，將單路信號速率降低為原來的１ ／８。

多相濾波模塊是對８ 路信道信號分別進(jìn)行濾波，從Ｘｉｌｉｎｘ Ｂｌｏｃｋｓｅｔ 庫中調(diào)用８ 個Ｄｉｇｉｔａｌ ＦＩＲ Ｆｉｌｔｅｒ模塊完成各支路濾波功能。根據(jù)信道劃分關(guān)系，在Ｍａｔｌａｂ 軟件中運(yùn)用ＦＤＡＴｏｏｌ 生成原始低通濾波器系數(shù)，再對該系數(shù)序列進(jìn)行８ 路多相抽取處理生成８ 組信道濾波系數(shù)，將８ 組系數(shù)分別關(guān)聯(lián)到各支路濾波器模塊即可完成濾波器序列的設(shè)置。

Ｘｉｌｉｎｘ 公司的Ｉｎｖｅｒｓｅ ＦＦＴ 模塊能夠執(zhí)行復(fù)數(shù)８ 點ＩＦＦＴ 運(yùn)算，但需要串行形式的數(shù)據(jù)輸入。因此，系統(tǒng)中引入了一個輪詢模塊，用于將８ 路并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，以滿足ＩＦＦＴ 模塊的輸入要求。在數(shù)據(jù)輸入階段，ＩＦＦＴ 模塊的ｓｔａｒｔ＿ｆｒａｍｅ＿ｉｎ 端口用于標(biāo)記時間戳，當(dāng)每組８ 個數(shù)據(jù)中的第一個數(shù)據(jù)被輸入時，ｓｔａｒｔ＿ｆｒａｍｅ＿ｉｎ 端口的信號為１，后續(xù)７ 個數(shù)據(jù)輸入時，該端口信號為０。這樣的設(shè)計可以明確８ 點ＩＦＦＴ 操作的起始位置，從而確保ＩＦＦＴ 模塊能夠準(zhǔn)確地識別和處理輸入數(shù)據(jù)。同樣地，在數(shù)據(jù)輸出階段，ＩＦＦＴ 模塊的輸出端口提供了ｓｔａｒｔ＿ｆｒａｍｅ＿ｏｕｔ信號。經(jīng)過８ 點ＩＦＦＴ 計算處理后，輸出的第一個數(shù)據(jù)會伴隨ｓｔａｒｔ＿ｆｒａｍｅ＿ｏｕｔ 信號為１，而接下來的７ 個數(shù)據(jù)輸出時，該信號則為０。

４． ２． ２ 仿真結(jié)果分析

圖９ 為Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 環(huán)境中第一至第四信道的示波器輸出的量化信號波形。與圖５ 所示的Ｍａｔｌａｂ 仿真結(jié)果對比，由于量化精度導(dǎo)致信號波形的幅度存在一定誤差，但誤差在可接受范圍內(nèi)。

４． ３ 數(shù)字波束成形ＦＰＧＡ 仿真

選?。兀椋欤椋睿?公司Ｋｉｎｔｅｘ７ 系列的ＦＰＧＡ 芯片，該芯片系列專為低功耗和經(jīng)濟(jì)型信號處理而設(shè)計，具有低能耗、高性能、低成本等特點。經(jīng)過不同型號芯片資源的對比，最終決定采用型號為ｘｃ７ｋ４１０ｔｉｆｆｇ９００ 的芯片。

由于天線的發(fā)射和接收具有互異性［２５］，以數(shù)字接收波束為例，本系統(tǒng)可簡化為兩個基本單元，即分析濾波模塊和接收ＤＢＦ 模塊。基于Ｖｉｖａｄｏ２０１９ 平臺，采用Ｖｅｒｉｌｏｇ 語言編寫數(shù)字信道化中分析濾波過程和接收ＤＢＦ 的ＦＰＧＡ 程序，其中數(shù)字信道化的ＦＰＧＡ 程序通過ＳｙｓＧｅｎ 模型直接生成。下面主要展示接收ＤＢＦ 模塊的ＦＰＧＡ 仿真。

ＤＢＦ 權(quán)重系數(shù)的實部和虛部分別存儲在芯片ＲＯＭ 中，量化數(shù)據(jù)寬度為８ 位；設(shè)置二維ＦＦＴ 算法的點數(shù)為１６，則最終形成一個１６C１６ 的陣列方向圖矩陣。圖１０ 為單波束ＤＢＦ 權(quán)重的部分計算結(jié)果，ｃｏｅ＿ｒｅａｌ 為單波束ＤＢＦ 權(quán)重的實部，ｃｏｅ＿ｉｍａｇ 為單波束ＤＢＦ 權(quán)重的虛部，通過改變ｓｅｌ 信號來控制單波束的指向，每個ｓｅｌ 信號對應(yīng)４ 個權(quán)重系數(shù)值，分別是２C２ 陣列的４ 個陣元的激勵加權(quán)系數(shù)。而多波束的ＤＢＦ 權(quán)重則是通過多個單波束的權(quán)重相乘得到的。

將ＦＰＧＡ 仿真得到的目標(biāo)區(qū)域為（１０°，０°）的方向圖矩陣導(dǎo)入Ｍａｔｌａｂ 中，繪制３ ｄＢ 波束覆蓋圖，如圖１１ 所示。與圖６（ａ）中的Ｍａｔｌａｂ 仿真結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)波束覆蓋范圍有所減小，俯仰向的３ ｄＢ 波束寬度降為３４°，但仍可以保證目標(biāo)區(qū)域的全覆蓋效果。波束覆蓋范圍的減小與二維ＦＦＴ 點數(shù)以及量化精度的取值有關(guān)。

５ 結(jié)束語

針對衛(wèi)星通信中的數(shù)字化技術(shù)，本文探討了基于多相ＦＦＴ 的數(shù)字信道化方法和基于二維ＦＦＴ 的ＤＢＦ 算法。數(shù)字信道化技術(shù)可以將陣列的工作帶寬均勻劃分為多個子信道，從而提取對應(yīng)頻段的用戶信號，并實現(xiàn)信號的降速、變頻和時域濾波，還能夠?qū)@些窄帶用戶信號進(jìn)行重構(gòu)，提高頻譜利用效率。ＤＢＦ 技術(shù)則能夠生成多個獨立可控的波束，有效分離來自不同方向的信號，從而實現(xiàn)空域濾波。此外，這兩種技術(shù)均運(yùn)用了ＦＦＴ 算法，降低了系統(tǒng)的運(yùn)算工作量，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的實時處理能力和資源利用效率。將這兩種技術(shù)相結(jié)合，本文設(shè)計了一個２０ ＭＨｚ 帶寬的陣列接收模型，實現(xiàn)了對不同用戶信號的實時處理，并應(yīng)用于一個２×２ 陣列的ＤＢＦ 多波束模塊。通過多平臺聯(lián)合仿真，對系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了驗證。仿真結(jié)果表明，生成的波束能夠全面覆蓋用戶終端所在區(qū)域，且系統(tǒng)在通信靈活性和可靠性方面表現(xiàn)優(yōu)異。

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作者簡介：

路一凡 女，（２００１—），碩士研究生。主要研究方向：相控陣天線。

黃文乾 男，（１９９３—），博士，工程師。主要研究方向：航天器總體設(shè)計。

堯如歌 男，（２００１—），碩士研究生。主要研究方向：相控陣天線。

李殷喬 男，（１９８３—），博士，研究員。主要研究方向：航天器總體設(shè)計。

（*通信作者）鄧長江 男，（１９８８—），博士，副教授。主要研究方向：手機(jī)天線、相控陣天線。