基于邻近空间链路协议的自适应变速率传输系统设计

李翔宇，陈志辉

（1.南京航空航天大学雷达成像与微波光子技术教育部重点实验室，南京 211106；2.南京航空航天大学电子信息工程学院，南京 211106）

0 引言

随着科学技术的不断发展，人类对外太空的探索不断深入，深空探测[1]逐渐从单一国家独立探索演变成多国合作共同发展。为加快人类探索宇宙的步伐，加强国际间航天领域的合作，上世纪八十年代，由美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）等多个国家空间组织发起成立了空间数据系统咨询委员会（Consultative Committee for Space Data System，CCSDS）。空间数据系统咨询委员会自建立后制定了一系列协议标准，已经被多个国家的空间组织采纳使用，其中包括常规在轨系统协议（Conventional Orbit System，COS）、高级在轨系统协议（Advanced Orbit System，AOS）、邻近空间链路协议（Proximity-1 Space Link Protocol）等，协议规范了各国在航天领域的传输标准，加强了各国间深空领域的合作。

相比与一般的地面通信与卫星通信，深空通信具有它的特殊性。一般而言，深空通信[2]传输距离院，传输时延长，具有极高的链路损耗，接收机接收信号及其微弱。由于行星自转公转[3]与探测器自身的运动，相对速度极高，造成较大的多普勒频移，同时，行星噪声、宇宙背景噪声、太阳噪声、太阳闪烁、热辐射噪声都会对深空通信造成影响，导致深空通信信道环境变化剧烈，信噪比变化较高，不利于固定速率接收机传输，采用自适应收发机可以有效降低系统误码率。深空通信具有上下行链路不对称性，上行链路与下行链路要求传输速率相差极大，上行链路主要用于传输探测器、着陆器的遥控指令，对信号误码率要求极高，因此传输速率较低，下行链路主要用于传输所探测到的数据信息、图像信息，需要较高的吞吐量，传输速率较高，采用自适应变速率收发机可以有效提高系统吞吐量。

自适应传输[4]已经在无线通信领域得到了广泛应用，主要通过对发射机发射功率、信号编码方式、信号调制方式、码元传输速率进行调整以达到变速率传输，降低系统误码率，提高系统吞吐量，保障无线通信的有效性与可靠性。

本文根据邻近链路空间协议，与无线通信传输中改变码元传输速率的自适应传输方案相结合，设计了一种符合CCSDS Proximity-1标准的自适应变速率收发机，通过对实时接收到的信号信噪比进行估计，得到当前信道的信道质量，动态的调整收发机的传输速率。通过FPGA硬件平台进行仿真分析，对所设计收发机方案进行验证。

1 CCSDS协议与自适应收发机整体设计

1.1 CCSDS Proximity-1协议

CCSDS Proximity-1协议[5]主要适用于链路时延较短，信号强度中等，固定或移动的设备间的深空通信，用于航天器之前建立一个双向通信链路[6]，适用于100，000内探测器、着陆器、巡视器之前的无线通信，满足单工、半双工、双工三种工作模式，支持1kb/s、2kb/s、4kb/s、8kb/s～1024kb/s、2048kb/s12种不同数据速率传输，误码率要求不低于10-6。

CCSDS Proximity-1协议通过邻近空间链路传输单元（PLTU）进行数据传输，采用附加同步标识位（ASM）与循环冗余校验位（CRC-32），具体传输帧格式如图1所示。

图1 PLTU传输帧格式

通过插入空闲序列0x352EF853，保持数据链路中的码同步和比特同步，邻近链路传输单元由3字节，24比特数据组成ASM，其格式为0xFAF320，后续V-3传输帧由5字节帧头和最多2043字节数据域组成，帧头信息包含工作模式、数据速率、相干状态、编码方式、信号频率和指令类型。

1.2 自适应收发机系统设计方案

CCSDS Proximity-1协议要求，本文设计了如图2的自适应变速率传输系统[7，8]。

该系统发射机根据接收机反馈信息对发射机的参数配置进行调整，通过控制时钟模块、内插倍数、抽取倍数调整控制发射信号码元速率。接收机包括数字下变频、增益检测、自动增益控制、载波同步、符号同步、帧同步、相位补偿与判决，串并转换模块。对相位补偿与判决后的信号进行信噪比估计，判断通信信道优劣，计算得到的信噪比估计值与当前工作要求误码率所需信噪比值进行比较，得到的反馈信息发送给发射机，使发射机调整发射信号码元速率，以满足当前信道通信要求，并提高此自适应变速率传输系统吞吐量，该设计数字收发机能有效面对深空通信信道恶劣的环境。

图2 自适应变速率传输系统设计方案

2 关键模块设计

2.1 增益检测模块

增益检测模块[9]是协议接收机的前端模块，对接收到的能量信号进行检测，判定接收机接收信号为有用信号或噪声信号，从而控制接收机开启或关闭，提高协议接收机的工作性能。深空通信主要可以分为星际空间段通信、行星近地段通信、行星地表段通信，不同环境中信号受噪声影响不同，衰减尺度不同，针对不同通信信道环境设置不同的门限值可以提高接收机的有效性跟可靠性，并减少接收机的功率损耗。当接收信号经过能量检测后得到的能量超过门限值时，视为有效信号，接收机开启，当能量信号低于门限值时，视为噪声信号，接收机关闭。增益检测模块原理图如图3所示。

图3 增益检测模块原理图

其中，插入直流偏置补偿，处理FPGA进行信号处理中所带来的直流偏置，消除噪声信号中的直流偏置后，噪声信号明显小于能量信号。根据不同通信信道中噪声信号与有效能量信号大小的不同，选取中间合适的门限值，即可完成增益检测模块的能量检测判决。当去除直流偏置后的能量信号大于门限值α时，接收机开启，当去除直流偏置后的能量信号小于门限值α时，接收机关闭。

2.2 自动增益控制模块

自动增益控制（Automatic Gain Control，AGC）模块根据深空通信需求，动态的调整接收机的增益需求，避免受到信道衰落、噪声影响、多普勒频移后接收信号幅值产生较大幅度振荡，造成能量饱和或信息丢失，影响后级接收机的同步解调与判决。自动增益控制模块的核心是检测器与误差处理器。

检测器主要对经过可控增益放大器后的信号进行能量检测，检测放大后信号能否满足后级接收机同步解调与判决要求。为避免平方运算所造成较长的反馈时间与资源消耗，本文采用绝对值检波的方法对放大后信号进行能量检测，计算能量的幅值是否满足接收机的动态范围。检测运算通过滑动窗来对一定范围内的信号进行能量检测，减小了了由于极少突变信号所带来的干扰，通过对滑动窗范围内信号求取平均值，计算当前检测器接收信号的能量范围。滑动窗基本原理如图4所示。

图4 滑动窗原理图

以窗口大小为N，滑动步进为1的滑动窗为例，α1，α2，α3，α4…αN-1，αN…为绝对值处理过后的信号幅值。首先对α1，α2，α3，α4…αN-1，αN…求取平均值γ1，滑动步进为1，第二次计算信号为α2，α3，α4…αN-1，αN，αN+1，得到平均值γ2，同理得到平均值γ3，γ4，γ5…，得到平均值信号avg（i）={γ1，γ2，γ3，γ4，γ5…}。

平均值信号与标准值进行比较后得到误差信号Ve，误差信号不直接作用于可控增益放大器，需要经过误差处理器进行放大或衰减，可以有效地保障AGC环路的稳定性。

图5 误差处理电路结构图

其中，α为加权因子（小于1），增益大小的表达式为：

加权因子越大，环路稳定时间越短，幅值变化剧烈，环路稳定性差，反之，加权因子越小，环路稳定时间越短，幅值变化平稳，环路稳定性好。为了在保障环路稳定性能的同时减小环路稳定时间，采用可变加权因子方法，设置不同的加权因子α1，α2，α3（α1＞α2，α3=0），对误差信号Ve进行高位检测，当误差信号较大时，采用较大的加权因子α1，使增益信号迅速变化，减少环路稳定时间，当误差信号较小时，采用较小的加权因子α2，防止信号变化幅值变化过快，保障环路稳定性。当误差信号足够小时，视为增益系数满足要求，加权系数采用α3，维持原增益系数不变。增益检测模块整体设计图如图6所示。

图6 AGC环路结构图

对上述所设计AGC环路进行仿真，信号幅值范围为-9000～9000，滑动窗步进为1，滑动窗长为128，标准值为2000，α1=2-10，α2=2-13，α3=0，得到如图7的仿真结果图。

图7 AGC环路仿真图

可以看出，本文所设计的AGC环路可以有效的对接收机信号幅值进行动态调整，使信号幅值达到满足我们所要求的范围，误差处理模块的加权因子在接收信号幅值突变时先选取较大加权因子α1，快速对增益系数进行调整，当误差信号逐渐减小后，选取较小的加权因子α2，当误差信号足够小，满足我们所要求范围后，加权因子等于零，增益系数保持不变。

2.3 信噪比估计模块

本文设计的自适应数字接收机变速率依据为信噪比估计值，通过对当前接收信号进行信噪比估计来判断当前信道的通信质量，从而调整自适应收发机的码速率。因此，信噪比估计的准确性直接影响到收发机的性能。

基本的信噪比估计[10]方法有二阶四阶矩估计算法[11]（M2M4估计）、平方信号与噪声方差估计（SNV）、数据拟合估计[12]（DF估计），其中M2M4估计精度最高，但M2M4估计算法存在四次方与平方根运算，硬件复杂度较高，工程实现难度大。而在0dB以上的高斯信道中，SNV估计与DF估计存在较强的互补性，具体表现如图8所示。

图8 SNV定点化信噪比估计值

图9 DF定点化信噪比估计值

可以看出，在而在0dB以上的高斯信道中，当信噪比低于10dB的时候，DF估计性能较好，DF_2估计存在一定误差，DF_3估计基本与SNR标准值相吻合，当信噪比高于10dB时，SNV估计值与SNR标准值相吻合。结合SNV与DF估计的优势区段，可以有效对0dB以上高斯信道进行准确的信噪比估计，因此，为了降低系统复杂度，同时满足较高的信噪比估计精度，本文采用SNV_DF联合信噪比估计的方法，算法原理图如图10所示。

图10 信噪比估计算法原理图

本文采用后级信噪比估计反馈信息作为信噪比估计算法选择标准，有效减少由信噪比预估计所带来的资源损耗。以10dB为信噪比判定门限，当信道前一时刻信噪比估计值在10dB以上时，采用SNV估计，当信道前一时刻信噪比估计值低于10dB时，采用DF_3估计，SNV_DF联合信噪比估计算法实现难度低，同时避免了四次方与平方根运算，节约了硬件资源，同时信噪比估计精度较高，满足自适应收发机要求，信噪比估计性能如图11所示。

图11 SNV_DF联合信噪比估计仿真图

可以看出，在0～25dB的区间内，SNV_DF联合信噪比估计算法与M2M4算法性能相近，估计值与标准值基本一致，可以有效满足自适应收发机要求，验证了SNV_DF联合信噪比估计算法的可行性。

2.4 自适应变速率模块

本文采用卫星通信中常用的OQPSK调制方式进行验证，依照CCSDS Proximity-1协议标准，支持1kb/s、2kb/s、4kb/s、8kb/s～1024kb/s、2048kb/s范围中12种传输速率的切换。OQPSK信号输入信噪比与输出信噪比关系图如图12所示。

图12 不同速率信号输入与输出信噪比关系图

可以看出，当输入信噪比相同时，每降低一档传输速率，输出信噪比值下降3dB。通过对信噪比估计反馈信息调制发射机发射信号速率，可以使信道条件较好时，发射机已较高速率工作，提高自适应收发机的吞吐量，信道条件较差时，降低发射机的工作速率，以保障通信误码率符合工作要求。

假设深空信道为高斯信道，信道噪声为高斯白噪声，理论误码率为：

OQPSK信号信噪比与误码率关系如图13所示。

图13 信噪比与误码率关系

根据深空通信不同工作环境及传输信息要求，本文设计自适应收发机[13，14]可以由上位机输入误码率要求，根据误码率要求计算自适应接收机对当前信道信噪比要求，计算过程如下：

其中，error为系统输入的误码率要求，SNR_base1为理论信噪比要求，SNR_base2为单位转换为dB后，增加2dB容错率后的实际自适应接收机[15，16]信噪比要求，也称为接收机信噪比门限值。以CCSDS Proximity-1协议的最低误码率10-6为例，计算得出接收机的信噪比门限值为15.5dB。

本文采用逐级跳变的自适应策略[17，18]，有效减少直接跳变所带来的实际中抖动，导致接收机工作不稳定。SNV_DF联合信噪比估计值与信噪比门限值相减，当信噪比估计值低于信噪比门限值时，降低发射机码元速率，提高通信系统的误码率，当信噪比估计值大于信噪比门限值3dB以上时，提高发射机码元速率，提高通信系统的吞吐量。

通过逐级跳变的自适应策略，可以有效地调整发射机的码元速率，提高通信系统的有效性和可靠性。

3 系统实测及结果分析

3.1 信噪比与码元速率分析

假设信道噪声为高斯白噪声，分别对初始信噪比为8dB，初始数据速率256kb/s，接收机误码率要求10-7信号与初始信噪比22dB，初始数据速率64kb/s，接收机误码率要求10-6信号进行仿真分析，得到如下仿真结果。

图14 信噪比与数据速率仿真图1

图15 信噪比与数据速率仿真图2

（初始信噪比22dB，初始数据速率64kb/s，误码率要求10-6）

由图14、图15分析可知，当信道情况较恶劣，当前传输信号数据速率达不到自适应接收机误码率要求时，自适应速率模块会向接收机发送反馈信号，逐级降低信号的码元速率，直至接收机接收信噪比达到当前误码率要求。当信道情况较好时，接收机自适应模块向发射机发送速率反馈信息，提高发射机的码元速率，在保障接收信号达到误码率要求的前提下，提高通信系统的吞吐量。本文设计自适应收发机不需要软件控制，可自适应调整收发机码元速率。

3.2 吞吐量分析

通过计算系统的吞吐量，可以反映通信系统的传输性能，吞吐量计算公式为：

式中，Rate为系统数据速率，单位为kb/s，自适应传输系统数据速率不固定，采用平均速率来计算自适应传输系统的吞吐量，平均速率计算方法如下：

图16 信噪比与吞吐量关系图

可以看出，当信道情况恶劣，信噪比较低时，固定速率传输系统由于误码率过高，无法正常工作，自适应变速率传输系统以较低的数据速率进行工作。当信噪比达到所需误码率要求门限值附近时，自适应变速率传输系统与固定速率传输系统吞吐量基本一致。当信道情况较好，信噪比较高时，自适应变速率传输系统会提高信号数据速率，提高自身传输性能，其吞吐量优于传统的固定速率传输系统。

本文所设计的自适应变速率传输系统以Xilinx Kintex-7 FPGA为核心，通过接收机信号反馈完成自适应传输，结构简单，性能优越，适用范围广，满足符合CCSDS Proximity-1协议要求。

4 结束语

本文提出了一种基于CCSDS Proximity-1协议要求的自适应变速率传输系统，增益检测模块控制接收机的开启或关闭，通过自动增益控制模块减少信号能量饱和或信息丢失，根据接收机信噪比估计模块对当前信道状况进行估计，信噪比估计信息进入自适应变速率模块，通过与当前系统误码率要求信噪比进行比较，产生反馈信息，自适应的控制发射机的码元速率。该系统通过FPGA仿真，可以自适应调整通信系统传输速率，达到在符合系统信噪比要求的前提下尽可能地提升码元速率，提高了信道利用率与系统吞吐量，为深空通信系统的设计提供了有益的参考。