基于数字调制的高速数传发射机技术研究

韩 威，田瑞甫，陆卫强

(上海航天电子技术研究所，上海 201109)

0 引言

随着国内外遥感卫星和有效载荷技术的迅速发展，现代遥感卫星越来越具有全天候、全天时、高分辨率、宽观测带和短重访时间等特点。与此同时，星载遥感数据量和数据带宽正在突飞猛进，迫切需要更大容量、更高速率的自适应数据传输系统来完成数据的实时处理和传输。例如，Ikonos－2的码速率为320 Mb/s，Eros－B 的码速率为280 Mb/s，法国和意大利联合研制的Pleiades光学相机的码速率将达600 Mb/s。但是，国内在轨卫星中数传发射机的单通道数传速率均在160 Mb/s以下，而且调制模式单一，越来越难以满足星地高速数传的需要。因此，为了推动我国卫星系统和地面系统的技术进步，研究卫星高速数传技术有着十分重要的意义。

文中针对卫星高速数传的任务特点，首先提出了一种基于数字调制的高速数传发射机方案，简要地介绍了系统架构和工作原理，然后重点分析了核心器件和关键技术，并给出了相应的可用器件和技术方案。

1 设计方案

1.1 系统架构

图1给出了一种基于数字调制的高速数传发射机的系统架构。如图1所示，高速数据接口首先接收载荷数据处理器送来的高速数据流，随后将其送到编码调制器中完成载荷数据的编码调制，接着送入高速DAC芯片中完成中频调制，继而经上变频器变成射频信号，最后通过腔体带通滤波器、行波管功率放大器和微波天线发送出去。

图1 高速数传发射机系统结构Fig.1 System structure of high－speed data transmission transmitter

1.2 工作原理

编码调制器是基于数字调制的高速数传发射机的核心部分，其原理框图和外围接口如图2所示。编码调制器从功能层次上可以分为时钟管理、输入输出缓存、同步填充帧处理、信道编码、加扰、星座图映射、数字成形滤波、并行插值、中频调制和数字预失真几个模块。

图2 调制器工作原理框Fig.2 Functional block diagram of modulator

(1)时钟管理模块

高速DAC芯片接收外部输入时钟CLK，然后将分频后时钟CLK/N送入调制器的时钟管理模块。时钟管理模块通过相移功能消除输入时钟和采样时钟之间的固有传输延迟，并分频得到其他功能模块所需的时钟信号。

(2)输入输出缓存和同步填充帧处理

输入输出缓存模块实质上是一个FIFO单元，用于输入数据缓存和读写时钟隔离。由于写时钟使用前端输入时钟，而读时钟使用时钟管理单元送来的分频时钟，二者不同源且存在相位延迟，因此存在数据溢出的可能性。为了避免这种现象的发生，需在FIFO单元后端增加同步填充帧处理模块。

(3)信道编码和加扰

为了提高编码增益和降低传输错误概率，信道编码模块对输入数据进行高增益的信道编码;同时，为了避免全“0”、全“1”长码的出现，加扰模块使用伪随机序列对编码后数据进行加扰。

(4)星座映射

在星地通信过程中，不是每次数据传输都工作在最高传输速率，而应根据任务需求和信道状况选择合适的工作模式。这样不仅可优化整个系统的功耗，延长单机使用寿命，而且极大地提高了系统的灵活性。星座映射模块根据不同遥控指令，选择相应调制模式，并完成对加扰后数据的星座映射，生成I、Q两路数据并行输出。

(5)成形滤波与插值

成形滤波模块用于对映射后数据进行成形滤波，以消除码间干扰，提高频谱利用率;插值模块用于对不同速率的滤波后数据进行插值。

(6)中频调制

经过成形滤波之后的I、Q两路数据送入中频调制模块，完成数字中频调制。

(7)数字预失真

不同于传统调制方式，数字调制后信号波形包络的波动比较大，当这种高峰均比信号通过非线性的功率放大器时，极易造成信号的非线性失真。因此，数字预失真模块用于在数字域上对信号进行非线性补偿。

2 器件选用及关键技术研究

2.1 核心元器件选用

(1)高速串行收发器

高速串行收发器作为数传发射机前级的输入数据通道，电缆加工、安装与调试非常简单，同时极少的线对使得交叉备份实现简单，大大提高了系统的可靠性，是减轻单机重量的重要措施之一。此外，高速串行收发器大大降低了电源消耗，同时保留了数据速率的可拓展性。

目前，市面上唯一可获得的高速串行收发器是TI公司的 TLK2711－SP器件。它可支持 1.6～2.7 Gb/s传输速率，并提供高达2.16 Gb/s数据带宽，各项性能指标均满足高速数传发射机的使用要求，其发送器原理框图［1］如图3所示。

图3 TLK2711发送器原理框Fig.3 Principle diagram of TLK2711 transmitter

(2)高速DAC芯片

DAC芯片作为连接数字系统和模拟系统的桥梁，不仅要求快速、灵敏，而且线性误差、信噪比和增益误差等均要满足系统的要求。目前可以满足任务需求的宇航用高速DAC芯片仅有E2V公司的EV12DS130AGS器件，其工作原理［2］如图4所示。

EV12DS130AGS器件是一款12位3GS/s数模转换器，非常适合于任意波形发生器和宽带DDS等高端应用。该器件具有以下几个优点:①模拟输出带宽高达6 GHz;②功耗仅1.3 W，可显著降低电源模块的大小和重量;③输入端集成了4/2:1 MUX，可显著降低对FPGA I/O速度的限制。

图4 EV12DS130AGS器件工作原理框Fig.4 Principle diagram of EV12DS130AGS device

2.2 关键技术研究

2.2.1 高增益、低复杂度的信道编码技术

由于无线信道存在着干扰和衰落，在信息传输过程中不可避免地造成接收端出现误码，高增益的信道编码技术是降低误码率的有效手段。不同于传统编码方式，LDPC编码不仅具有接近香农限的纠错性能，而且采用全并行译码结构，易于硬件实现，因而在现代卫星通信中得到广泛应用。

根据CCSDS标准［3］，1/2码率LDPC编码适用于深空通信，而7/8码率LDPC编码适用于近地通信，因此文中采用符合CCSDS131－O－2规范的LDPC(8 160，7 136)缩短码。如图5所示，生成矩阵 G由7 154×7 154的单位阵和两列511×511的循环矩阵Bij组成，每列共14个循环子矩阵。每个子矩阵的各行均为上一行的循环右移，各列均为前一列的循环下移，因此各子矩阵均由第一行决定［4］。这种性质使得子矩阵可通过移位寄存器循环移位得到，便于编码器的并行处理，因而能获得更高的数据吞吐量。

图5 生成矩阵的结构示意Fig.5 Structure of generator matrix

图6给出了LDPC(8 160，7 136)编码器的工作原理框图。在每帧运算中，编码器读入7 136 bit数据，需添加18 bit全“0”数据构成1×7 154 bit待编码数据。编码开始后，在控制信号的作用下，编码器首先读取第一行子矩阵 B1，1，B1，2的首行数据，分别存放在两个独立的移位寄存器中。随后，输入的待编码数据依次与移位寄存器和校验位寄存器中数据进行异或运算，并将运算结果暂存于校验位寄存器;本次运算结束后，移位寄存器循环移位一次，下一位待编码数据重复上述计算过程。当移位寄存器循环移位510次，遍历过子矩阵每一行状态后，编码器再次读取第二行子矩阵 B2，1，B2，2的首行数据，开始新一轮循环运算。如此反复，直至511×14次运算结束后，本帧数据完成编码，将产生的校验数据送入缓存，随后清空校验位寄存器，为下一帧编码做好准备。

图6 编码器工作原理框Fig.6 Working principle diagram of encoder

2.2.2 基于并行查表的数字成型技术

卫星对地数传系统的特点是功率和频带均受限，为了有效利用信道，需要对发射信号进行频谱压缩，以便在消除码间串扰和达到最佳检测的前提下，大大提高频谱的利用率。频谱压缩可以通过成形滤波器来完成，在实际工程应用中通常采用升余弦滤波器。根据数字信号的最佳接收理论，当成形滤波器是升余弦滤波器时，发送端的成形滤波器和接收端的匹配滤波器应采用平方根升余弦滤波器，其频率响应特性如式(1)所示:

式中，α为滚降系数，且0≤α≤1;T为码元周期。

出于体积、功耗和精确性等方面原因，目前常采用数字成形滤波技术，一般方法有查表法和滤波器法。考虑到实时性、复杂度和滤波性能等因素，文中优先采用基于并行查表的高速数字成形技术［5］，即每次改变成形系数时，切换查找表中对应的存储数据，并在成形过程中，将需要成形的信号以比特流的方式并行输入成形滤波模块，之后按照成形系数和成形点前后的若干信号，直接查表得到成形数据，其工作原理如图7所示。

图7 基于并行查表的数字成型原理框Fig.7 Principle diagram of digital shaping based on parallel LUT

2.2.3 基带数字预失真技术

卫星信道的频谱资源日益紧张，迫切要求调制方式具有高频谱利用率。高阶调制方式(如16QAM、32APSK)可有效提高频谱利用率，但同时会造成射频信号出现非恒包络现象，这对功率放大器的线性度提出了较高要求。与此同时，为了高效地进行大功率输出，功率放大器通常工作在饱和区附近，此时呈现出明显的非线性特性［6］。当非恒包络信号通过非线性功放时会发生严重失真，造成带内误码率增高和邻道干扰。功率放大器线性化技术被用于解决上述矛盾，其目的是使放大器在保持输出功率和效率达到最高时仍具有良好的线性特性。

传统线性化技术有功率回退、前馈法和负反馈法等，同传统方法相比，数字预失真技术无论在线性化性能还是在效率上都占据明显优势。根据实现算法的不同，数字化预失真技术分为查找表和模型辨识两类。同查找表法相比，模型辨识法收敛速度快，模型灵活，拟合精度高，因此得到了越来越广泛的应用。目前一般使用自适应数字预失真系统［7］进行模型辨识，但是直接预失真结构并不适用于卫星通信，原因有两个:一方面，星上资源分配本就紧张，而直接预失真结构复杂度高，计算量大，需要消耗大量资源;另一方面，根据工程经验，功放特性曲线随环境温度、器件老化等因素的变化并不大，一般仅需考虑特性曲线在寿命初期和末期两种情况下的差异。因此，文中优先选用开环间接学习结构，即数传发射机先发送训练序列，由地面站对功放的非线性传输模型进行辨识，并将模型参数上传到卫星上，最后数传发射机根据相关参数周期性更新预失真模型，其基本原理如图8所示。

图8 间接学习结构原理框Fig.8 Principle diagram of indirect learning structure

实际的功率放大器总是存在一定程度的记忆效应，即输出信号不仅与当前输入信号有关，而且与之前输入信号有关［8］。当系统输入为窄带信号时，通常采用无记忆模型(如Saleh、Rapp模型等)来描述功放的AM/AM和AM/PM特性曲线。但是，当系统输入为数字调制信号时，输入输出特性曲线呈现出动态特性，反映出功放的记忆效应，因此一般采用有记忆模型。目前得到广泛研究的有记忆模型有Volterra级数模型、记忆多项式模型、非线性自回归平滑模型、Hammerstein模型和神经网络模型等。其中，神经网络具有强大的非线性学习逼近能力，可任意精度逼近连续函数并找到误差的全局最小点。它不但可以校正功放造成的非线性失真，还能校正发送端滤波器和信道等因素造成的线性失真，因此优先选用该模型对功率放大器进行精确辨识。图9给出了延时RBF网络模型的结构示意图，具体算法及公式推导详见文献［9］，文中不再赘述。

图9 延时RBF神经网络结构Fig.9 Structure of delayed RBF neural network

3 结语

文中针对现代卫星通信的新特点和新需求，提出了一种基于数字调制的高速数传发射机方案，简要介绍其系统组成和工作原理，最后重点分析了该方案中的核心器件和关键技术。该方案采用了高增益的信道编码技术、基于并行查表的高速数字成形技术和数字预失真技术，使得数传发射机兼具结构简单、多模式、高码率和可在轨重构等优点，符合未来卫星通信的发展方向，为下一步数字化卫星数据传输系统的实现奠定了一定基础。

［1］Texas Instruments.TLK2711 1.6 TO 2.7 GBPS TRANSCEIVER Datasheet［EB/OL］.(2001－09－01)［2014－04－01］.http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tlk2711－sp.pdf.

［2］E2V Semiconductors.EV12DS130ACZPY/EV12DS130－AVZPY Low Power 12－bit 3 GSps DAC with 4/2:1 MUX Datasheet［EB/OL］.(2012－02－01)［2014－04－01］.http://www.e2v.com/e2v/assets/File/documents/broadband－data－converters/EV12DS130A/1077E_EV12DS130AZP_DEC2013.pdf.

［3］CCSDS Secretariat.Low Density Parity Check Codes for Use in Near－Earth and Deep Space Applications［S］.CCSDS 131.1－O－2，Washington:CCSDS，2007:1－2.

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