基于鄰近空間鏈路協(xié)議的自適應(yīng)變速率傳輸系統(tǒng)設(shè)計

李翔宇，陳志輝

（1.南京航空航天大學(xué)雷達(dá)成像與微波光子技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室，南京 211106；2.南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，南京 211106）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類對外太空的探索不斷深入，深空探測[1]逐漸從單一國家獨(dú)立探索演變成多國合作共同發(fā)展。為加快人類探索宇宙的步伐，加強(qiáng)國際間航天領(lǐng)域的合作，上世紀(jì)八十年代，由美國國家航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）等多個國家空間組織發(fā)起成立了空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（Consultative Committee for Space Data System，CCSDS）?？臻g數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會自建立后制定了一系列協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)被多個國家的空間組織采納使用，其中包括常規(guī)在軌系統(tǒng)協(xié)議（Conventional Orbit System，COS）、高級在軌系統(tǒng)協(xié)議（Advanced Orbit System，AOS）、鄰近空間鏈路協(xié)議（Proximity-1 Space Link Protocol）等，協(xié)議規(guī)范了各國在航天領(lǐng)域的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)了各國間深空領(lǐng)域的合作。

相比與一般的地面通信與衛(wèi)星通信，深空通信具有它的特殊性。一般而言，深空通信[2]傳輸距離院，傳輸時延長，具有極高的鏈路損耗，接收機(jī)接收信號及其微弱。由于行星自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)[3]與探測器自身的運(yùn)動，相對速度極高，造成較大的多普勒頻移，同時，行星噪聲、宇宙背景噪聲、太陽噪聲、太陽閃爍、熱輻射噪聲都會對深空通信造成影響，導(dǎo)致深空通信信道環(huán)境變化劇烈，信噪比變化較高，不利于固定速率接收機(jī)傳輸，采用自適應(yīng)收發(fā)機(jī)可以有效降低系統(tǒng)誤碼率。深空通信具有上下行鏈路不對稱性，上行鏈路與下行鏈路要求傳輸速率相差極大，上行鏈路主要用于傳輸探測器、著陸器的遙控指令，對信號誤碼率要求極高，因此傳輸速率較低，下行鏈路主要用于傳輸所探測到的數(shù)據(jù)信息、圖像信息，需要較高的吞吐量，傳輸速率較高，采用自適應(yīng)變速率收發(fā)機(jī)可以有效提高系統(tǒng)吞吐量。

自適應(yīng)傳輸[4]已經(jīng)在無線通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，主要通過對發(fā)射機(jī)發(fā)射功率、信號編碼方式、信號調(diào)制方式、碼元傳輸速率進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到變速率傳輸，降低系統(tǒng)誤碼率，提高系統(tǒng)吞吐量，保障無線通信的有效性與可靠性。

本文根據(jù)鄰近鏈路空間協(xié)議，與無線通信傳輸中改變碼元傳輸速率的自適應(yīng)傳輸方案相結(jié)合，設(shè)計了一種符合CCSDS Proximity-1標(biāo)準(zhǔn)的自適應(yīng)變速率收發(fā)機(jī)，通過對實時接收到的信號信噪比進(jìn)行估計，得到當(dāng)前信道的信道質(zhì)量，動態(tài)的調(diào)整收發(fā)機(jī)的傳輸速率。通過FPGA硬件平臺進(jìn)行仿真分析，對所設(shè)計收發(fā)機(jī)方案進(jìn)行驗證。

1 CCSDS協(xié)議與自適應(yīng)收發(fā)機(jī)整體設(shè)計

1.1 CCSDS Proximity-1協(xié)議

CCSDS Proximity-1協(xié)議[5]主要適用于鏈路時延較短，信號強(qiáng)度中等，固定或移動的設(shè)備間的深空通信，用于航天器之前建立一個雙向通信鏈路[6]，適用于100，000內(nèi)探測器、著陸器、巡視器之前的無線通信，滿足單工、半雙工、雙工三種工作模式，支持1kb/s、2kb/s、4kb/s、8kb/s～1024kb/s、2048kb/s12種不同數(shù)據(jù)速率傳輸，誤碼率要求不低于10-6。

CCSDS Proximity-1協(xié)議通過鄰近空間鏈路傳輸單元（PLTU）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用附加同步標(biāo)識位（ASM）與循環(huán)冗余校驗位（CRC-32），具體傳輸幀格式如圖1所示。

圖1 PLTU傳輸幀格式

通過插入空閑序列0x352EF853，保持?jǐn)?shù)據(jù)鏈路中的碼同步和比特同步，鄰近鏈路傳輸單元由3字節(jié)，24比特數(shù)據(jù)組成ASM，其格式為0xFAF320，后續(xù)V-3傳輸幀由5字節(jié)幀頭和最多2043字節(jié)數(shù)據(jù)域組成，幀頭信息包含工作模式、數(shù)據(jù)速率、相干狀態(tài)、編碼方式、信號頻率和指令類型。

1.2 自適應(yīng)收發(fā)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計方案

CCSDS Proximity-1協(xié)議要求，本文設(shè)計了如圖2的自適應(yīng)變速率傳輸系統(tǒng)[7，8]。

該系統(tǒng)發(fā)射機(jī)根據(jù)接收機(jī)反饋信息對發(fā)射機(jī)的參數(shù)配置進(jìn)行調(diào)整，通過控制時鐘模塊、內(nèi)插倍數(shù)、抽取倍數(shù)調(diào)整控制發(fā)射信號碼元速率。接收機(jī)包括數(shù)字下變頻、增益檢測、自動增益控制、載波同步、符號同步、幀同步、相位補(bǔ)償與判決，串并轉(zhuǎn)換模塊。對相位補(bǔ)償與判決后的信號進(jìn)行信噪比估計，判斷通信信道優(yōu)劣，計算得到的信噪比估計值與當(dāng)前工作要求誤碼率所需信噪比值進(jìn)行比較，得到的反饋信息發(fā)送給發(fā)射機(jī)，使發(fā)射機(jī)調(diào)整發(fā)射信號碼元速率，以滿足當(dāng)前信道通信要求，并提高此自適應(yīng)變速率傳輸系統(tǒng)吞吐量，該設(shè)計數(shù)字收發(fā)機(jī)能有效面對深空通信信道惡劣的環(huán)境。

圖2 自適應(yīng)變速率傳輸系統(tǒng)設(shè)計方案

2 關(guān)鍵模塊設(shè)計

2.1 增益檢測模塊

增益檢測模塊[9]是協(xié)議接收機(jī)的前端模塊，對接收到的能量信號進(jìn)行檢測，判定接收機(jī)接收信號為有用信號或噪聲信號，從而控制接收機(jī)開啟或關(guān)閉，提高協(xié)議接收機(jī)的工作性能。深空通信主要可以分為星際空間段通信、行星近地段通信、行星地表段通信，不同環(huán)境中信號受噪聲影響不同，衰減尺度不同，針對不同通信信道環(huán)境設(shè)置不同的門限值可以提高接收機(jī)的有效性跟可靠性，并減少接收機(jī)的功率損耗。當(dāng)接收信號經(jīng)過能量檢測后得到的能量超過門限值時，視為有效信號，接收機(jī)開啟，當(dāng)能量信號低于門限值時，視為噪聲信號，接收機(jī)關(guān)閉。增益檢測模塊原理圖如圖3所示。

圖3 增益檢測模塊原理圖

其中，插入直流偏置補(bǔ)償，處理FPGA進(jìn)行信號處理中所帶來的直流偏置，消除噪聲信號中的直流偏置后，噪聲信號明顯小于能量信號。根據(jù)不同通信信道中噪聲信號與有效能量信號大小的不同，選取中間合適的門限值，即可完成增益檢測模塊的能量檢測判決。當(dāng)去除直流偏置后的能量信號大于門限值α?xí)r，接收機(jī)開啟，當(dāng)去除直流偏置后的能量信號小于門限值α?xí)r，接收機(jī)關(guān)閉。

2.2 自動增益控制模塊

自動增益控制（Automatic Gain Control，AGC）模塊根據(jù)深空通信需求，動態(tài)的調(diào)整接收機(jī)的增益需求，避免受到信道衰落、噪聲影響、多普勒頻移后接收信號幅值產(chǎn)生較大幅度振蕩，造成能量飽和或信息丟失，影響后級接收機(jī)的同步解調(diào)與判決。自動增益控制模塊的核心是檢測器與誤差處理器。

檢測器主要對經(jīng)過可控增益放大器后的信號進(jìn)行能量檢測，檢測放大后信號能否滿足后級接收機(jī)同步解調(diào)與判決要求。為避免平方運(yùn)算所造成較長的反饋時間與資源消耗，本文采用絕對值檢波的方法對放大后信號進(jìn)行能量檢測，計算能量的幅值是否滿足接收機(jī)的動態(tài)范圍。檢測運(yùn)算通過滑動窗來對一定范圍內(nèi)的信號進(jìn)行能量檢測，減小了了由于極少突變信號所帶來的干擾，通過對滑動窗范圍內(nèi)信號求取平均值，計算當(dāng)前檢測器接收信號的能量范圍?；瑒哟盎驹砣鐖D4所示。

圖4 滑動窗原理圖

以窗口大小為N，滑動步進(jìn)為1的滑動窗為例，α1，α2，α3，α4…αN-1，αN…為絕對值處理過后的信號幅值。首先對α1，α2，α3，α4…αN-1，αN…求取平均值γ1，滑動步進(jìn)為1，第二次計算信號為α2，α3，α4…αN-1，αN，αN+1，得到平均值γ2，同理得到平均值γ3，γ4，γ5…，得到平均值信號avg（i）={γ1，γ2，γ3，γ4，γ5…}。

平均值信號與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較后得到誤差信號Ve，誤差信號不直接作用于可控增益放大器，需要經(jīng)過誤差處理器進(jìn)行放大或衰減，可以有效地保障AGC環(huán)路的穩(wěn)定性。

圖5 誤差處理電路結(jié)構(gòu)圖

其中，α為加權(quán)因子（小于1），增益大小的表達(dá)式為：

加權(quán)因子越大，環(huán)路穩(wěn)定時間越短，幅值變化劇烈，環(huán)路穩(wěn)定性差，反之，加權(quán)因子越小，環(huán)路穩(wěn)定時間越短，幅值變化平穩(wěn)，環(huán)路穩(wěn)定性好。為了在保障環(huán)路穩(wěn)定性能的同時減小環(huán)路穩(wěn)定時間，采用可變加權(quán)因子方法，設(shè)置不同的加權(quán)因子α1，α2，α3（α1＞α2，α3=0），對誤差信號Ve進(jìn)行高位檢測，當(dāng)誤差信號較大時，采用較大的加權(quán)因子α1，使增益信號迅速變化，減少環(huán)路穩(wěn)定時間，當(dāng)誤差信號較小時，采用較小的加權(quán)因子α2，防止信號變化幅值變化過快，保障環(huán)路穩(wěn)定性。當(dāng)誤差信號足夠小時，視為增益系數(shù)滿足要求，加權(quán)系數(shù)采用α3，維持原增益系數(shù)不變。增益檢測模塊整體設(shè)計圖如圖6所示。

圖6 AGC環(huán)路結(jié)構(gòu)圖

對上述所設(shè)計AGC環(huán)路進(jìn)行仿真，信號幅值范圍為-9000～9000，滑動窗步進(jìn)為1，滑動窗長為128，標(biāo)準(zhǔn)值為2000，α1=2-10，α2=2-13，α3=0，得到如圖7的仿真結(jié)果圖。

圖7 AGC環(huán)路仿真圖

可以看出，本文所設(shè)計的AGC環(huán)路可以有效的對接收機(jī)信號幅值進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，使信號幅值達(dá)到滿足我們所要求的范圍，誤差處理模塊的加權(quán)因子在接收信號幅值突變時先選取較大加權(quán)因子α1，快速對增益系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)誤差信號逐漸減小后，選取較小的加權(quán)因子α2，當(dāng)誤差信號足夠小，滿足我們所要求范圍后，加權(quán)因子等于零，增益系數(shù)保持不變。

2.3 信噪比估計模塊

本文設(shè)計的自適應(yīng)數(shù)字接收機(jī)變速率依據(jù)為信噪比估計值，通過對當(dāng)前接收信號進(jìn)行信噪比估計來判斷當(dāng)前信道的通信質(zhì)量，從而調(diào)整自適應(yīng)收發(fā)機(jī)的碼速率。因此，信噪比估計的準(zhǔn)確性直接影響到收發(fā)機(jī)的性能。

基本的信噪比估計[10]方法有二階四階矩估計算法[11]（M2M4估計）、平方信號與噪聲方差估計（SNV）、數(shù)據(jù)擬合估計[12]（DF估計），其中M2M4估計精度最高，但M2M4估計算法存在四次方與平方根運(yùn)算，硬件復(fù)雜度較高，工程實現(xiàn)難度大。而在0dB以上的高斯信道中，SNV估計與DF估計存在較強(qiáng)的互補(bǔ)性，具體表現(xiàn)如圖8所示。

圖8 SNV定點(diǎn)化信噪比估計值

圖9 DF定點(diǎn)化信噪比估計值

可以看出，在而在0dB以上的高斯信道中，當(dāng)信噪比低于10dB的時候，DF估計性能較好，DF_2估計存在一定誤差，DF_3估計基本與SNR標(biāo)準(zhǔn)值相吻合，當(dāng)信噪比高于10dB時，SNV估計值與SNR標(biāo)準(zhǔn)值相吻合。結(jié)合SNV與DF估計的優(yōu)勢區(qū)段，可以有效對0dB以上高斯信道進(jìn)行準(zhǔn)確的信噪比估計，因此，為了降低系統(tǒng)復(fù)雜度，同時滿足較高的信噪比估計精度，本文采用SNV_DF聯(lián)合信噪比估計的方法，算法原理圖如圖10所示。

圖10 信噪比估計算法原理圖

本文采用后級信噪比估計反饋信息作為信噪比估計算法選擇標(biāo)準(zhǔn)，有效減少由信噪比預(yù)估計所帶來的資源損耗。以10dB為信噪比判定門限，當(dāng)信道前一時刻信噪比估計值在10dB以上時，采用SNV估計，當(dāng)信道前一時刻信噪比估計值低于10dB時，采用DF_3估計，SNV_DF聯(lián)合信噪比估計算法實現(xiàn)難度低，同時避免了四次方與平方根運(yùn)算，節(jié)約了硬件資源，同時信噪比估計精度較高，滿足自適應(yīng)收發(fā)機(jī)要求，信噪比估計性能如圖11所示。

圖11 SNV_DF聯(lián)合信噪比估計仿真圖

可以看出，在0～25dB的區(qū)間內(nèi)，SNV_DF聯(lián)合信噪比估計算法與M2M4算法性能相近，估計值與標(biāo)準(zhǔn)值基本一致，可以有效滿足自適應(yīng)收發(fā)機(jī)要求，驗證了SNV_DF聯(lián)合信噪比估計算法的可行性。

2.4 自適應(yīng)變速率模塊

本文采用衛(wèi)星通信中常用的OQPSK調(diào)制方式進(jìn)行驗證，依照CCSDS Proximity-1協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，支持1kb/s、2kb/s、4kb/s、8kb/s～1024kb/s、2048kb/s范圍中12種傳輸速率的切換。OQPSK信號輸入信噪比與輸出信噪比關(guān)系圖如圖12所示。

圖12 不同速率信號輸入與輸出信噪比關(guān)系圖

可以看出，當(dāng)輸入信噪比相同時，每降低一檔傳輸速率，輸出信噪比值下降3dB。通過對信噪比估計反饋信息調(diào)制發(fā)射機(jī)發(fā)射信號速率，可以使信道條件較好時，發(fā)射機(jī)已較高速率工作，提高自適應(yīng)收發(fā)機(jī)的吞吐量，信道條件較差時，降低發(fā)射機(jī)的工作速率，以保障通信誤碼率符合工作要求。

假設(shè)深空信道為高斯信道，信道噪聲為高斯白噪聲，理論誤碼率為：

OQPSK信號信噪比與誤碼率關(guān)系如圖13所示。

圖13 信噪比與誤碼率關(guān)系

根據(jù)深空通信不同工作環(huán)境及傳輸信息要求，本文設(shè)計自適應(yīng)收發(fā)機(jī)[13，14]可以由上位機(jī)輸入誤碼率要求，根據(jù)誤碼率要求計算自適應(yīng)接收機(jī)對當(dāng)前信道信噪比要求，計算過程如下：

其中，error為系統(tǒng)輸入的誤碼率要求，SNR_base1為理論信噪比要求，SNR_base2為單位轉(zhuǎn)換為dB后，增加2dB容錯率后的實際自適應(yīng)接收機(jī)[15，16]信噪比要求，也稱為接收機(jī)信噪比門限值。以CCSDS Proximity-1協(xié)議的最低誤碼率10-6為例，計算得出接收機(jī)的信噪比門限值為15.5dB。

本文采用逐級跳變的自適應(yīng)策略[17，18]，有效減少直接跳變所帶來的實際中抖動，導(dǎo)致接收機(jī)工作不穩(wěn)定。SNV_DF聯(lián)合信噪比估計值與信噪比門限值相減，當(dāng)信噪比估計值低于信噪比門限值時，降低發(fā)射機(jī)碼元速率，提高通信系統(tǒng)的誤碼率，當(dāng)信噪比估計值大于信噪比門限值3dB以上時，提高發(fā)射機(jī)碼元速率，提高通信系統(tǒng)的吞吐量。

通過逐級跳變的自適應(yīng)策略，可以有效地調(diào)整發(fā)射機(jī)的碼元速率，提高通信系統(tǒng)的有效性和可靠性。

3 系統(tǒng)實測及結(jié)果分析

3.1 信噪比與碼元速率分析

假設(shè)信道噪聲為高斯白噪聲，分別對初始信噪比為8dB，初始數(shù)據(jù)速率256kb/s，接收機(jī)誤碼率要求10-7信號與初始信噪比22dB，初始數(shù)據(jù)速率64kb/s，接收機(jī)誤碼率要求10-6信號進(jìn)行仿真分析，得到如下仿真結(jié)果。

圖14 信噪比與數(shù)據(jù)速率仿真圖1

圖15 信噪比與數(shù)據(jù)速率仿真圖2

（初始信噪比22dB，初始數(shù)據(jù)速率64kb/s，誤碼率要求10-6）

由圖14、圖15分析可知，當(dāng)信道情況較惡劣，當(dāng)前傳輸信號數(shù)據(jù)速率達(dá)不到自適應(yīng)接收機(jī)誤碼率要求時，自適應(yīng)速率模塊會向接收機(jī)發(fā)送反饋信號，逐級降低信號的碼元速率，直至接收機(jī)接收信噪比達(dá)到當(dāng)前誤碼率要求。當(dāng)信道情況較好時，接收機(jī)自適應(yīng)模塊向發(fā)射機(jī)發(fā)送速率反饋信息，提高發(fā)射機(jī)的碼元速率，在保障接收信號達(dá)到誤碼率要求的前提下，提高通信系統(tǒng)的吞吐量。本文設(shè)計自適應(yīng)收發(fā)機(jī)不需要軟件控制，可自適應(yīng)調(diào)整收發(fā)機(jī)碼元速率。

3.2 吞吐量分析

通過計算系統(tǒng)的吞吐量，可以反映通信系統(tǒng)的傳輸性能，吞吐量計算公式為：

式中，Rate為系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率，單位為kb/s，自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率不固定，采用平均速率來計算自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)的吞吐量，平均速率計算方法如下：

圖16 信噪比與吞吐量關(guān)系圖

可以看出，當(dāng)信道情況惡劣，信噪比較低時，固定速率傳輸系統(tǒng)由于誤碼率過高，無法正常工作，自適應(yīng)變速率傳輸系統(tǒng)以較低的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行工作。當(dāng)信噪比達(dá)到所需誤碼率要求門限值附近時，自適應(yīng)變速率傳輸系統(tǒng)與固定速率傳輸系統(tǒng)吞吐量基本一致。當(dāng)信道情況較好，信噪比較高時，自適應(yīng)變速率傳輸系統(tǒng)會提高信號數(shù)據(jù)速率，提高自身傳輸性能，其吞吐量優(yōu)于傳統(tǒng)的固定速率傳輸系統(tǒng)。

本文所設(shè)計的自適應(yīng)變速率傳輸系統(tǒng)以Xilinx Kintex-7 FPGA為核心，通過接收機(jī)信號反饋完成自適應(yīng)傳輸，結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)越，適用范圍廣，滿足符合CCSDS Proximity-1協(xié)議要求。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于CCSDS Proximity-1協(xié)議要求的自適應(yīng)變速率傳輸系統(tǒng)，增益檢測模塊控制接收機(jī)的開啟或關(guān)閉，通過自動增益控制模塊減少信號能量飽和或信息丟失，根據(jù)接收機(jī)信噪比估計模塊對當(dāng)前信道狀況進(jìn)行估計，信噪比估計信息進(jìn)入自適應(yīng)變速率模塊，通過與當(dāng)前系統(tǒng)誤碼率要求信噪比進(jìn)行比較，產(chǎn)生反饋信息，自適應(yīng)的控制發(fā)射機(jī)的碼元速率。該系統(tǒng)通過FPGA仿真，可以自適應(yīng)調(diào)整通信系統(tǒng)傳輸速率，達(dá)到在符合系統(tǒng)信噪比要求的前提下盡可能地提升碼元速率，提高了信道利用率與系統(tǒng)吞吐量，為深空通信系統(tǒng)的設(shè)計提供了有益的參考。