衛(wèi)星可變編碼調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

靳凡 鄭小松 張雨 李虎 張偉

(西安空間無(wú)線電技術(shù)研究所，西安 710071)

對(duì)于低軌衛(wèi)星，從衛(wèi)星進(jìn)入地面站開始接收數(shù)據(jù)到衛(wèi)星離開地面站的整個(gè)傳輸過(guò)程中，隨著仰角的變化，衛(wèi)星距地面站的距離在不斷發(fā)生變化，帶來(lái)的路徑損耗變化在10 dB以上。而在傳統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于采用恒定的編碼方式和調(diào)制方式，這部分由路徑損耗減小帶來(lái)的系統(tǒng)余量并沒有被充分利用[1]。

可變編碼調(diào)制系統(tǒng)(VCM)具備改變編碼方式、調(diào)制方式、信息速率的能力，可以根據(jù)鏈路傳輸距離的改變，程控地改變傳輸參數(shù)，充分利用高仰角時(shí)的鏈路余量，在保證鏈路可靠性的前提下，提升傳輸效率[2]。相較于自適應(yīng)編碼調(diào)制系統(tǒng)(ACM)，工程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不需要反饋鏈路，更加適用于低軌衛(wèi)星。

從可變編碼調(diào)制系統(tǒng)的思想提出后，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展已進(jìn)入成熟狀態(tài)，在地面無(wú)線系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，在衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用也逐漸展開。2005年歐洲數(shù)字視頻廣播組織發(fā)布的第二代數(shù)字衛(wèi)星廣播標(biāo)準(zhǔn)(DVB-S2)[3]已使用了該方案。與采用固定編碼調(diào)制的DVB-S[4]標(biāo)準(zhǔn)相比，DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)采用了多種信道編碼和調(diào)制的組合方案，能夠逐幀使用不同的信道編碼和調(diào)制方式。通過(guò)可變編碼調(diào)制技術(shù)，不同類型業(yè)務(wù)(標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視SDTV、高清電視HDTV、音頻等)可以使用各自的調(diào)制方式與編碼速率，即可以在同一個(gè)載波上對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)流使用不同的信道編碼級(jí)別和調(diào)制方式，使傳輸效率大大提高。

鑒于該技術(shù)的重要性和成熟度，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)分別于2012和2013年形成了131.2-B-1[5](基于SCCC方案)和131.3-B-1[6](基于DVB-S2方案)藍(lán)皮書標(biāo)準(zhǔn)。在解調(diào)譯碼設(shè)備方面，目前國(guó)際上推出的高速解調(diào)器已具備131.2-B-1、131.3-B-1兩種標(biāo)準(zhǔn)的解調(diào)能力，解調(diào)速率可達(dá)3 Gbit/s以上。我國(guó)國(guó)內(nèi)的高速解調(diào)器，對(duì)VCM的解調(diào)速率也達(dá)到了1.5 Gbit/s以上。因此，本文提出了一種具備工程實(shí)現(xiàn)條件的衛(wèi)星可變編碼調(diào)制系統(tǒng)。

1 方案設(shè)計(jì)

衛(wèi)星可變編碼調(diào)制系統(tǒng)作為能夠程控切換編碼調(diào)制方式的傳輸系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的固定編碼調(diào)制系統(tǒng)(CCM)相比，需要采用多個(gè)編碼方式和調(diào)制方式的組合，達(dá)到切換的目的。因此，對(duì)編碼調(diào)制方式的選擇、切換的依據(jù)、切換流程的控制等因素，都顯著影響著可變編碼調(diào)制系統(tǒng)的傳輸能力，本文將依次對(duì)以上因素進(jìn)行分析。

1.1 系統(tǒng)方案

衛(wèi)星可變編碼調(diào)制系統(tǒng)作為發(fā)送端，負(fù)責(zé)進(jìn)行編碼方式、調(diào)制方式的切換，有著至關(guān)重要的作用。其系統(tǒng)框圖如圖1所示，包括：切換控制、信道編碼、星座映射、組幀、成型濾波、DA變換、射頻調(diào)制、功率放大、天線發(fā)射等過(guò)程[7]。

圖1 可變編碼調(diào)制系統(tǒng)框圖Fig.1 System schematic of variable coding modulation

當(dāng)可變編碼調(diào)制系統(tǒng)接收到切換指令后，根據(jù)指令要求進(jìn)行對(duì)應(yīng)的編碼、映射、組幀、濾波后，通過(guò)射頻通道和天線發(fā)射出去。地面站接收后將射頻信號(hào)變?yōu)橹蓄l，并送入解調(diào)譯碼器進(jìn)行解調(diào)、均衡、譯碼后輸出數(shù)據(jù)，工作流程圖如圖2所示。

圖2 可變編碼調(diào)制系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 Workflow of variable coding modulation

1.2 編碼調(diào)制方式的選擇

在確定系統(tǒng)選用的時(shí)具體編碼調(diào)制方式之前，首先需要對(duì)其性能進(jìn)行仿真分析。根據(jù)DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)，可使用的編碼方式和調(diào)制方式如下：

(1)編碼方式，BCH-LDPC編碼，碼率1/4至9/10，共11種；

(2)調(diào)制方式，QPSK、8PSK、16APSK、32APSK，共4種。

本文使用軟件仿真的方式，對(duì)各編碼調(diào)制組合在高斯白噪聲信道下的性能進(jìn)行分析。部分編碼調(diào)制組合的誤比特性能如圖3所示。

在得出各編碼調(diào)制組合的性能后，還需要進(jìn)行一次篩選。在相同誤碼率下，將編碼調(diào)制組合的C/N0和頻譜效率進(jìn)行對(duì)比，繪制出如圖4所示的性能對(duì)比圖。

為優(yōu)化系統(tǒng)的頻譜效率，從中選出需要的載噪比(C/N0)高，而頻譜效率低的組合(如圖4中虛線的2種組合)，將其剔除。因此，保留下來(lái)的編碼調(diào)制組合，在其對(duì)應(yīng)的C/N0值上，頻譜效率已達(dá)到最優(yōu)。將這些編碼調(diào)制組合按C/N0值從小到大的順序，記為MC(1),MC(2),…,MC(k)，其對(duì)應(yīng)的C/N0值記為MC(1)[C/N0],MC(2)[C/N0],…,MC(k)[C/N0]，這里定義集合A={MC(1)[C/N0],MC(2)[C/N0], …,MC(k)[C/N0]}。

圖3 編碼調(diào)制組合性能仿真結(jié)果Fig.3 BER(Bit Error Ratio) performance of Modcod(method of Modulation and Coding)

圖4 編碼調(diào)制組合的C/N0和頻譜效率對(duì)比Fig.4 Modcod spectral efficiencies versus C/N0

1.3 切換門限的選擇

可變編碼調(diào)制系統(tǒng)涉及到多種編碼調(diào)制方式的動(dòng)態(tài)切換，其目的是根據(jù)當(dāng)前鏈路情況，選擇最佳的編碼調(diào)制方式。因此切換門限的確定，很大程度的影響著系統(tǒng)的傳輸能力和可靠性。

通常直接使用鏈路的C/N0值，作為切換門限選擇的依據(jù)。同時(shí)，為保證鏈路的可靠性，引入了門限移位和延遲切換技術(shù)[8]。

(1)門限移位技術(shù)，即在理論C/N0切換門限的基礎(chǔ)上，增加一定的鏈路冗余，從而保證傳輸可靠性，適用于可變編碼調(diào)制系統(tǒng)和自適應(yīng)編碼調(diào)制系統(tǒng)。

(2)延遲切換技術(shù)，即考慮到鏈路的突變情況，增加一定的切換延遲，從而避免編碼調(diào)制方式頻繁切換的問(wèn)題，適用于自適應(yīng)編碼調(diào)制系統(tǒng)。

鑒于本文的應(yīng)用場(chǎng)景，使用了門限移位技術(shù)，通常衛(wèi)星鏈路的余量取3 dB以上。

1.4 系統(tǒng)切換流程設(shè)計(jì)

在確定了備選的編碼調(diào)制組合，并明確了切換門限的選擇后，需要進(jìn)行對(duì)傳輸鏈路進(jìn)行鏈路預(yù)算。通過(guò)文獻(xiàn)[9]可知

EEb/No=EEIRP+Qr+Gc-r-Rc-L-

M+228.6

(1)

EEb/No=CC/N0-Rc

(2)

將式(2)代入式(1)可得

CC/N0=EEIRP+Qr+Gc-r-L-M+228.6

(3)

式中：EEb/No和CC/N0分別為接收所需信噪比和載噪比；EEIRP為發(fā)射天線等效全向輻射功率；Qr為接收端品質(zhì)因數(shù)；Gc為編碼增益；r為編碼碼率；Rc為編碼后速率；L為鏈路傳輸損耗；M為系統(tǒng)余量，以上均為對(duì)數(shù)值，單位為dB。

在此，使用式(3)進(jìn)行鏈路預(yù)算。需要注意的是，與通常的鏈路計(jì)算不同，這里需要計(jì)算鏈路各個(gè)時(shí)刻(即從衛(wèi)星入站到衛(wèi)星出站的全過(guò)程)的C/N0值，而不是僅僅對(duì)其最差情況進(jìn)行計(jì)算。

由于鏈路的接收載噪比連續(xù)變化，在實(shí)現(xiàn)上需要對(duì)其進(jìn)行離散化處理。設(shè)衛(wèi)星在一軌中鏈路的傳輸時(shí)間為T，以T/n為時(shí)間間隔對(duì)鏈路進(jìn)行預(yù)算，預(yù)算結(jié)果記為t(1)[C/N0],t(2)[C/N0],…,t(n)[C/N0]。則系統(tǒng)切換的流程的設(shè)計(jì)過(guò)程可以轉(zhuǎn)換為：在i時(shí)刻，尋找合適的MC(j)，使得

(1)MC(j)[C/N0]≤t(i)[C/N0]；其中i=1, 2, …,n；j=1, 2, …,k

(2)MC(j)是集合A中滿足條件(1)的極大值

將i時(shí)刻選擇的編碼調(diào)制方式對(duì)應(yīng)的傳輸速率記為R(i)，可得系統(tǒng)的平均傳輸速率為

(4)

同時(shí)，系統(tǒng)切換流程的設(shè)計(jì)還需考慮工程實(shí)現(xiàn)條件的約束。通常，系統(tǒng)中使用的編碼調(diào)制組合數(shù)量越多，在隨信道環(huán)境的變化而進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，各個(gè)組合之間的過(guò)渡就越平滑，鏈路傳輸效率就越高。然而，組合數(shù)量越多，系統(tǒng)的復(fù)雜性就越高，工程實(shí)現(xiàn)的難度增大。而且當(dāng)組合數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)再增加，對(duì)鏈路傳輸效率的提升幅度也逐漸減小。因此，系統(tǒng)切換流程的設(shè)計(jì)還需要在鏈路性能和系統(tǒng)復(fù)雜度之間進(jìn)行折中。主要有2個(gè)原則：①C/N0值變化范圍盡量大；②實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度盡量低。

基于以上分析，本文最終選擇了3種編碼調(diào)制方式，如表1所示。

表1 采用的編碼調(diào)制方式Table 1 Modcod adopted

1.5 物理層幀格式

可變編碼調(diào)制系統(tǒng)要求接收端可以自主識(shí)別發(fā)送信息的編碼調(diào)制方式，從而進(jìn)行對(duì)應(yīng)的解調(diào)譯碼，且在切換過(guò)程中不丟失數(shù)據(jù)，因此引入了物理層幀的概念，其幀結(jié)構(gòu)如圖5，包括幀頭、信息數(shù)據(jù)、導(dǎo)頻等部分。

圖5 可變編碼調(diào)制物理層幀結(jié)構(gòu)Fig.5 Format of physical layer frame in VCM

物理層幀的單位為符號(hào)，傳輸時(shí)將90個(gè)符號(hào)分為一組，對(duì)不同調(diào)制方式的分組數(shù)量不同。對(duì)傳輸幀各部分要求如下。

(1)幀頭：使用π/2 BPSK調(diào)制方式，占一組。幀頭由2部分組成，第1部分為固定數(shù)據(jù)，占26個(gè)符號(hào)；第2部分為編碼調(diào)制方式信息，占64 bit。

(2)信息數(shù)據(jù)：占16 200 bit，使用幀頭中指定的編碼、調(diào)制方式。

由物理層幀格式可以看出，接收端在收到調(diào)制信號(hào)后，先對(duì)幀頭信息進(jìn)行解調(diào)譯碼后即可得出信息數(shù)據(jù)的編碼調(diào)制方式，從而對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)解調(diào)譯碼。

1.6 可變編碼調(diào)制器的設(shè)計(jì)

針對(duì)上文可變編碼調(diào)制方案，設(shè)計(jì)的可變編碼調(diào)制器采用了X頻段微波直接矢量調(diào)制技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的中頻調(diào)制，大大降低了單機(jī)復(fù)雜度和質(zhì)量。微波直接矢量調(diào)制原理框圖[10]和可變編碼調(diào)制器原理框圖如圖6、圖7，其中可變編碼調(diào)制器由供電電路、基帶處理電路、微波調(diào)制電路組成。

可變編碼調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)結(jié)果如圖8。經(jīng)測(cè)試，可變編碼調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了編碼調(diào)制組合的逐幀可變要求，在X頻段有限的帶寬內(nèi)，最高傳輸速率可達(dá)1.2 Gbit/s。同時(shí)，完成了相應(yīng)測(cè)試試驗(yàn)，可以滿足衛(wèi)星環(huán)境使用要求。

圖6 微波直接矢量調(diào)制原理框圖Fig.6 Principle of direct vector modulation

圖7 可變編碼調(diào)制器原理框圖Fig.7 Principle of VCM modulator

圖8 可變編碼調(diào)制器實(shí)現(xiàn)結(jié)果Fig.8 Results of VCM modulator

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2019年底，高分七號(hào)衛(wèi)星完成了國(guó)內(nèi)首次的衛(wèi)星可變編碼調(diào)制系統(tǒng)在軌試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖9所示，包括衛(wèi)星發(fā)射部分和地面接收部分,其中發(fā)射部分包括基帶處理、射頻調(diào)制和發(fā)射天線等；接收部分包括接收天線、低噪放、下變頻、中頻解調(diào)和數(shù)據(jù)處理設(shè)備等。

圖9 在軌試驗(yàn)驗(yàn)證框圖Fig.9 Principle of onboard verification

在軌試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如表2所示。可以看出，衛(wèi)星在軌測(cè)試的誤碼率均為0，編碼調(diào)制方式切換時(shí)不丟幀、無(wú)誤碼，C/N0值以約2 dB為一檔依次變化，傳輸速率相對(duì)于固定編碼調(diào)制提升了30%，與設(shè)計(jì)指標(biāo)一致。

表2 在軌試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果Table 2 Results of onboard verification

同時(shí)，根據(jù)在軌試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可知，目前的3檔編碼調(diào)制方式，對(duì)鏈路余量的使用尚不充分，仍有6 dB以上的鏈路余量未能利用。后續(xù)可增加頻譜效率更高的編碼調(diào)制方式，進(jìn)一步提升系統(tǒng)傳輸速率。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文討論了可變編碼調(diào)制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r和現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)大數(shù)據(jù)量星地?cái)?shù)據(jù)傳輸需求，為實(shí)現(xiàn)鏈路余量與傳輸速率的合理匹配，設(shè)計(jì)了衛(wèi)星可變編碼調(diào)制的系統(tǒng)方案，對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了編碼調(diào)制組合的逐幀可變要求，在X頻段有限的帶寬內(nèi)，使單通道最高傳輸速率達(dá)到了1.2 Gbit/s。同時(shí)，在軌試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，可變編碼調(diào)制系統(tǒng)的傳輸速率相對(duì)于固定編碼調(diào)制提升了30%，顯著提升了高分七號(hào)衛(wèi)星的星地?cái)?shù)據(jù)傳輸能力，為后續(xù)可變編碼調(diào)制系統(tǒng)在衛(wèi)星中的大規(guī)模應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)參考。