一種碼速率自適應的復用型編碼調制器

周少騫 羅小成 田運通 林閔佳

（上海航天電子技術研究所 上海市 201109）

1 引言

星載數傳發射機是一種應用于空間飛行器，將信源獲取的基帶數據調制在載波信號上進行衛星與衛星之間或衛星與地面之間數據傳送的設備。

數傳發射機原理框圖如圖1 所示，數傳發射機主要由編碼調制器、功率放大器、數傳天線組成。

作為數傳發射機的關鍵組成部分，編碼調制器的功能是對輸入的信源數據進行信道編碼處理，提高信道傳輸增益，增強信號傳輸抗干擾能力。在對數傳信道線性度要求較高的應用場景，編碼調制器中還需要進行信號預失真處理，以彌補信號功率放大電路帶來的非線性影響。

根據應用場景的不同，編碼調制器接收從有效載荷、固態存儲器、信號處理機或加密機等產品輸出的基帶數據（統稱信源數據）；在可編程器件中對信源數據進行信道編碼處理；編碼調制器中的載波生成電路產生調制所需的X 波段、Ka 波段或其它波段的單載波信號；載波信號和編碼數據在直接射頻調制器中進行調制，調制信號輸出至功率放大器。

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

天線是數傳發射機的重要組成部分，一般由天線主體、固定機構、展開機構或轉動機構組成，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射。

2 碼速率自適應復用型編碼調制器簡介

2.1 產品架構

本文所述編碼調制器的原理框圖如圖2 所示，該產品主要由一個時鐘處理模塊、一個編碼調制模塊、N 個載波信號生成模塊和N個射頻調制器組成。

信道編碼模塊對接收的信號進行信道編碼處理，根據不同的應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RS 編碼使用）或8/7LDPC 編碼兩種信道編碼方式。當輸入數據隨機性不好（如載荷數據量不大時為保持數據傳輸的連續性而寫入的填充數據）或使用LDPC 這種基于稀疏校驗矩陣的分組糾錯編碼方式時需要在編碼模塊中進行加擾處理。

時鐘處理模塊對輸入的信源時鐘進行頻率跟蹤和相位同步處理，產生編碼電路所需的多種頻率和相位的時鐘信號，其性能好壞決定了編碼調制器方案設計的復雜度和數據傳輸的可靠性。

載波信號生成模塊由晶振和倍頻電路組成，產生射頻調制所需的固定頻率載波信號。

射頻調制模塊可選擇BPSK、QPSK、OQPSK 調制方式；可選擇S 波段、L 波段、X 波段、Ka 波段或Ku 波段調制載波；可適應1Kbps～650Mbps（受限于該編碼調制器的架構設計）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制器的核心，根據不同的應用場景需求可選擇差分編碼級聯（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 芯片實現。

差分編碼通過累積和運算進行自然碼與反射碼的轉換（即實現絕對二進制系列與相對二進制序列的轉換），以解決BPSK、QPSK 信道傳輸過程中產生的相位模糊問題。

差分編碼級聯（4,3,7）卷積編碼的編碼方式的特點是通過簡單的編碼電路即可實現較大的編碼增益和較強的抗干擾性能。不同于分組碼，（4,3,7）卷積編碼由連續輸入的信息序列得到連續輸出的編碼序列，編碼輸出的每4 比特編碼數據不僅與輸入的3 比特信息碼元有關，還與前后6 個碼字的信息碼元都相關聯。此外，還可以在卷積編碼之前加入RS 編碼來提高數據傳輸糾正隨機錯誤和突發錯誤的能力。

差分編碼級聯（4,3,7）卷積編碼的編碼方式占用硬件資源較少，可通過門電路規模較小的CPLD 芯片或反熔絲型FPGA 芯片實現，產品可靠性較高，而且可多通道實時、獨立、并行處理，實現星間、星地鏈路編碼調制器一體化設計。

8/7LDPC 編碼是一種具有稀疏校驗矩陣的線性分組糾錯碼，性能逼近香農極限，由于結構并行的特點更適合于大容量通信應用場景。但是8/7LDPC 編碼的編碼電路比較復雜，硬件資源需求比較大，需要幾十萬門電路規模級別的反熔絲FPGA 芯片來實現，若要進行多通道并行處理則需要更大規模的FPGA 芯片；編碼時延較大，不適用于對數據傳輸實時性要求較高的應用場景。

圖1：數傳發射機原理框圖

圖2：編碼調制器原理框圖

2.3 時鐘處理模塊

編碼調制器的所有電路都由時鐘處理模塊驅動，時鐘處理模塊的性能好壞直接影響到產品的性能。

在編碼調制器與上一級產品不共用晶振的情況下，編碼調制器的信號接收時鐘與上一級產品輸出的信源數據時鐘存在一定的頻率差和相位差。傳統編碼調制器通過FPGA 芯片內置DLL/PLL 鎖相環或外部鎖相環來消除收發時鐘之間的頻率差和相位差。這種方法雖然可以避免因收發時鐘的差異導致的誤差累計型單比特誤碼問題，但是仍然存在幾個問題：一是鎖相環的特性限制了收發時鐘的頻率范圍；二是收發時鐘的同步建立需要一定的時間；三是鎖相環（尤其是FPGA 內置鎖相環）可能因輸入時鐘的抖動或偏移、電壓擾動、空間輻射、環境溫度等外界因素的影響發生失鎖或錯鎖。

本文所述編碼調制器針對所用的兩種信道編碼方式采用了兩種不同的時鐘處理電路來實現信源數據的非鎖相大動態碼速率自適應同步接收。

差分編碼級聯（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據進行打孔處理（即刪余增信處理）的方式決定了其時鐘處理電路較復雜，需要在不使用鎖相環的情況下對輸入時鐘進行非整數分頻處理，以便實現較快的時鐘同步和較寬的信源時鐘頻率適應范圍。

8/7LDPC 編碼的編碼電路較復雜，但是因其分組碼的特性可以通過在信源端進行數據分組處理的方法給編碼電路預留出校驗位的位置，將信源端和信號發射端基帶數據處理電路的時鐘控制在相同或整數倍的關系，避免使用鎖相環電路進行時鐘處理，從而實現了較快的時鐘同步處理和較寬的信源時鐘頻率適應范圍，同時提升了系統的可靠性。

因信源數據的隨機性可能被填充數據或LDPC 編碼矩陣的稀疏性破壞，從而影響數傳信道傳輸的性能，需要在編碼后進行加擾處理。因QPSK、OQPSK 調制為雙路調制方式，為確保信號傳輸質量需要分別對I/Q 兩路數據進行加擾處理，同時為確保兩路調制數據的非相關性（I/Q 兩路數據相關性較大會影響QPSK、OQPSK 調制的頻譜和性能）應選擇不同的擾碼序列進行加擾。

該編碼調制器并非通過軟件無線電的方法進行信號的調制發射處理，因此無法通過軟件算法實現信號的非線性預失真處理。同時BPSK、QPSK、OQPSK 調制屬恒包絡調制方式，受信道非線性影響較小，故不需要對信號進行非線性預失真處理。

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模塊。

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

倍頻模塊通常為倍頻器、鎖相倍頻器或PDRO（鎖相介質振蕩器），對相位噪聲惡化指標和諧波、雜波抑制指標有一定的要求，鎖相倍頻器性能優于普通倍頻器。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，防止因虛焊導致產品工作異常或失效。

此外，在進行星間、星地多鏈路復用型編碼調制器設計時應充分考慮不同發射鏈路間頻率的干擾問題，充分考慮鏡像頻率、交調頻率、諧波頻率的影響，避免產生固有設計缺陷。

2.5 射頻調制模塊

傳統QPSK 調制模塊一般采用微帶電路級聯非平衡混頻器和隔離器組成調制電路，再通過上變頻器將載波調整到所需波段的調制方法。因國產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，導致電路調試階段需要配對使用，甚至需要通過調試微帶電路來進行糾正，費時費力，可靠性不高。本文所述編碼調制器用一個射頻調制芯片（部分波段直接射頻調制器件已實現了國產化）實現射頻調制，電路簡單可靠、性能優異，受環境影響較小。

3 碼速率自適應復用型編碼調制器技術特點

碼速率自適應復用型編碼調制器的技術特點如下：

3.1 性能優異

碼速率自適應復用型編碼調制器的帶外抑制、雜波抑制、諧波抑制、載波頻率精度、載波頻率穩定度、信噪比、誤碼率、可靠度和使用壽命等指標在國內外均屬先進水平，充分滿足不同軌道空間飛行器應用場景的需求。

3.2 適應能力強

碼速率自適應復用型編碼調制器能適應1Kbps～650Mbps 速率的數據傳輸需求（不需要調整軟、硬件）；能適應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BPSK、QPSK、OQPSK 的調制需求；能適應-25℃～55℃的工作溫度需求。

3.3 可拓展性強

在調制載波頻率范圍、天線波束指向不沖突的情況下，碼速率自適應復用型編碼調制器能同時滿足星間、星地多個信道的信息傳輸需求，實現一機多傳、星/地復用的場景應用。

3.4 可靠性高

碼速率自適應復用型編碼調制器元器件質量等級較高；在熱學、力學等方面進行了優化設計；在軟件、硬件設計等方面采取了一定的裕度設計；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 應用場景和產品意義

碼速率自適應復用型編碼調制器通常應用于有星間、星地中/低速率數據傳輸應用需求的高、中、低軌空間飛行器平臺。根據應用場景的需求可選擇不同的載波波段、不同的數傳速率、不同的信道編碼方式、不同的調制方式，可選擇多個數傳通道并行傳輸數據，具有優異的性能，較強的適應性和拓展能力，較高的可靠性，較長的使用壽命，可作為型譜產品推廣應用。