基于FPGA的CCSDS自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)

王 樂 王成華 朱秋明 張小飛 劉偉強(qiáng) 孫澤洲 韓 宇

（1.南京航空航天大學(xué)雷達(dá)成像與微波光子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京，211106；2.南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，南京，211106；3.英國赫瑞瓦特大學(xué)工程與物理科學(xué)學(xué)院，愛丁堡，EH14 4AS；4.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京，100094）

引 言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（Consultative committee for space data systems,CCSDS）[1]作為一個權(quán)威性的國際空間組織，提出了適用于空間通信的各種通信協(xié)議和數(shù)據(jù)處理規(guī)范，反映了空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)最新技術(shù)發(fā)展動態(tài)。隨著中國航天事業(yè)的飛速發(fā)展，在深空探測領(lǐng)域逐漸采用CCSDS標(biāo)準(zhǔn)，對深空探測活動的發(fā)展具有積極的推動作用。鄰近空間鏈路協(xié)議(Proximity-1 space link protocol)是空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會以常規(guī)在軌數(shù)據(jù)系統(tǒng)(COS)[2-3]與高級在軌數(shù)據(jù)系統(tǒng)(AOS)[4]為基礎(chǔ)開發(fā)的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，可以滿足深空探測任務(wù)高效的數(shù)據(jù)傳輸需求。

自適應(yīng)信號處理在無線移動通信領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛[5]，通過自適應(yīng)改變信號功率、信息速率和編碼調(diào)制方式等提高系統(tǒng)通信質(zhì)量。深空探測器測控通信距離遙遠(yuǎn)，與近地測控通信相比，信號的傳播衰減大、傳輸延時長，且信號的傳播環(huán)境復(fù)雜[6]。深空通信的信道狀況存在時變性，如果數(shù)據(jù)傳輸方式保持不變，通信系統(tǒng)無法適應(yīng)信道狀況的改變，通信質(zhì)量會受到影響。自適應(yīng)傳輸策略則可以根據(jù)信道在時域、頻域等方面的變化特性，自適應(yīng)的調(diào)整傳輸參數(shù)，使系統(tǒng)在信道質(zhì)量較好時以較快的數(shù)據(jù)速率傳輸；在信道質(zhì)量差時提升數(shù)據(jù)抗干擾的能力，降低系統(tǒng)誤碼率，提高通信質(zhì)量[7]。航天器測控通信（C&T）分系統(tǒng)使用小型化數(shù)字深空應(yīng)答機(jī)，可以把發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、編碼與調(diào)制以及控制功能進(jìn)行集成。數(shù)字通信領(lǐng)域的軟件無線電技術(shù)通過使用編程能力強(qiáng)的FPGA或DSP器件可以進(jìn)行應(yīng)答機(jī)的通用化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信功能。

本文依據(jù)CCSDS制定的鄰近空間通信鏈路協(xié)議，結(jié)合已有的鄰近空間自適應(yīng)傳輸策略實(shí)現(xiàn)方案[8]，設(shè)計(jì)符合協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的碼速率自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)，通過FPGA硬件電路對該方案進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，最后對硬件平臺的資源消耗進(jìn)行比較分析。

1 基于CCSDS協(xié)議的系統(tǒng)方案

1.1 CCSDS傳輸協(xié)議

鄰近空間通信鏈路指的是短距離、雙向、固定或移動的無線鏈路，有著時延短、信號能量中等（非微弱信號）、會話簡短且功能獨(dú)立等特征[9]。鄰近空間鏈路（Proximity-1）通信協(xié)議是一個雙向的鏈路層協(xié)議[10]。鄰近空間鏈路協(xié)議在通信過程中支持實(shí)時調(diào)整傳輸參數(shù)[11]，采取先握手設(shè)置參數(shù)后通信的方式。自適應(yīng)調(diào)整傳輸參數(shù)后，通信雙方會重新發(fā)起握手過程，恢復(fù)中斷的通信鏈路。依據(jù)CCSDS-211鄰近空間鏈路協(xié)議，器間通信協(xié)議發(fā)射、接收單元可分為物理層、編碼同步子層和數(shù)據(jù)鏈路層。其中，物理層定義了器間通信鏈路的頻段分配、握手過程、極化方式、調(diào)制方式、數(shù)據(jù)速率以及系統(tǒng)相關(guān)性能指標(biāo)[12]。編碼同步子層定義的相關(guān)功能包括數(shù)據(jù)單元格式（如PLTU）、交互支持所需的編碼與同步機(jī)制等[13]。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的功能是為發(fā)射、接收機(jī)之間發(fā)送用戶數(shù)據(jù)、狀態(tài)報(bào)告、控制命令等提供支持，根據(jù)具體功能不同又可以分為幀子層、介質(zhì)訪問控制子層、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)子層和輸入輸出接口子層[14]。鄰近空間通信系統(tǒng)各層與數(shù)據(jù)和控制流之間的相互作用如圖1所示。

本文介紹的CCSDS自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)依據(jù)鄰近空間鏈路協(xié)議劃分為物理層、編碼同步子層和數(shù)據(jù)鏈路層。在系統(tǒng)發(fā)射端，數(shù)據(jù)鏈路層通過編碼同步子層和物理層來傳輸數(shù)據(jù)；在系統(tǒng)接收端，數(shù)據(jù)鏈路層從物理層接收串行輸出數(shù)據(jù)，再通過編碼同步子層進(jìn)行驗(yàn)證，并處理接收到的協(xié)議數(shù)據(jù)單元。

圖1 鄰近空間鏈路分層協(xié)議模型Fig.1 Layered model for Proximity-1 space link protocol

1.2 系統(tǒng)方案及流程

鄰近空間通信系統(tǒng)的協(xié)議收發(fā)單元既可以控制本地發(fā)射、接收機(jī)的工作狀態(tài)，也可以通過鄰近空間鏈路向遠(yuǎn)程通信伙伴報(bào)告本地狀態(tài)，或者控制遠(yuǎn)程通信協(xié)議收發(fā)單元發(fā)射、接收機(jī)的工作狀態(tài)。鄰近空間通信系統(tǒng)的協(xié)議收發(fā)單元如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)傳輸協(xié)議收發(fā)單元Fig.2 Adaptive transmission protocol transceiver unit

鄰近空間通信鏈路中，協(xié)議收發(fā)單元的接收機(jī)基帶處理單元接收同步后的數(shù)據(jù)信息，同時對信號進(jìn)行信噪比估計(jì)，將信噪比估計(jì)值與參考值進(jìn)行比較，判定出最佳的自適應(yīng)速率，并將判定結(jié)果反饋給發(fā)射機(jī)基帶處理單元進(jìn)行監(jiān)督協(xié)議數(shù)據(jù)單元組幀。協(xié)議收發(fā)單元的發(fā)射機(jī)基帶處理單元在協(xié)議數(shù)據(jù)幀傳輸結(jié)束后將切換工作模式，暫停傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)幀，轉(zhuǎn)而發(fā)送監(jiān)督協(xié)議數(shù)據(jù)幀。同時，監(jiān)督協(xié)議數(shù)據(jù)幀也會傳輸給接收機(jī)基帶處理單元。

遠(yuǎn)程接收機(jī)基帶處理單元通過提取狀態(tài)控制字獲取數(shù)據(jù)速率等信息。本地協(xié)議收發(fā)單元的接收機(jī)基帶處理單元通過提取監(jiān)督協(xié)議數(shù)據(jù)幀的狀態(tài)控制字，改變接收速率。數(shù)據(jù)速率恢復(fù)匹配后，發(fā)射機(jī)基帶處理單元依次從“僅有載波”轉(zhuǎn)換到發(fā)送“空閑數(shù)據(jù)”，重新啟動“握手”過程，恢復(fù)中斷的通信鏈路，進(jìn)入“用戶數(shù)據(jù)”傳輸。

本文自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)基于鄰近空間鏈路分層協(xié)議模型，實(shí)現(xiàn)CCSDS標(biāo)準(zhǔn)建議的鄰近空間鏈路通信協(xié)議。系統(tǒng)的工作方式為全雙工，采用的編碼方式為循環(huán)冗余編碼（CRC-32）、卷積編碼（2,1,7），卷積解碼方式為Viterbi譯碼，調(diào)制方式為PCM/PM，支持12檔數(shù)據(jù)傳輸速率，鏈路提供不大于1×10-6的比特誤碼率。通信雙方依據(jù)上述CCSDS協(xié)議流程進(jìn)行握手，采用先握手后通信的方式，支持通信過程中實(shí)時調(diào)整傳輸參數(shù)，符合CCSDS-211鄰近空間鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

2 自適應(yīng)速率算法及FPGA實(shí)現(xiàn)

2.1 信號檢測

協(xié)議收發(fā)單元的接收機(jī)在整個鄰近空間自適應(yīng)通信傳輸中需要對接收信號進(jìn)行變頻處理和同步解調(diào)的操作，接收機(jī)同步解調(diào)的性能對通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量十分重要。在對接收信號進(jìn)行同步解調(diào)之前，也需要對前級信號進(jìn)行合理的檢測，來提高接收機(jī)的工作性能。通過檢測不同通信環(huán)境下信道的質(zhì)量來控制接收機(jī)的關(guān)閉和開啟，不僅可以降低通信設(shè)備的功耗，在進(jìn)行信道估計(jì)時也可以提供判斷的依據(jù)。信號檢測方案如圖3所示。

使用可編程邏輯器件FPGA進(jìn)行數(shù)字信號處理，往往會引入直流偏置，需要在數(shù)字端進(jìn)行直流偏置的補(bǔ)償[15]。消除接收信號的直流分量后，噪聲能量相對于信號能量較小，選取的信號門限值只要介于噪聲能量和信號能量之間即可。當(dāng)信號的能量P(X)大于門限值β時，認(rèn)為此時接收到的信號是有效信號；當(dāng)P(X)小于β時，認(rèn)為此時接收到的信號不是有效信號。

圖3 信號檢測方案Fig.3 Signal detection scheme

2.2 信道估計(jì)

本文中的自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)是一個穩(wěn)定的無外界信道環(huán)境影響的閉環(huán)全雙工自適應(yīng)系統(tǒng)，通過估計(jì)當(dāng)前的信道環(huán)境質(zhì)量選擇合適的傳輸速率，所以需要實(shí)時估計(jì)接收信號的信噪比。其中，可調(diào)數(shù)字衰減器用于模擬鄰近空間鏈路環(huán)境下通信信道傳播衰減，簡化原理如圖4所示。數(shù)字步進(jìn)衰減器的控制單元是一個6 Bit的串行控制接口，提供的衰減范圍最大為31.5 dB，步進(jìn)為0.5 dB。信號衰減后功率減小，噪聲功率基本保持不變，于是信噪比降低，信道估計(jì)的信噪比動態(tài)范圍將擴(kuò)大。

圖4 數(shù)字衰減器簡化原理圖Fig.4 Simplified schematic diagram of digital attenuator

平方信號與噪聲方差估計(jì)（Squared signal to noise variance,SNV）算法[16]是在PSK信號中進(jìn)行推導(dǎo)以及應(yīng)用的，若對PCM/PM信號進(jìn)行線型近似，SNV信噪比估計(jì)算法同樣可以應(yīng)用在PCM/PM系統(tǒng)中。

數(shù)據(jù)擬合（Data fitting,DF）估計(jì)算法[17]使用接收信號的計(jì)算統(tǒng)計(jì)量z的多項(xiàng)式逼近信噪比λ。通過確定信噪比的估計(jì)范圍，本方案中λ∈[-5,12]dB，使用函數(shù)polyfit得到λ關(guān)于z的多次項(xiàng)表達(dá)式。在復(fù)信道情況下，假設(shè)接收信號都是各態(tài)歷經(jīng)的，噪聲為加性高斯白噪聲。統(tǒng)計(jì)平均的數(shù)據(jù)長度K取100，進(jìn)行1 000次信噪比估計(jì)求其平均數(shù)值。

在[-10,25]dB范圍內(nèi)對SNV算法的均值及標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行仿真。當(dāng)信噪比的數(shù)值提高時，SNV算法的均值以及標(biāo)準(zhǔn)差都會變好。SNV定點(diǎn)化估計(jì)在信噪比大于10 dB時，其估計(jì)均值和真實(shí)值極其接近，僅標(biāo)準(zhǔn)差略微有所增大，能夠滿足系統(tǒng)信噪比估計(jì)的需求；而當(dāng)信噪比小于5 dB時，信噪比估計(jì)誤差較為明顯。

在[-5,25]dB范圍內(nèi)對DF算法的均值及標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行仿真。在信噪比處于[0,10]dB時，3階多項(xiàng)式數(shù)據(jù)擬合估計(jì)（DF-3）估計(jì)性能可以滿足系統(tǒng)要求；2階多項(xiàng)式數(shù)據(jù)擬合估計(jì)（DF-2）估計(jì)性能相對較差，但可以粗略滿足估測信噪比范圍的要求。

SNV估計(jì)算法在信噪比低于5 dB時估計(jì)性能較差，但在5 dB以上時其估計(jì)性能與M2M4估計(jì)算法接近[18]。DF估計(jì)算法在信噪比處于[0,10]dB時可以用2階多項(xiàng)式或3階多項(xiàng)式代替5階多項(xiàng)式，估計(jì)性能滿足系統(tǒng)需求，算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度也較低。

本文中自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)采用SNV和DF估計(jì)算法相結(jié)合的分段估計(jì)方法，其基本原理如圖5所示。首先使用復(fù)雜度相對較低的2階多項(xiàng)式數(shù)據(jù)擬合估計(jì)信噪比范圍。當(dāng)信噪比小于10 dB時，采用3階多項(xiàng)式數(shù)據(jù)擬合估計(jì)；信噪比大于10 dB時，采用平方信號與噪聲方差估計(jì)。SNV和DF分段估計(jì)法不僅實(shí)現(xiàn)難度較低，硬件資源消耗也相對較少，同時在信噪比估計(jì)精度方面也符合系統(tǒng)性能需求。

SNV和DF分段估計(jì)信噪比均值分布圖如圖6所示。從圖6可以看出，在[0,25]dB的信噪比范圍內(nèi)，SNV和DF分段估計(jì)法估計(jì)均值和真實(shí)值趨于一致，滿足系統(tǒng)信噪比估計(jì)要求，也驗(yàn)證了SNV和DF分段估計(jì)法的可行性。

圖5 SNV和DF分段估計(jì)原理圖Fig.5 Schematic diagram of SNV and DF piecewise estimation

圖6 SNV和DF分段估計(jì)信噪比均值Fig.6 SNR mean of SNV and DF piecewise estimation

2.3 自適應(yīng)速率估計(jì)

本文重點(diǎn)驗(yàn)證鄰近空間通信系統(tǒng)常用的PCM/PM調(diào)制方式。鄰近空間通信鏈路支持以下12個固定的前向、反向數(shù)據(jù)傳輸速率：1,2,…,2 048 Kb/s，鄰近空間通信系統(tǒng)的誤碼率要求為1×10-6。假設(shè)信道噪聲為加性高斯白噪聲，復(fù)信道情況下誤碼率與輸出信噪比的變化關(guān)系如圖7所示。從仿真圖中可以看出，系統(tǒng)誤碼率要求滿足1×10-6時，輸出信噪比門限值為15.5 dB（不考慮糾錯編碼）。

圖7 誤碼率與輸出信噪比變化關(guān)系Fig.7 Relationship between BER and output SNR

數(shù)據(jù)傳輸速率不同，通過信道估計(jì)得出的輸出信噪比不同。通過式（1,2）可以分析碼元速率與輸出信噪比之間的關(guān)系為

式中：S表示信號平均功率；N表示噪聲平均功率；N0表示單邊噪聲功率譜密度；B表示信號帶寬；k表示比特?cái)?shù)；Eb表示信號比特能量；Ts表示碼元時間寬度。S/N為信號功率與噪聲功率之比，即匹配濾波后信道估計(jì)的輸出信噪比。Eb/N0為信號比特能量與噪聲功率譜密度之比。鄰近空間通信鏈路依據(jù)Eb/N0自適應(yīng)調(diào)整碼元速率。通過S/N和Eb/N0的關(guān)系可知，信號碼元速率相差2倍時，信道估計(jì)的輸出信噪比將相差3 dB。

仿真信號的信噪比分別為10 dB和19.8 dB，估計(jì)過程中每1 024個點(diǎn)計(jì)算一個信噪比值。當(dāng)信號信噪比為10 dB時，采用DF-3估計(jì)法，輸出信噪比是10 dB；當(dāng)信號信噪比為19.8 dB時，采用SNV估計(jì)法，輸出信噪比也在19.8 dB左右，驗(yàn)證了使用SNV和DF分段估法進(jìn)行信噪比估計(jì)的正確性。

圖8 碼速率自適應(yīng)調(diào)整硬件仿真Fig.8 Hardware simulation of symbol rate adaptive adjustment

3 系統(tǒng)實(shí)測及結(jié)果分析

碼速率自適應(yīng)傳輸過程中，對接收信號進(jìn)行實(shí)時估計(jì)，將信道估計(jì)得出的輸出信噪比與門限值進(jìn)行比較。通過計(jì)算輸出信噪比與門限值之間的差值，當(dāng)差值為正且大于3 dB時，升高信號碼元速率；當(dāng)差值為負(fù)且絕對值大于3 dB時，降低信號碼元速率。本文中自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)采用碼速率直接切換的方式，相差3 dB對應(yīng)切換一檔數(shù)據(jù)速率，直接切換至相應(yīng)的碼元速率。最終輸出信噪比與門限值之間的差值縮小在3 dB以內(nèi)，在滿足系統(tǒng)誤碼率要求的同時數(shù)據(jù)傳輸速率調(diào)整至最佳狀態(tài)。

碼速率自適應(yīng)調(diào)整過程如圖9所示。從圖9可看出，當(dāng)輸出信噪比35.8 dB時，和15.5 dB相差20.3 dB，提升至最高速率檔，自適應(yīng)速率變?yōu)? 048 Kb/s。自適應(yīng)速率鎖定后，狀態(tài)變?yōu)椤?”，將結(jié)果回傳到本地發(fā)射機(jī)完成監(jiān)督協(xié)議數(shù)據(jù)幀組幀。自適應(yīng)反饋信號變成高電平，本地發(fā)射機(jī)從發(fā)送單載波到發(fā)送協(xié)議數(shù)據(jù)幀，完成碼速率自適應(yīng)調(diào)整，發(fā)射信號波形如圖10所示。

圖9 碼速率自適應(yīng)調(diào)整過程Fig.9 Process of symbol rate adaptive adjustment

圖10 碼速率自適應(yīng)調(diào)整發(fā)射信號波形Fig.10 Transmitted waveform of symbol rate adaptive adjustment

PCM/PM調(diào)制體制下，系統(tǒng)誤碼率測試統(tǒng)計(jì)時長為30 s，碼元速率初始值為256 Kb/s。FPGA統(tǒng)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)時誤碼率如圖11所示。通過分析比較可以得出：固定速率傳輸時，系統(tǒng)誤碼率基本保持不變；通過碼速率自適應(yīng)調(diào)整傳輸參數(shù)，提升了傳輸數(shù)據(jù)抗干擾的性能，有效降低了系統(tǒng)誤碼率。

假設(shè)信道噪聲為加性高斯白噪聲，初始碼元速率為256 Kb/s，系統(tǒng)吞吐量仿真統(tǒng)計(jì)時長為10 s。自適應(yīng)調(diào)整碼速率和固定速率下系統(tǒng)吞吐量與輸出信噪比的變化關(guān)系如圖12所示。從圖中可以看出，自適應(yīng)調(diào)整碼速率時系統(tǒng)的吞吐量要比固定速率時系統(tǒng)的吞吐量性能更好。輸出信噪比低于門限值15.5 dB時，通信系統(tǒng)如果保持固定速率傳輸，信號的傳輸質(zhì)量會受到影響，系統(tǒng)的誤碼率較高；輸出信噪比趨近于門限值或者高于門限值時，由于保持固定速率傳輸，碼元速率較低，通信系統(tǒng)的效率會受到影響。通信系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)整碼速率，輸出信噪比低于門限值時，系統(tǒng)自動降低碼元速率以保證信號的傳輸質(zhì)量；輸出信噪比趨近于門限值時，與固定速率傳輸時吞吐量相似；輸出信噪比高于門限值時，系統(tǒng)自動升高碼元速率，使通信系統(tǒng)的效率提高，并且能夠保持較低的誤碼率。

本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)的硬件平臺以Xilinx Kintex-7 FPGA芯片為核心，在協(xié)議收發(fā)單元內(nèi)通過信號反饋完成速率自適應(yīng)。與文獻(xiàn)[18]進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。通過對系統(tǒng)的性能對比分析可知：本文介紹的FPGA通信平臺通過增加較少的資源消耗，使系統(tǒng)的誤碼率、吞吐量性能與其相似，并且不需要協(xié)議層軟件控制碼速率自適應(yīng)切換，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)更簡單。

圖11 系統(tǒng)實(shí)時誤碼率Fig.11 Real time BER of the system

圖12 吞吐量與輸出信噪比關(guān)系（Rb=256 Kb/s）Fig.12 Relationship between the throughput and output SNR(Rb=256 Kb/s)

表1 FPGA通信平臺性能比較Tab.1 Performance comparison of FPGA communication platform

4 結(jié)束語

鄰近空間鏈路通信協(xié)議是一個應(yīng)用于空間探測任務(wù)的雙向通信協(xié)議，可以滿足深空探測任務(wù)高效數(shù)據(jù)傳輸需求。CCSDS鄰近空間鏈路協(xié)議在通信過程中支持實(shí)時調(diào)整傳輸參數(shù)，所以碼速率自適應(yīng)策略符合CCSDS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。本文結(jié)合鄰近空間鏈路通信協(xié)議的要求，以信道估計(jì)的信噪比作為衡量信道質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)一種符合CCSDS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的碼速率自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)方案，結(jié)合以Xilinx Kintex-7 FPGA芯片為核心的硬件實(shí)現(xiàn)平臺進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證。實(shí)測結(jié)果表明，在加性高斯白噪聲情況下系統(tǒng)可以實(shí)時估計(jì)0 dB以上信噪比，并且能夠?qū)崿F(xiàn)碼速率自適應(yīng)調(diào)整。相比于固定速率傳輸，碼速率自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)的誤碼率和吞吐量性能都有了提升。碼速率自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)方案能較好地解決深空通信環(huán)境下使用固定速率進(jìn)行信息傳輸通信質(zhì)量差和系統(tǒng)效率低的問題，在滿足系統(tǒng)誤碼率要求的前提下調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率至最佳狀態(tài)，可以為深空通信數(shù)字應(yīng)答機(jī)的設(shè)計(jì)提供有益參考。