摘要 变频的目的是为了使信号能够在特定的信道内利用合适的频率对信号进行有效传输，是无线通信系统中需要经常涉及到的问题。频谱反转一般是在传输过程中由于变频而造成的接收端所收与发射端所发的信号频谱相反的现象。本文对频谱反转产生的原因以及如何在基带系统中处理的方法进行了分析和介绍。

一、 概述

目前的卫星通信系统基本为数字传输系统，为使信号在卫星信道中得到有效传输，在发射端，经常采用的方法是首先由调制器将已成型的基带信号调制为中频（IF）信号，而后通过上变频使之成为最终适合卫星信道传输的射频（RF）信号，再通过射频放大器及天线放大后发向卫星。在接收端的处理过程与发射端相反，经卫星转发下的射频信号首先通过天线、低噪声放大器的放大，而后传输给下变频器变化为中频（IF）信号，最后由解调器将该信号解调为原始基带信号。

简化的卫星系统图如下：

图1：卫星通信系统简图

目前在用的通信卫星基本上不会引发频谱反转，频谱反转现象一般发生在地面系统中，能够引起频谱反转的一般在调制器和变频器部分。以下就对这两个阶段的信号变化过程及引起频谱反转的成因进行分析，并给出了对策。

二、 调制器对信号频谱的影响

调制器在卫星通信系统中的作用主要是在基带处理模块将需要传输的数据经编码、成型后形成基带数字信号，并将其调制到中频（IF）载波上。（中频可以是70MHz、140MHz或L波段（950~1450MHz或更高）。）而后经过中频带通滤波器后送入上变频器。目前主流的调制方式为正交调制，如简要工作原理如下图所示：

图2：调制器信号处理简图

由于处理的机制不同，基带数字信号被最终调制成中频（IF）信号的过程中可以是通过一次变频，也可以是先调制到一个较低频率，再通过一次或多次变频后形成。但遵循的原则是对基带信号仅作频率上的搬移而尽可能不改变其频谱特征，因此可以认为中频（IF）信号的频谱和原始基带信号的频谱是一致的。

三、 变频的原理及频谱反转的成因

卫星通信系统通常采用中频（IF）和射频（RF）分开处理的方式，这样在系统建立时有利于使用者对于地面设备的选择与采购，同时在后续对系统的应用进行升级改造时无需更换全部功能与设备。

中频（IF）和射频（RF）之间的转换是通过变频器实现的，上行链路从中频（IF）至射频（RF）是通过上变频器实现的，下行链路从射频（RF）至中频（IF）是通过下变频器实现的。变频器的类型有很多种，可以是独立部件，也可以是和高功放（HPA）、低噪放集成在一起。

无论何种变频器形式，变频的原理是相同的：从频域的观点来看，变频是一个频谱搬移的过程，将所需的信号频谱从一个频率搬移到另一个频率。

在实际的设备中，变频是两个信号通过混频器的非线性作用完成的。在混频的过程中除产生所需的信号外还会产生出很多的无用的频率分量，会影响变频后信号的纯度。因此对变频器有很多要求，如要满足一定的频带要求、一定的增益要求；同时，对本振源频率的选择也需以尽量减少无用频率分量对工作频带的影响为原则，另外，本振源自身频率的精度、稳定度等等都有要求。在此不展开详细讨论，仅对卫星通信系统中实际变频器常用的变频方式以及可能涉及到的频谱反转的成因进行介绍。

如前所述变频器的简要原理图如下：

图3：变频器简图

中频（IF）或射频（RF）信号经过带通滤波器后将只保留所需频带内信号，该信号被送入混频器中，与本振信号相乘后即可得到所需的射频（RF）频率或中频（IF）频率信号，变频后形成的新频率信号再经过一个对应频段的滤波器，同样只保留所需的新频带内信号，而将其他无用信号滤除后送给高功放（HPA）或解调器。

实际系统中，输入的中频（IF）或射频（RF）信号是带有基带数字信号信息的含有多个分量的调制信号，为说明信号间的频率关系，在此先排除幅度分量因素，将其简化为正弦波信号并记为 sin(ω1t)，ω1对应的就是中频（IF）或射频（RF）的频率如f1，将本振信号记为sin(ωlot)，ωlo对应的就是本振的频率如flo两个信号进入混频器相乘，在时域输出信号 y(t) 即可用如下数学表达式：

y(t)= sin(ω1t) sin(ωlot)     式1

则有

y(t)= sin((ω1+ωlo)t)+sin((ω1-ωlo)t)  式2

或

y(t)= sin((ωlo +ω1)t)+sin((ωlo -ω1)t)  式3

对应式3，在频域则有如下图所示关系：

（在此为方便说明频谱反转现象，下图中频谱特意用不规则图形表示，实际正常PSK频谱图一般为梯形。）

图4：变频示意图

由上图也可看出，变频后实际会产生和频和差频两个信号（同时也包含镜频信号，在此不展开），这两个信号都可以利用带通滤波器选择后被用于实际传输使用。如在实际卫星通信系统中Ku波段上变频器经常采用的13.05GHz本振频率，将中频950～1450 MHz范围内的信号变频至14.0～14.5 GH的射频信号用于传输，即是利用的和频信号。而在C波段接收系统中，LNB的本振频率一般采用5150MHz,将下行3.7GHz～4.2GHz信号变频为950～1450 MHz即是利用了差频信号。

如前所述，变频是频谱的搬移过程，对变频器的要求是信号幅度可以发生变化，但是频谱的结构、各分量之间的相对比例关系不能改变，这样经过解调后才能恢复原来调制前的信号。

而在实际系统中，采用和频信号可以几乎无条件满足上述要求，而采用差频信号则出现了输入的低频端信号在变频后输出在高端，而输入的高频端信号变频后输出在低端的现象，即频谱反转的现象。（一般在实际设备中会将采用和频方式的变频称为低本振变频，而将采用差频信号方式的变频称为高本振变频。）

四、 频谱反转的恢复

由于技术体制、成本等多方面因素的限制，频谱反转现象无法从根本上完全被消除，如果直接对反转过的信号进行解调是无法得到正确的基带信号的，必须对其进行必要处理。

直观地看，最简单的处理方法就是对频谱反转的信号再经过一级变频反转，使之变为与原始信号一致。但如此处理不仅会带来成本的提高同时也会在系统中引发更多的噪声和无用的干扰信号。

实际上目前的系统中经常采用的是在基带部分对频谱反转的信号进行处理，相对增加一级变频的处理方式既节约成本又不会引入过多干扰与噪声。以下就对这种方法进行分析介绍：

直观在时域利用示波器观察正交信号，会发现信号是以逆时针方向旋转的，如下图(a)所示：

图5：利用示波器观察正交信号

更加直观的示意如上图（b）所示：从A方向观察所得图像既是在时域利用示波器所观察到的正交信号，为逆时针旋转。而当频谱反转时，相当于从B方向所观察，此时信号的旋转方向为顺时针。

基于正交调制的信号特点，为便于分析引用欧拉公式做数学上的进一步分析：

ejωt= cos(ωt) + jsin(ωt)    式4

频谱反转实际就是旋转方向相反，即：

e-jωt= cos(-ωt) + jsin(-ωt)    式5

另外根据三角函数公式：

sin(-a) = -sin(a)       式6

cos(-a) = cos(a)       式7

重写式5，可得到如下形式：

e-jωt = cos(ωt) - jsin(ωt)     式8

再根据如下三角函数公式：

sin(a +π/2) = cos(a)      式9

cos(a +π/2) = -sin(a)      式10

信号恢复过程关注的是向量的旋转方向，无需考虑绝对相位，因此可将式5重写为如下形式

e-jωt+π/2 = cos(-ωt+π/2) + jsin(-ωt+π/2)

= -sin(-ωt) + jcos(-ωt)

= sin(ωt) + jcos(ωt)      式11

另外再根据如下三角函数的诱导公式：

sin(π±a) = ∓sin(a)      式12

cos(π±a) = -cos(a)      式13

可将式5重写为如下形式：

e-jωt+π= cos(-ωt+π) + jsin(-ωt+π)

= -cos(ωt) - jsin(-ωt)

= -cos(ωt) + jsin(ωt)     式14

至此我们已经得到了三个相关的公式，

e-jωt= cos(ωt) - jsin(ωt)     式15

e-jωt+π/2= sin(ωt) + jcos(ωt)    式16

e-jωt+π= -cos(ωt) + jsin(ωt)    式17 

设定正交信号的I路为cos相关，Q为sin相关，则经下变频后，输入解调器的信号可表示为：

x(t)ejωt= x(t)(cos(ωt) + jsin(ωt))

= I(t) + jQ(t)       式18

再根据式15、16、17，如果发生了频谱反转，信号会变化为：

x(t)e-jωt = I(t) - jQ(t)      式19

x(t)e-jwt+p/2 = Q(t) + jI(t)     式20  

x(t)e-jwt+p = -I(t) + jQ(t)      式21

由上面三个公式可以看出，在解调器基带处理部分我们只需采取对解调后得到的信号：取反Q路信号（式19）、交换I路和Q路信号（式20）或者取反I路信号（式21）信号，即可应对频谱反转问题，并恢复出原始数据信号，在实际系统中这些也是经常采用的方法。

五、 结语

当前的接收设备即解调器基本都支持对频谱反转的处理，但大多数需要人工预先根据系统情况进行设置。由上述分析可知频谱反转与否实际只和变频方式有关，只需确定各级变频中所采用的本振频率即可判定频谱是否被反转，并在解调器上进行相关设置，即可保证数据的正常接收。