高码率遥测TPC 编码应用技术研究

赵锦瑾，刘智惟，沈利军

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引言

随着航天飞行器复杂度和电子化程度的不断提高，飞行器需要向地面传输的数据量随之急剧增大。无线通信是航天飞行器与地面之间进行数据交互的主要途径之一。高码率、数字化的箭地无线通信传输是解决飞行器与地面之间数据交互的重要手段[1～5]。

航天飞行器所处的空间电磁环境复杂多变会对无线电信号产生干扰。无线电波经过大气层传播时，大气层介电特性的不均匀性、大气湍流、电离层闪烁等众多因素，也会对无线电信号产生干扰，同时引起无线电信号的多径效应，不利于箭地无线通信，尤其是高码率无线通信的正常工作。因此，箭地无线通信的可靠性问题，对箭上状态监控及数据分析至关重要。为了提高箭地无线通信的可靠性，应当对无线通信数字信号中出现的差错进行控制。图1为航天飞行器箭地无线通信示意。

图1 航天飞行器箭地无线通信示意Fig.1 Telemetry between Aerospace Crafts and Ground Stations

相对于现役型号2 Mbit/s以下码速率而言，近年逐渐推广应用的5 M码率和10 M码率属于高码率范畴。在2 M码率遥测传输时，链路余量较大，不需要TPC编码即可较好地实现遥测数据的可靠传输。随着火箭遥测数据量的不断增大，为了保证数据的可靠传输，TPC编码技术已应用于5 Mbit/s码率遥测，后续还将应用于10 Mbit/s码率遥测，以及未来的20 Mbit/s、50 Mbit/s码率遥测。

TPC编码是一种接近香农极限的差错控制编码技术，比RS编码、卷积编码的编码增益和效率更高。相比Turbo码，编码增益不会随着码率的提高而迅速下降。TPC编译码结构简单、码长灵活，负载度较小、设备简单，十分适用于航天高码率遥测数据传输。

本文针对航天飞行器箭地无线通信中数字信号差错控制的TPC信道编码方法进行分析，并结合实际工程经验提出一种基于FPGA的信道编码应用方法[6～11]。

1 TPC编码

数字通信系统基本组成如图2所示。飞行器在空中飞行时，其所传输的无线数据，要在编码和调制后，经过无线信道，传输至地面设备后解调解码，恢复出原始数据，供地面站监控火箭状态。在无线电波传播的过程中，要经历大气环境的影响。大气是一种组分繁多，流动特性复杂的流体。大气对电磁波的折射、反射和吸收，会引起火箭无线信号的干扰和多径等影响，造成遥测信息出现差错，影响箭上信息的可靠传输，干扰地面测控站对火箭状态的获取。

图2 数字通信系统基本组成Fig.2 Block Diagram of Digital Communication System

为了减少箭上无线信号在空间传播过程中受外界环境干扰而出现的误码，需要对箭上发射的数字数据进行差错控制。信道编码是对箭上数字信号进行差错控制的方法。

箭上无线信号的信道编码方法，是在箭上发射端对基带数据添加一系列冗余项。这些冗余项不是随意添加的。冗余项的各个码元之间，以及冗余项码元与基带数据码元间，存在符合一定规律的相关性。当地面测控站接受到无线信号后，在对信号进行解调解码的过程中，通过这些冗余项码元以及冗余项码元与基带数据码元间的相关性关系，可以检测接受到的基带数据信息是否与箭上发送的基带数据信息一致，据此可最大限度还原出真实的箭上信息[12～15]。

用于火箭无线通信的信道编码方法，应当具有极高的无差错传输性能。考虑到火箭载荷、箭上空间和箭上能源的苛刻限制，箭上设备对体积、功耗和重量严格受限，以及火箭飞行速度快、火箭状态监测对实时性的要求加高，火箭无线通信的信道编码方法应当具有较低的编译码复杂度、对设备硬件资源和能耗的占用要尽量少。Turbo乘积码即TPC编码，既具有接近理论极限的优越性能，又具有较低的译码复杂度，十分适用于火箭无线通信[16～20]。

1.1 火箭无线TPC码原理

火箭无线通信所采用的TPC编码，是一种二元线性分组码。其中的任意一个携带无线通信码组c(n，k)，符合如下关系：

式中 M为由k个火箭数字信息比特组成的向量；G为火箭无线TPC编码的生成矩阵。

根据式（1），由火箭的向发射机输入的基带信息向量，即可求得其相应的码字。

1.2 火箭无线TPC编码方法

火箭无线TPC编码的并行级联分组码，是由两个以上分量码作为子码所产生，如图3所示。和 C2( n2, k2, δ2)作为火箭无线TPC编码的分量码。

图3 火箭无线TPC编码方法Fig.3 Schematic Diagram of Rocket TPC Coding

二维的火箭无线TPC码的编码过程如图4所示。

图4 火箭无线TPC码的编码过程Fig.4 Schematic Diagram of Rocket TPC Coding

考虑到航天无线信号传输对编译码负载度的严格要求，国际航天遥测领域，通常采用IEEE 802.16标准进行TPC编码的设计。

IEEE 802.16标准所推荐的航天无线TPC编码方法如表1和图5所示。

表1 IEEE 802.16标准推荐码型Tab.1 Code Pattern Recommended by IEEE 802.16 Standard

图5 IEEE 802.16标准推荐处理过程Fig.5 Schematic Diagram Recommended by IEEE 802.16 Standard

1.3 火箭高码率遥测数据传输的TPC编码方法

中国火箭新型高码率遥测数据传输使用的TPC编码方法，采取扩展汉明乘积码方法：(64,57)× ( 64,57)。在对火箭遥测数据进行TPC编码时，要求先对遥测数据的行进行编码，后对遥测数据的列进行编码，编码的结构如图6所示。其编码算法如式（4）所示：

图6 高码率遥测TPC编码方式Fig.6 Schematic Diagram of High Bit Rate Telemetry TPC Coding

火箭遥测数据在进行TPC编码时，要求编码器从第1行开始计算行校验位，并将计算所得添加在信息位的后面。

对于遥测数据进行TPC编码是，要求每一行都要进行上述操作，按照顺序先后逐次进行行编码，直至行编码完成。

然后，火箭遥测数据编码器从第1列开始，进行计算列校验位。同样的，将计算所得列校验位添加在信息位的后面。一列完成后移动到下一列，按照顺序先后逐次进行列编码，直到完成所有列的编码。

理想状态下，TPC编码适用于所有码速率通信传输。但受到传输信号带宽、硬件设备处理速度、TPC编码迭代次数等限制，实际上TPC编码所能应用的码速率范围是有限的。例如，当译码时钟为200 MHz、（128，120）×（128，120）码型编码数据、迭代次数为5时，TPC译码码速率最大可以达到240 Mbit/s。在2 M码率遥测传输时，链路余量较大，不需要TPC编码即可较好地实现遥测数据的可靠传输。随着火箭遥测数据量的不断增大，主流遥测传输码率已逐渐升级为5 Mbit/s、10 Mbit/s，后续将增加到20 Mbit/s、50 Mbit/s，TPC编码可有效提高数据传输的可靠性。

2 工程实现方法

随着航天飞行器对高速、高码率、大容量、高可靠箭地无线通信需求的日益增大，传统基于硬件的射频无线通信系统，由于带宽有限、结构复杂、抗干扰能力弱，已经不能满足需要。

软件定义设备技术摆脱了传统单一硬件设备只能完成特定任务的限制，成为解决箭上无线通信设备对高速、高码率、大容量、高可靠需求的有效途径。软件定义设备技术在无线通信领域体现为软件无线电技术。软件无线电系统主要包括两类：

a）采用计算机作为软件算法实现的架构。这种方式实现难度低，易于上手和使用，但是计算机的系统功耗很高，计算机的操作系统结构复杂，调用过程繁琐，响应时间长，运算速度和计算效率较低。

b）以FPGA芯片作为软件算法实现的架构。在这种架构下，所有的通信算法可以在FPGA中以专用硬件的方式进行实现。这种方式的运算速率较高，系统功耗低。

采用FPGA芯片作为系统的运算核心的软件无线电技术，十分适用于对体积、功耗和实时性要求极高的航天无线通信领域。

本文基于FPGA架构XC4VLX200硬件平台，提出一种适应航天遥测PCM-FM体制的TPC信道编码工程实现方法。

2.1 高码率遥测信道编码的单元结构及硬件实现

航天高码率遥测信道编码的单元组成如图7所示。在编码单元中，每个编码单元由同步字和TPC编码数据构成。TPC编码数据由原始信息码元和校验位组成。原始信息码元包括数据有效标识、遥测数据和保留位。

图7 航天高码率遥测信道编码单元组成示意Fig.7 Schematic Diagram of Channel Coding Unit

航天高码率遥测TPC编码单元步骤如图8所示。

图8 航天高码率遥测TPC编码单元的步骤Fig.8 Schematic Diagram of High Bit Rate Telemetry TPC Coding Unit

TPC编码采用Verilog语言编写，硬件平台为XC4VLX200。程序主要分为4个模块，分别是接收数据预处理、输入数据串并转换、TPC编码和编码后数据并串转换输出，其中TPC编码模块包括行编码和列编码。

程序流程如图9所示。

图9 程序流程Fig.9 Program Flow Chart

2.2 TPC编码增益算例分析

选取（64，57）2TPC码在FM-BPSK调制体制下、加性高斯白噪声（AWGN）干扰环境中的误码性能分析为例开展算例分析。分别对译码迭代次数为1，4，8的误码性能进行仿真，仿真结果如图10所示。

图10 算例仿真结果Fig.10 Example Simulation Results

由图10可知，在信噪比小于6 dB（信噪比越小、干扰越强）、误码率要求高于10-2时，相同信噪比下，采用TPC编码调制的信号误码率优于未采用TPC编码的情况；且TPC编码的迭代次数越多，相同误码率对应的信噪比越小，即迭代次数越多，对干扰的抵抗能力越强。但随着迭代次数的增加，增加迭代次数所获取的抗干扰效果的差异逐渐缩小。

在航天无线传输所要求误码率通常要优于10-6量级的条件下，TPC迭代1次的编码增益约5.5 dB，迭代4次的编码增益约7.5 dB，迭代8次的编码增益约8 dB。

考虑到迭代次数的增加，影响的会增大FPGA硬件的计算复杂度，同时增加计算耗时。航天工程对实时性有着严苛的要求。因此，在进行航天无线通信设备的TPC编码硬件设计时，应综合考虑硬件的运行速度、资源消耗和任务对实时性的具体需求，综合选择合理的TPC迭代次数，以兼顾抗干扰和实时性的双重要求。

2.3 TPC编码增益试验验证

新型运载火箭在使用TPC编码时，实际采用的迭代次数为1次。选择1次迭代主要是考虑到迭代次数的增加，会增大FPGA硬件的计算复杂度，同时增加计算耗时；而根据大量飞行试验经验，现有链路余量在迭代次数为1次时已可满足使用需求。

为例验证TPC编码增益的效果，采用新型运载火箭配套地检站，在误码率为10-6时，采用TPC编码（迭代次数为1）和不采用TPC编码所对应的门限电平分别为-103 dBW和-98 dBW。结果表明，在此条件下TPC编码提供了5 dB的编码增益。

3 结论

本文针对适用于航天高码率无线传输抗干扰需求的TPC编码原理及方法进行了分析，并结合实际工程经验提出了一种基于FPGA架构的TPC编码方法。在此基础上，本文针对BPSK调制体制下、加性高斯白噪声干扰环境中，（64，57）2TPC码的编码增益进行了算例分析。结果显示，在干扰较大的环境下（信噪比小于6 dB），TPC编码比没有TPC编码的误码率更低，这就给整个无线链路提供了额外的编码增益。TPC的编码增益随迭代次数的增加而增加，但增加量逐渐减小。在航天无线传输所要求误码率通常要优于10-6量级的条件下，TPC迭代1次的编码增益约5.5 dB，迭代4次的编码增益约7.5 dB，迭代8次的编码增益约8 dB。试验实测证明了在TPC迭代1次、误码率10-6时，TPC编码可提供5 dB的编码增益。

考虑到迭代次数的增加对FPGA硬件资源和时间消耗的增加，在进行航天无线通信设备的TPC编码硬件设计时，应综合考虑硬件的运行速度、资源消耗和任务对实时性的具体需求，综合选择合理的TPC迭代次数，以兼顾抗干扰和实时性的双重要求。