卫星可变编码调制系统设计与验证

靳凡 郑小松 张雨 李虎 张伟

(西安空间无线电技术研究所，西安 710071)

对于低轨卫星，从卫星进入地面站开始接收数据到卫星离开地面站的整个传输过程中，随着仰角的变化，卫星距地面站的距离在不断发生变化，带来的路径损耗变化在10 dB以上。而在传统卫星数据传输系统设计中，由于采用恒定的编码方式和调制方式，这部分由路径损耗减小带来的系统余量并没有被充分利用[1]。

可变编码调制系统(VCM)具备改变编码方式、调制方式、信息速率的能力，可以根据链路传输距离的改变，程控地改变传输参数，充分利用高仰角时的链路余量，在保证链路可靠性的前提下，提升传输效率[2]。相较于自适应编码调制系统(ACM)，工程实现简单，不需要反馈链路，更加适用于低轨卫星。

从可变编码调制系统的思想提出后，经过多年发展已进入成熟状态，在地面无线系统中得到了广泛应用，在卫星传输系统中的应用也逐渐展开。2005年欧洲数字视频广播组织发布的第二代数字卫星广播标准(DVB-S2)[3]已使用了该方案。与采用固定编码调制的DVB-S[4]标准相比，DVB-S2标准采用了多种信道编码和调制的组合方案，能够逐帧使用不同的信道编码和调制方式。通过可变编码调制技术，不同类型业务(标准清晰度电视SDTV、高清电视HDTV、音频等)可以使用各自的调制方式与编码速率，即可以在同一个载波上对每个数据流使用不同的信道编码级别和调制方式，使传输效率大大提高。

鉴于该技术的重要性和成熟度，空间数据系统咨询委员会(CCSDS)分别于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)蓝皮书标准。在解调译码设备方面，目前国际上推出的高速解调器已具备131.2-B-1、131.3-B-1两种标准的解调能力，解调速率可达3 Gbit/s以上。我国国内的高速解调器，对VCM的解调速率也达到了1.5 Gbit/s以上。因此，本文提出了一种具备工程实现条件的卫星可变编码调制系统。

1 方案设计

卫星可变编码调制系统作为能够程控切换编码调制方式的传输系统，与传统的固定编码调制系统(CCM)相比，需要采用多个编码方式和调制方式的组合，达到切换的目的。因此，对编码调制方式的选择、切换的依据、切换流程的控制等因素，都显著影响着可变编码调制系统的传输能力，本文将依次对以上因素进行分析。

1.1 系统方案

卫星可变编码调制系统作为发送端，负责进行编码方式、调制方式的切换，有着至关重要的作用。其系统框图如图1所示，包括：切换控制、信道编码、星座映射、组帧、成型滤波、DA变换、射频调制、功率放大、天线发射等过程[7]。

图1 可变编码调制系统框图Fig.1 System schematic of variable coding modulation

当可变编码调制系统接收到切换指令后，根据指令要求进行对应的编码、映射、组帧、滤波后，通过射频通道和天线发射出去。地面站接收后将射频信号变为中频，并送入解调译码器进行解调、均衡、译码后输出数据，工作流程图如图2所示。

图2 可变编码调制系统工作流程图Fig.2 Workflow of variable coding modulation

1.2 编码调制方式的选择

在确定系统选用的时具体编码调制方式之前，首先需要对其性能进行仿真分析。根据DVB-S2标准，可使用的编码方式和调制方式如下：

(1)编码方式，BCH-LDPC编码，码率1/4至9/10，共11种；

(2)调制方式，QPSK、8PSK、16APSK、32APSK，共4种。

本文使用软件仿真的方式，对各编码调制组合在高斯白噪声信道下的性能进行分析。部分编码调制组合的误比特性能如图3所示。

在得出各编码调制组合的性能后，还需要进行一次筛选。在相同误码率下，将编码调制组合的C/N0和频谱效率进行对比，绘制出如图4所示的性能对比图。

为优化系统的频谱效率，从中选出需要的载噪比(C/N0)高，而频谱效率低的组合(如图4中虚线的2种组合)，将其剔除。因此，保留下来的编码调制组合，在其对应的C/N0值上，频谱效率已达到最优。将这些编码调制组合按C/N0值从小到大的顺序，记为MC(1),MC(2),…,MC(k)，其对应的C/N0值记为MC(1)[C/N0],MC(2)[C/N0],…,MC(k)[C/N0]，这里定义集合A={MC(1)[C/N0],MC(2)[C/N0], …,MC(k)[C/N0]}。

图3 编码调制组合性能仿真结果Fig.3 BER(Bit Error Ratio) performance of Modcod(method of Modulation and Coding)

图4 编码调制组合的C/N0和频谱效率对比Fig.4 Modcod spectral efficiencies versus C/N0

1.3 切换门限的选择

可变编码调制系统涉及到多种编码调制方式的动态切换，其目的是根据当前链路情况，选择最佳的编码调制方式。因此切换门限的确定，很大程度的影响着系统的传输能力和可靠性。

通常直接使用链路的C/N0值，作为切换门限选择的依据。同时，为保证链路的可靠性，引入了门限移位和延迟切换技术[8]。

(1)门限移位技术，即在理论C/N0切换门限的基础上，增加一定的链路冗余，从而保证传输可靠性，适用于可变编码调制系统和自适应编码调制系统。

(2)延迟切换技术，即考虑到链路的突变情况，增加一定的切换延迟，从而避免编码调制方式频繁切换的问题，适用于自适应编码调制系统。

鉴于本文的应用场景，使用了门限移位技术，通常卫星链路的余量取3 dB以上。

1.4 系统切换流程设计

在确定了备选的编码调制组合，并明确了切换门限的选择后，需要进行对传输链路进行链路预算。通过文献[9]可知

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

M+228.6

(1)

EEb/No=CC/N0-Rc

(2)

将式(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分别为接收所需信噪比和载噪比；EEIRP为发射天线等效全向辐射功率；Qr为接收端品质因数；Gc为编码增益；r为编码码率；Rc为编码后速率；L为链路传输损耗；M为系统余量，以上均为对数值，单位为dB。

在此，使用式(3)进行链路预算。需要注意的是，与通常的链路计算不同，这里需要计算链路各个时刻(即从卫星入站到卫星出站的全过程)的C/N0值，而不是仅仅对其最差情况进行计算。

由于链路的接收载噪比连续变化，在实现上需要对其进行离散化处理。设卫星在一轨中链路的传输时间为T，以T/n为时间间隔对链路进行预算，预算结果记为t(1)[C/N0],t(2)[C/N0],…,t(n)[C/N0]。则系统切换的流程的设计过程可以转换为：在i时刻，寻找合适的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中满足条件(1)的极大值

将i时刻选择的编码调制方式对应的传输速率记为R(i)，可得系统的平均传输速率为

(4)

同时，系统切换流程的设计还需考虑工程实现条件的约束。通常，系统中使用的编码调制组合数量越多，在随信道环境的变化而进行调节时，各个组合之间的过渡就越平滑，链路传输效率就越高。然而，组合数量越多，系统的复杂性就越高，工程实现的难度增大。而且当组合数达到一定数量时再增加，对链路传输效率的提升幅度也逐渐减小。因此，系统切换流程的设计还需要在链路性能和系统复杂度之间进行折中。主要有2个原则：①C/N0值变化范围尽量大；②实现复杂度尽量低。

基于以上分析，本文最终选择了3种编码调制方式，如表1所示。

表1 采用的编码调制方式Table 1 Modcod adopted

1.5 物理层帧格式

可变编码调制系统要求接收端可以自主识别发送信息的编码调制方式，从而进行对应的解调译码，且在切换过程中不丢失数据，因此引入了物理层帧的概念，其帧结构如图5，包括帧头、信息数据、导频等部分。

图5 可变编码调制物理层帧结构Fig.5 Format of physical layer frame in VCM

物理层帧的单位为符号，传输时将90个符号分为一组，对不同调制方式的分组数量不同。对传输帧各部分要求如下。

(1)帧头：使用π/2 BPSK调制方式，占一组。帧头由2部分组成，第1部分为固定数据，占26个符号；第2部分为编码调制方式信息，占64 bit。

(2)信息数据：占16 200 bit，使用帧头中指定的编码、调制方式。

由物理层帧格式可以看出，接收端在收到调制信号后，先对帧头信息进行解调译码后即可得出信息数据的编码调制方式，从而对信息数据进行对应解调译码。

1.6 可变编码调制器的设计

针对上文可变编码调制方案，设计的可变编码调制器采用了X频段微波直接矢量调制技术，相较于传统的中频调制，大大降低了单机复杂度和质量。微波直接矢量调制原理框图[10]和可变编码调制器原理框图如图6、图7，其中可变编码调制器由供电电路、基带处理电路、微波调制电路组成。

可变编码调制器的实现结果如图8。经测试，可变编码调制器实现了编码调制组合的逐帧可变要求，在X频段有限的带宽内，最高传输速率可达1.2 Gbit/s。同时，完成了相应测试试验，可以满足卫星环境使用要求。

图6 微波直接矢量调制原理框图Fig.6 Principle of direct vector modulation

图7 可变编码调制器原理框图Fig.7 Principle of VCM modulator

图8 可变编码调制器实现结果Fig.8 Results of VCM modulator

2 试验验证

2019年底，高分七号卫星完成了国内首次的卫星可变编码调制系统在轨试验验证，如图9所示，包括卫星发射部分和地面接收部分,其中发射部分包括基带处理、射频调制和发射天线等；接收部分包括接收天线、低噪放、下变频、中频解调和数据处理设备等。

图9 在轨试验验证框图Fig.9 Principle of onboard verification

在轨试验验证结果如表2所示。可以看出，卫星在轨测试的误码率均为0，编码调制方式切换时不丢帧、无误码，C/N0值以约2 dB为一档依次变化，传输速率相对于固定编码调制提升了30%，与设计指标一致。

表2 在轨试验验证结果Table 2 Results of onboard verification

同时，根据在轨试验验证结果可知，目前的3档编码调制方式，对链路余量的使用尚不充分，仍有6 dB以上的链路余量未能利用。后续可增加频谱效率更高的编码调制方式，进一步提升系统传输速率。

3 结束语

本文讨论了可变编码调制系统的发展状况和现实意义。针对大数据量星地数据传输需求，为实现链路余量与传输速率的合理匹配，设计了卫星可变编码调制的系统方案，对系统关键参数进行了分析，实现了编码调制组合的逐帧可变要求，在X频段有限的带宽内，使单通道最高传输速率达到了1.2 Gbit/s。同时，在轨试验验证结果表明，可变编码调制系统的传输速率相对于固定编码调制提升了30%，显著提升了高分七号卫星的星地数据传输能力，为后续可变编码调制系统在卫星中的大规模应用提供了设计参考。