衛星可變編碼調制系統設計與驗證

靳凡 鄭小松 張雨 李虎 張偉

(西安空間無線電技術研究所，西安 710071)

對于低軌衛星，從衛星進入地面站開始接收數據到衛星離開地面站的整個傳輸過程中，隨著仰角的變化，衛星距地面站的距離在不斷發生變化，帶來的路徑損耗變化在10 dB以上。而在傳統衛星數據傳輸系統設計中，由于采用恒定的編碼方式和調制方式，這部分由路徑損耗減小帶來的系統余量并沒有被充分利用[1]。

可變編碼調制系統(VCM)具備改變編碼方式、調制方式、信息速率的能力，可以根據鏈路傳輸距離的改變，程控地改變傳輸參數，充分利用高仰角時的鏈路余量，在保證鏈路可靠性的前提下，提升傳輸效率[2]。相較于自適應編碼調制系統(ACM)，工程實現簡單，不需要反饋鏈路，更加適用于低軌衛星。

從可變編碼調制系統的思想提出后，經過多年發展已進入成熟狀態，在地面無線系統中得到了廣泛應用，在衛星傳輸系統中的應用也逐漸展開。2005年歐洲數字視頻廣播組織發布的第二代數字衛星廣播標準(DVB-S2)[3]已使用了該方案。與采用固定編碼調制的DVB-S[4]標準相比，DVB-S2標準采用了多種信道編碼和調制的組合方案，能夠逐幀使用不同的信道編碼和調制方式。通過可變編碼調制技術，不同類型業務(標準清晰度電視SDTV、高清電視HDTV、音頻等)可以使用各自的調制方式與編碼速率，即可以在同一個載波上對每個數據流使用不同的信道編碼級別和調制方式，使傳輸效率大大提高。

鑒于該技術的重要性和成熟度，空間數據系統咨詢委員會(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)藍皮書標準。在解調譯碼設備方面，目前國際上推出的高速解調器已具備131.2-B-1、131.3-B-1兩種標準的解調能力，解調速率可達3 Gbit/s以上。我國國內的高速解調器，對VCM的解調速率也達到了1.5 Gbit/s以上。因此，本文提出了一種具備工程實現條件的衛星可變編碼調制系統。

1 方案設計

衛星可變編碼調制系統作為能夠程控切換編碼調制方式的傳輸系統，與傳統的固定編碼調制系統(CCM)相比，需要采用多個編碼方式和調制方式的組合，達到切換的目的。因此，對編碼調制方式的選擇、切換的依據、切換流程的控制等因素，都顯著影響著可變編碼調制系統的傳輸能力，本文將依次對以上因素進行分析。

1.1 系統方案

衛星可變編碼調制系統作為發送端，負責進行編碼方式、調制方式的切換，有著至關重要的作用。其系統框圖如圖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、射頻調制、功率放大、天線發射等過程[7]。

圖1 可變編碼調制系統框圖Fig.1 System schematic of variable coding modulation

當可變編碼調制系統接收到切換指令后，根據指令要求進行對應的編碼、映射、組幀、濾波后，通過射頻通道和天線發射出去。地面站接收后將射頻信號變為中頻，并送入解調譯碼器進行解調、均衡、譯碼后輸出數據，工作流程圖如圖2所示。

圖2 可變編碼調制系統工作流程圖Fig.2 Workflow of variable coding modulation

1.2 編碼調制方式的選擇

在確定系統選用的時具體編碼調制方式之前，首先需要對其性能進行仿真分析。根據DVB-S2標準，可使用的編碼方式和調制方式如下：

(1)編碼方式，BCH-LDPC編碼，碼率1/4至9/10，共11種；

(2)調制方式，QPSK、8PSK、16APSK、32APSK，共4種。

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

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

為優化系統的頻譜效率，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，保留下來的編碼調制組合，在其對應的C/N0值上，頻譜效率已達到最優。將這些編碼調制組合按C/N0值從小到大的順序，記為MC(1),MC(2),…,MC(k)，其對應的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 編碼調制組合性能仿真結果Fig.3 BER(Bit Error Ratio) performance of Modcod(method of Modulation and Coding)

圖4 編碼調制組合的C/N0和頻譜效率對比Fig.4 Modcod spectral efficiencies versus C/N0

1.3 切換門限的選擇

可變編碼調制系統涉及到多種編碼調制方式的動態切換，其目的是根據當前鏈路情況，選擇最佳的編碼調制方式。因此切換門限的確定，很大程度的影響著系統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。同時，為保證鏈路的可靠性，引入了門限移位和延遲切換技術[8]。

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

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

鑒于本文的應用場景，使用了門限移位技術，通常衛星鏈路的余量取3 dB以上。

1.4 系統切換流程設計

在確定了備選的編碼調制組合，并明確了切換門限的選擇后，需要進行對傳輸鏈路進行鏈路預算。通過文獻[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為發射天線等效全向輻射功率；Qr為接收端品質因數；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為系統余量，以上均為對數值，單位為dB。

在此，使用式(3)進行鏈路預算。需要注意的是，與通常的鏈路計算不同，這里需要計算鏈路各個時刻(即從衛星入站到衛星出站的全過程)的C/N0值，而不是僅僅對其最差情況進行計算。

由于鏈路的接收載噪比連續變化，在實現上需要對其進行離散化處理。設衛星在一軌中鏈路的傳輸時間為T，以T/n為時間間隔對鏈路進行預算，預算結果記為t(1)[C/N0],t(2)[C/N0],…,t(n)[C/N0]。則系統切換的流程的設計過程可以轉換為：在i時刻，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時刻選擇的編碼調制方式對應的傳輸速率記為R(i)，可得系統的平均傳輸速率為

(4)

同時，系統切換流程的設計還需考慮工程實現條件的約束。通常，系統中使用的編碼調制組合數量越多，在隨信道環境的變化而進行調節時，各個組合之間的過渡就越平滑，鏈路傳輸效率就越高。然而，組合數量越多，系統的復雜性就越高，工程實現的難度增大。而且當組合數達到一定數量時再增加，對鏈路傳輸效率的提升幅度也逐漸減小。因此，系統切換流程的設計還需要在鏈路性能和系統復雜度之間進行折中。主要有2個原則：①C/N0值變化范圍盡量大；②實現復雜度盡量低。

基于以上分析，本文最終選擇了3種編碼調制方式，如表1所示。

表1 采用的編碼調制方式Table 1 Modcod adopted

1.5 物理層幀格式

可變編碼調制系統要求接收端可以自主識別發送信息的編碼調制方式，從而進行對應的解調譯碼，且在切換過程中不丟失數據，因此引入了物理層幀的概念，其幀結構如圖5，包括幀頭、信息數據、導頻等部分。

圖5 可變編碼調制物理層幀結構Fig.5 Format of physical layer frame in VCM

物理層幀的單位為符號，傳輸時將90個符號分為一組，對不同調制方式的分組數量不同。對傳輸幀各部分要求如下。

(1)幀頭：使用π/2 BPSK調制方式，占一組。幀頭由2部分組成，第1部分為固定數據，占26個符號；第2部分為編碼調制方式信息，占64 bit。

(2)信息數據：占16 200 bit，使用幀頭中指定的編碼、調制方式。

由物理層幀格式可以看出，接收端在收到調制信號后，先對幀頭信息進行解調譯碼后即可得出信息數據的編碼調制方式，從而對信息數據進行對應解調譯碼。

1.6 可變編碼調制器的設計

針對上文可變編碼調制方案，設計的可變編碼調制器采用了X頻段微波直接矢量調制技術，相較于傳統的中頻調制，大大降低了單機復雜度和質量。微波直接矢量調制原理框圖[10]和可變編碼調制器原理框圖如圖6、圖7，其中可變編碼調制器由供電電路、基帶處理電路、微波調制電路組成。

可變編碼調制器的實現結果如圖8。經測試，可變編碼調制器實現了編碼調制組合的逐幀可變要求，在X頻段有限的帶寬內，最高傳輸速率可達1.2 Gbit/s。同時，完成了相應測試試驗，可以滿足衛星環境使用要求。

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

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

圖8 可變編碼調制器實現結果Fig.8 Results of VCM modulator

2 試驗驗證

2019年底，高分七號衛星完成了國內首次的衛星可變編碼調制系統在軌試驗驗證，如圖9所示，包括衛星發射部分和地面接收部分,其中發射部分包括基帶處理、射頻調制和發射天線等；接收部分包括接收天線、低噪放、下變頻、中頻解調和數據處理設備等。

圖9 在軌試驗驗證框圖Fig.9 Principle of onboard verification

在軌試驗驗證結果如表2所示。可以看出，衛星在軌測試的誤碼率均為0，編碼調制方式切換時不丟幀、無誤碼，C/N0值以約2 dB為一檔依次變化，傳輸速率相對于固定編碼調制提升了30%，與設計指標一致。

表2 在軌試驗驗證結果Table 2 Results of onboard verification

同時，根據在軌試驗驗證結果可知，目前的3檔編碼調制方式，對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。后續可增加頻譜效率更高的編碼調制方式，進一步提升系統傳輸速率。

3 結束語

本文討論了可變編碼調制系統的發展狀況和現實意義。針對大數據量星地數據傳輸需求，為實現鏈路余量與傳輸速率的合理匹配，設計了衛星可變編碼調制的系統方案，對系統關鍵參數進行了分析，實現了編碼調制組合的逐幀可變要求，在X頻段有限的帶寬內，使單通道最高傳輸速率達到了1.2 Gbit/s。同時，在軌試驗驗證結果表明，可變編碼調制系統的傳輸速率相對于固定編碼調制提升了30%，顯著提升了高分七號衛星的星地數據傳輸能力，為后續可變編碼調制系統在衛星中的大規模應用提供了設計參考。