一種碼速率自適應(yīng)的復(fù)用型編碼調(diào)制器

周少騫 羅小成 田運(yùn)通 林閔佳

（上海航天電子技術(shù)研究所 上海市 201109）

1 引言

星載數(shù)傳發(fā)射機(jī)是一種應(yīng)用于空間飛行器，將信源獲取的基帶數(shù)據(jù)調(diào)制在載波信號上進(jìn)行衛(wèi)星與衛(wèi)星之間或衛(wèi)星與地面之間數(shù)據(jù)傳送的設(shè)備。

數(shù)傳發(fā)射機(jī)原理框圖如圖1 所示，數(shù)傳發(fā)射機(jī)主要由編碼調(diào)制器、功率放大器、數(shù)傳天線組成。

作為數(shù)傳發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵組成部分，編碼調(diào)制器的功能是對輸入的信源數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼處理，提高信道傳輸增益，增強(qiáng)信號傳輸抗干擾能力。在對數(shù)傳信道線性度要求較高的應(yīng)用場景，編碼調(diào)制器中還需要進(jìn)行信號預(yù)失真處理，以彌補(bǔ)信號功率放大電路帶來的非線性影響。

根據(jù)應(yīng)用場景的不同，編碼調(diào)制器接收從有效載荷、固態(tài)存儲(chǔ)器、信號處理機(jī)或加密機(jī)等產(chǎn)品輸出的基帶數(shù)據(jù)（統(tǒng)稱信源數(shù)據(jù)）；在可編程器件中對信源數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼處理；編碼調(diào)制器中的載波生成電路產(chǎn)生調(diào)制所需的X 波段、Ka 波段或其它波段的單載波信號；載波信號和編碼數(shù)據(jù)在直接射頻調(diào)制器中進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制信號輸出至功率放大器。

功率放大器是數(shù)傳發(fā)射機(jī)的重要組成部分，主要包含固態(tài)功率放大器和行波管放大器兩種類型的放大器，功能是對編碼調(diào)制器輸出的調(diào)制信號進(jìn)行功率放大和帶通濾波，可根據(jù)總體需求增加三次諧波抑制濾波器。

天線是數(shù)傳發(fā)射機(jī)的重要組成部分，一般由天線主體、固定機(jī)構(gòu)、展開機(jī)構(gòu)或轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，功能是將功率放大器輸出的信號按一定的波束指向和增益對外發(fā)射。

2 碼速率自適應(yīng)復(fù)用型編碼調(diào)制器簡介

2.1 產(chǎn)品架構(gòu)

本文所述編碼調(diào)制器的原理框圖如圖2 所示，該產(chǎn)品主要由一個(gè)時(shí)鐘處理模塊、一個(gè)編碼調(diào)制模塊、N 個(gè)載波信號生成模塊和N個(gè)射頻調(diào)制器組成。

信道編碼模塊對接收的信號進(jìn)行信道編碼處理，根據(jù)不同的應(yīng)用場景通常推薦選用（4,3,7）卷積編碼（含差分編碼，通常級聯(lián)RS 編碼使用）或8/7LDPC 編碼兩種信道編碼方式。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)隨機(jī)性不好（如載荷數(shù)據(jù)量不大時(shí)為保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性而寫入的填充數(shù)據(jù)）或使用LDPC 這種基于稀疏校驗(yàn)矩陣的分組糾錯(cuò)編碼方式時(shí)需要在編碼模塊中進(jìn)行加擾處理。

時(shí)鐘處理模塊對輸入的信源時(shí)鐘進(jìn)行頻率跟蹤和相位同步處理，產(chǎn)生編碼電路所需的多種頻率和相位的時(shí)鐘信號，其性能好壞決定了編碼調(diào)制器方案設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

載波信號生成模塊由晶振和倍頻電路組成，產(chǎn)生射頻調(diào)制所需的固定頻率載波信號。

射頻調(diào)制模塊可選擇BPSK、QPSK、OQPSK 調(diào)制方式；可選擇S 波段、L 波段、X 波段、Ka 波段或Ku 波段調(diào)制載波；可適應(yīng)1Kbps～650Mbps（受限于該編碼調(diào)制器的架構(gòu)設(shè)計(jì)）范圍的信息傳輸速率。

2.2 信道編碼模塊

信道編碼模塊是編碼調(diào)制器的核心，根據(jù)不同的應(yīng)用場景需求可選擇差分編碼級聯(lián)（4,3,7）卷積編碼或選擇8/7LDPC 編碼的編碼方式，其硬件電路可以由CPLD 芯片、反熔絲型FPGA 芯片或SRAM 型FPGA 芯片實(shí)現(xiàn)。

差分編碼通過累積和運(yùn)算進(jìn)行自然碼與反射碼的轉(zhuǎn)換（即實(shí)現(xiàn)絕對二進(jìn)制系列與相對二進(jìn)制序列的轉(zhuǎn)換），以解決BPSK、QPSK 信道傳輸過程中產(chǎn)生的相位模糊問題。

差分編碼級聯(lián)（4,3,7）卷積編碼的編碼方式的特點(diǎn)是通過簡單的編碼電路即可實(shí)現(xiàn)較大的編碼增益和較強(qiáng)的抗干擾性能。不同于分組碼，（4,3,7）卷積編碼由連續(xù)輸入的信息序列得到連續(xù)輸出的編碼序列，編碼輸出的每4 比特編碼數(shù)據(jù)不僅與輸入的3 比特信息碼元有關(guān)，還與前后6 個(gè)碼字的信息碼元都相關(guān)聯(lián)。此外，還可以在卷積編碼之前加入RS 編碼來提高數(shù)據(jù)傳輸糾正隨機(jī)錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤的能力。

差分編碼級聯(lián)（4,3,7）卷積編碼的編碼方式占用硬件資源較少，可通過門電路規(guī)模較小的CPLD 芯片或反熔絲型FPGA 芯片實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品可靠性較高，而且可多通道實(shí)時(shí)、獨(dú)立、并行處理，實(shí)現(xiàn)星間、星地鏈路編碼調(diào)制器一體化設(shè)計(jì)。

8/7LDPC 編碼是一種具有稀疏校驗(yàn)矩陣的線性分組糾錯(cuò)碼，性能逼近香農(nóng)極限，由于結(jié)構(gòu)并行的特點(diǎn)更適合于大容量通信應(yīng)用場景。但是8/7LDPC 編碼的編碼電路比較復(fù)雜，硬件資源需求比較大，需要幾十萬門電路規(guī)模級別的反熔絲FPGA 芯片來實(shí)現(xiàn)，若要進(jìn)行多通道并行處理則需要更大規(guī)模的FPGA 芯片；編碼時(shí)延較大，不適用于對數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場景。

圖1：數(shù)傳發(fā)射機(jī)原理框圖

圖2：編碼調(diào)制器原理框圖

2.3 時(shí)鐘處理模塊

編碼調(diào)制器的所有電路都由時(shí)鐘處理模塊驅(qū)動(dòng)，時(shí)鐘處理模塊的性能好壞直接影響到產(chǎn)品的性能。

在編碼調(diào)制器與上一級產(chǎn)品不共用晶振的情況下，編碼調(diào)制器的信號接收時(shí)鐘與上一級產(chǎn)品輸出的信源數(shù)據(jù)時(shí)鐘存在一定的頻率差和相位差。傳統(tǒng)編碼調(diào)制器通過FPGA 芯片內(nèi)置DLL/PLL 鎖相環(huán)或外部鎖相環(huán)來消除收發(fā)時(shí)鐘之間的頻率差和相位差。這種方法雖然可以避免因收發(fā)時(shí)鐘的差異導(dǎo)致的誤差累計(jì)型單比特誤碼問題，但是仍然存在幾個(gè)問題：一是鎖相環(huán)的特性限制了收發(fā)時(shí)鐘的頻率范圍；二是收發(fā)時(shí)鐘的同步建立需要一定的時(shí)間；三是鎖相環(huán)（尤其是FPGA 內(nèi)置鎖相環(huán)）可能因輸入時(shí)鐘的抖動(dòng)或偏移、電壓擾動(dòng)、空間輻射、環(huán)境溫度等外界因素的影響發(fā)生失鎖或錯(cuò)鎖。

本文所述編碼調(diào)制器針對所用的兩種信道編碼方式采用了兩種不同的時(shí)鐘處理電路來實(shí)現(xiàn)信源數(shù)據(jù)的非鎖相大動(dòng)態(tài)碼速率自適應(yīng)同步接收。

差分編碼級聯(lián)（4,3,7）卷積編碼的編碼電路雖然簡單，但是其非分組碼的編碼方式和需要對編碼輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行打孔處理（即刪余增信處理）的方式?jīng)Q定了其時(shí)鐘處理電路較復(fù)雜，需要在不使用鎖相環(huán)的情況下對輸入時(shí)鐘進(jìn)行非整數(shù)分頻處理，以便實(shí)現(xiàn)較快的時(shí)鐘同步和較寬的信源時(shí)鐘頻率適應(yīng)范圍。

8/7LDPC 編碼的編碼電路較復(fù)雜，但是因其分組碼的特性可以通過在信源端進(jìn)行數(shù)據(jù)分組處理的方法給編碼電路預(yù)留出校驗(yàn)位的位置，將信源端和信號發(fā)射端基帶數(shù)據(jù)處理電路的時(shí)鐘控制在相同或整數(shù)倍的關(guān)系，避免使用鎖相環(huán)電路進(jìn)行時(shí)鐘處理，從而實(shí)現(xiàn)了較快的時(shí)鐘同步處理和較寬的信源時(shí)鐘頻率適應(yīng)范圍，同時(shí)提升了系統(tǒng)的可靠性。

因信源數(shù)據(jù)的隨機(jī)性可能被填充數(shù)據(jù)或LDPC 編碼矩陣的稀疏性破壞，從而影響數(shù)傳信道傳輸?shù)男阅埽枰诰幋a后進(jìn)行加擾處理。因QPSK、OQPSK 調(diào)制為雙路調(diào)制方式，為確保信號傳輸質(zhì)量需要分別對I/Q 兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行加擾處理，同時(shí)為確保兩路調(diào)制數(shù)據(jù)的非相關(guān)性（I/Q 兩路數(shù)據(jù)相關(guān)性較大會(huì)影響QPSK、OQPSK 調(diào)制的頻譜和性能）應(yīng)選擇不同的擾碼序列進(jìn)行加擾。

該編碼調(diào)制器并非通過軟件無線電的方法進(jìn)行信號的調(diào)制發(fā)射處理，因此無法通過軟件算法實(shí)現(xiàn)信號的非線性預(yù)失真處理。同時(shí)BPSK、QPSK、OQPSK 調(diào)制屬恒包絡(luò)調(diào)制方式，受信道非線性影響較小，故不需要對信號進(jìn)行非線性預(yù)失真處理。

2.4 載波信號生成模塊

載波信號生成模塊主要包含晶振和倍頻兩個(gè)模塊。

編碼調(diào)制器對調(diào)制載波的頻率穩(wěn)定度和頻率準(zhǔn)確度要求較高，根據(jù)不同的應(yīng)用場景可選擇恒溫晶振或溫補(bǔ)晶振作為編碼調(diào)制器的載波頻率基準(zhǔn)，晶體選擇泛音晶體。恒溫晶振的頻率穩(wěn)定度比溫補(bǔ)晶振高一個(gè)量級，但是體積和功耗較大，且需要幾分鐘的加熱時(shí)間才能讓晶振到達(dá)穩(wěn)定的工作狀態(tài)，而溫補(bǔ)晶振在加電后很快就工作在穩(wěn)定狀態(tài)。

倍頻模塊通常為倍頻器、鎖相倍頻器或PDRO（鎖相介質(zhì)振蕩器），對相位噪聲惡化指標(biāo)和諧波、雜波抑制指標(biāo)有一定的要求，鎖相倍頻器性能優(yōu)于普通倍頻器。需要注意的是采用二極管（此處特指用于微帶電路的T 型二極管）倍頻電路的一定要注意二極管與微帶板之間接地焊接的可靠性，防止因虛焊導(dǎo)致產(chǎn)品工作異常或失效。

此外，在進(jìn)行星間、星地多鏈路復(fù)用型編碼調(diào)制器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮不同發(fā)射鏈路間頻率的干擾問題，充分考慮鏡像頻率、交調(diào)頻率、諧波頻率的影響，避免產(chǎn)生固有設(shè)計(jì)缺陷。

2.5 射頻調(diào)制模塊

傳統(tǒng)QPSK 調(diào)制模塊一般采用微帶電路級聯(lián)非平衡混頻器和隔離器組成調(diào)制電路，再通過上變頻器將載波調(diào)整到所需波段的調(diào)制方法。因國產(chǎn)非平衡混頻器和隔離器的工藝一致性問題，同型號器件之間性能上也存在著微小差異，導(dǎo)致電路調(diào)試階段需要配對使用，甚至需要通過調(diào)試微帶電路來進(jìn)行糾正，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，可靠性不高。本文所述編碼調(diào)制器用一個(gè)射頻調(diào)制芯片（部分波段直接射頻調(diào)制器件已實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化）實(shí)現(xiàn)射頻調(diào)制，電路簡單可靠、性能優(yōu)異，受環(huán)境影響較小。

3 碼速率自適應(yīng)復(fù)用型編碼調(diào)制器技術(shù)特點(diǎn)

碼速率自適應(yīng)復(fù)用型編碼調(diào)制器的技術(shù)特點(diǎn)如下：

3.1 性能優(yōu)異

碼速率自適應(yīng)復(fù)用型編碼調(diào)制器的帶外抑制、雜波抑制、諧波抑制、載波頻率精度、載波頻率穩(wěn)定度、信噪比、誤碼率、可靠度和使用壽命等指標(biāo)在國內(nèi)外均屬先進(jìn)水平，充分滿足不同軌道空間飛行器應(yīng)用場景的需求。

3.2 適應(yīng)能力強(qiáng)

碼速率自適應(yīng)復(fù)用型編碼調(diào)制器能適應(yīng)1Kbps～650Mbps 速率的數(shù)據(jù)傳輸需求（不需要調(diào)整軟、硬件）；能適應(yīng)L 波段、S 波段、X 波段、Ka 波段、Ku 波段的載波頻率需求；能適應(yīng)BPSK、QPSK、OQPSK 的調(diào)制需求；能適應(yīng)-25℃～55℃的工作溫度需求。

3.3 可拓展性強(qiáng)

在調(diào)制載波頻率范圍、天線波束指向不沖突的情況下，碼速率自適應(yīng)復(fù)用型編碼調(diào)制器能同時(shí)滿足星間、星地多個(gè)信道的信息傳輸需求，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多傳、星/地復(fù)用的場景應(yīng)用。

3.4 可靠性高

碼速率自適應(yīng)復(fù)用型編碼調(diào)制器元器件質(zhì)量等級較高；在熱學(xué)、力學(xué)等方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；在軟件、硬件設(shè)計(jì)等方面采取了一定的裕度設(shè)計(jì)；在抗輻射、三防等方面采取了特殊的工藝措施，具有較高的可靠性，較長的使用壽命。

4 應(yīng)用場景和產(chǎn)品意義

碼速率自適應(yīng)復(fù)用型編碼調(diào)制器通常應(yīng)用于有星間、星地中/低速率數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用需求的高、中、低軌空間飛行器平臺(tái)。根據(jù)應(yīng)用場景的需求可選擇不同的載波波段、不同的數(shù)傳速率、不同的信道編碼方式、不同的調(diào)制方式，可選擇多個(gè)數(shù)傳通道并行傳輸數(shù)據(jù)，具有優(yōu)異的性能，較強(qiáng)的適應(yīng)性和拓展能力，較高的可靠性，較長的使用壽命，可作為型譜產(chǎn)品推廣應(yīng)用。