基于鄰近空間鏈路協議的自適應變速率傳輸系統設計

李翔宇，陳志輝

（1.南京航空航天大學雷達成像與微波光子技術教育部重點實驗室，南京 211106；2.南京航空航天大學電子信息工程學院，南京 211106）

0 引言

隨著科學技術的不斷發展，人類對外太空的探索不斷深入，深空探測[1]逐漸從單一國家獨立探索演變成多國合作共同發展。為加快人類探索宇宙的步伐，加強國際間航天領域的合作，上世紀八十年代，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起成立了空間數據系統咨詢委員會（Consultative Committee for Space Data System，CCSDS）。空間數據系統咨詢委員會自建立后制定了一系列協議標準，已經被多個國家的空間組織采納使用，其中包括常規在軌系統協議（Conventional Orbit System，COS）、高級在軌系統協議（Advanced Orbit System，AOS）、鄰近空間鏈路協議（Proximity-1 Space Link Protocol）等，協議規范了各國在航天領域的傳輸標準，加強了各國間深空領域的合作。

相比與一般的地面通信與衛星通信，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，接收機接收信號及其微弱。由于行星自轉公轉[3]與探測器自身的運動，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，導致深空通信信道環境變化劇烈，信噪比變化較高，不利于固定速率接收機傳輸，采用自適應收發機可以有效降低系統誤碼率。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據信息、圖像信息，需要較高的吞吐量，傳輸速率較高，采用自適應變速率收發機可以有效提高系統吞吐量。

自適應傳輸[4]已經在無線通信領域得到了廣泛應用，主要通過對發射機發射功率、信號編碼方式、信號調制方式、碼元傳輸速率進行調整以達到變速率傳輸，降低系統誤碼率，提高系統吞吐量，保障無線通信的有效性與可靠性。

本文根據鄰近鏈路空間協議，與無線通信傳輸中改變碼元傳輸速率的自適應傳輸方案相結合，設計了一種符合CCSDS Proximity-1標準的自適應變速率收發機，通過對實時接收到的信號信噪比進行估計，得到當前信道的信道質量，動態的調整收發機的傳輸速率。通過FPGA硬件平臺進行仿真分析，對所設計收發機方案進行驗證。

1 CCSDS協議與自適應收發機整體設計

1.1 CCSDS Proximity-1協議

CCSDS Proximity-1協議[5]主要適用于鏈路時延較短，信號強度中等，固定或移動的設備間的深空通信，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種不同數據速率傳輸，誤碼率要求不低于10-6。

CCSDS Proximity-1協議通過鄰近空間鏈路傳輸單元（PLTU）進行數據傳輸，采用附加同步標識位（ASM）與循環冗余校驗位（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，保持數據鏈路中的碼同步和比特同步，鄰近鏈路傳輸單元由3字節，24比特數據組成ASM，其格式為0xFAF320，后續V-3傳輸幀由5字節幀頭和最多2043字節數據域組成，幀頭信息包含工作模式、數據速率、相干狀態、編碼方式、信號頻率和指令類型。

1.2 自適應收發機系統設計方案

CCSDS Proximity-1協議要求，本文設計了如圖2的自適應變速率傳輸系統[7，8]。

該系統發射機根據接收機反饋信息對發射機的參數配置進行調整，通過控制時鐘模塊、內插倍數、抽取倍數調整控制發射信號碼元速率。接收機包括數字下變頻、增益檢測、自動增益控制、載波同步、符號同步、幀同步、相位補償與判決，串并轉換模塊。對相位補償與判決后的信號進行信噪比估計，判斷通信信道優劣，計算得到的信噪比估計值與當前工作要求誤碼率所需信噪比值進行比較，得到的反饋信息發送給發射機，使發射機調整發射信號碼元速率，以滿足當前信道通信要求，并提高此自適應變速率傳輸系統吞吐量，該設計數字收發機能有效面對深空通信信道惡劣的環境。

圖2 自適應變速率傳輸系統設計方案

2 關鍵模塊設計

2.1 增益檢測模塊

增益檢測模塊[9]是協議接收機的前端模塊，對接收到的能量信號進行檢測，判定接收機接收信號為有用信號或噪聲信號，從而控制接收機開啟或關閉，提高協議接收機的工作性能。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境設置不同的門限值可以提高接收機的有效性跟可靠性，并減少接收機的功率損耗。當接收信號經過能量檢測后得到的能量超過門限值時，視為有效信號，接收機開啟，當能量信號低于門限值時，視為噪聲信號，接收機關閉。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，插入直流偏置補償，處理FPGA進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。當去除直流偏置后的能量信號大于門限值α時，接收機開啟，當去除直流偏置后的能量信號小于門限值α時，接收機關閉。

2.2 自動增益控制模塊

自動增益控制（Automatic Gain Control，AGC）模塊根據深空通信需求，動態的調整接收機的增益需求，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，影響后級接收機的同步解調與判決。自動增益控制模塊的核心是檢測器與誤差處理器。

檢測器主要對經過可控增益放大器后的信號進行能量檢測，檢測放大后信號能否滿足后級接收機同步解調與判決要求。為避免平方運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行能量檢測，計算能量的幅值是否滿足接收機的動態范圍。檢測運算通過滑動窗來對一定范圍內的信號進行能量檢測，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信號求取平均值，計算當前檢測器接收信號的能量范圍。滑動窗基本原理如圖4所示。

圖4 滑動窗原理圖

以窗口大小為N，滑動步進為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…}。

平均值信號與標準值進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，需要經過誤差處理器進行放大或衰減，可以有效地保障AGC環路的穩定性。

圖5 誤差處理電路結構圖

其中，α為加權因子（小于1），增益大小的表達式為：

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

圖6 AGC環路結構圖

對上述所設計AGC環路進行仿真，信號幅值范圍為-9000～9000，滑動窗步進為1，滑動窗長為128，標準值為2000，α1=2-10，α2=2-13，α3=0，得到如圖7的仿真結果圖。

圖7 AGC環路仿真圖

可以看出，本文所設計的AGC環路可以有效的對接收機信號幅值進行動態調整，使信號幅值達到滿足我們所要求的范圍，誤差處理模塊的加權因子在接收信號幅值突變時先選取較大加權因子α1，快速對增益系數進行調整，當誤差信號逐漸減小后，選取較小的加權因子α2，當誤差信號足夠小，滿足我們所要求范圍后，加權因子等于零，增益系數保持不變。

2.3 信噪比估計模塊

本文設計的自適應數字接收機變速率依據為信噪比估計值，通過對當前接收信號進行信噪比估計來判斷當前信道的通信質量，從而調整自適應收發機的碼速率。因此，信噪比估計的準確性直接影響到收發機的性能。

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）、數據擬合估計[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算，硬件復雜度較高，工程實現難度大。而在0dB以上的高斯信道中，SNV估計與DF估計存在較強的互補性，具體表現如圖8所示。

圖8 SNV定點化信噪比估計值

圖9 DF定點化信噪比估計值

可以看出，在而在0dB以上的高斯信道中，當信噪比低于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標準值相吻合，當信噪比高于10dB時，SNV估計值與SNR標準值相吻合。結合SNV與DF估計的優勢區段，可以有效對0dB以上高斯信道進行準確的信噪比估計，因此，為了降低系統復雜度，同時滿足較高的信噪比估計精度，本文采用SNV_DF聯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準，有效減少由信噪比預估計所帶來的資源損耗。以10dB為信噪比判定門限，當信道前一時刻信噪比估計值在10dB以上時，采用SNV估計，當信道前一時刻信噪比估計值低于10dB時，采用DF_3估計，SNV_DF聯合信噪比估計算法實現難度低，同時避免了四次方與平方根運算，節約了硬件資源，同時信噪比估計精度較高，滿足自適應收發機要求，信噪比估計性能如圖11所示。

圖11 SNV_DF聯合信噪比估計仿真圖

可以看出，在0～25dB的區間內，SNV_DF聯合信噪比估計算法與M2M4算法性能相近，估計值與標準值基本一致，可以有效滿足自適應收發機要求，驗證了SNV_DF聯合信噪比估計算法的可行性。

2.4 自適應變速率模塊

本文采用衛星通信中常用的OQPSK調制方式進行驗證，依照CCSDS Proximity-1協議標準，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系圖如圖12所示。

圖12 不同速率信號輸入與輸出信噪比關系圖

可以看出，當輸入信噪比相同時，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制發射機發射信號速率，可以使信道條件較好時，發射機已較高速率工作，提高自適應收發機的吞吐量，信道條件較差時，降低發射機的工作速率，以保障通信誤碼率符合工作要求。

假設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系如圖13所示。

圖13 信噪比與誤碼率關系

根據深空通信不同工作環境及傳輸信息要求，本文設計自適應收發機[13，14]可以由上位機輸入誤碼率要求，根據誤碼率要求計算自適應接收機對當前信道信噪比要求，計算過程如下：

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

本文采用逐級跳變的自適應策略[17，18]，有效減少直接跳變所帶來的實際中抖動，導致接收機工作不穩定。SNV_DF聯合信噪比估計值與信噪比門限值相減，當信噪比估計值低于信噪比門限值時，降低發射機碼元速率，提高通信系統的誤碼率，當信噪比估計值大于信噪比門限值3dB以上時，提高發射機碼元速率，提高通信系統的吞吐量。

通過逐級跳變的自適應策略，可以有效地調整發射機的碼元速率，提高通信系統的有效性和可靠性。

3 系統實測及結果分析

3.1 信噪比與碼元速率分析

假設信道噪聲為高斯白噪聲，分別對初始信噪比為8dB，初始數據速率256kb/s，接收機誤碼率要求10-7信號與初始信噪比22dB，初始數據速率64kb/s，接收機誤碼率要求10-6信號進行仿真分析，得到如下仿真結果。

圖14 信噪比與數據速率仿真圖1

圖15 信噪比與數據速率仿真圖2

（初始信噪比22dB，初始數據速率64kb/s，誤碼率要求10-6）

由圖14、圖15分析可知，當信道情況較惡劣，當前傳輸信號數據速率達不到自適應接收機誤碼率要求時，自適應速率模塊會向接收機發送反饋信號，逐級降低信號的碼元速率，直至接收機接收信噪比達到當前誤碼率要求。當信道情況較好時，接收機自適應模塊向發射機發送速率反饋信息，提高發射機的碼元速率，在保障接收信號達到誤碼率要求的前提下，提高通信系統的吞吐量。本文設計自適應收發機不需要軟件控制，可自適應調整收發機碼元速率。

3.2 吞吐量分析

通過計算系統的吞吐量，可以反映通信系統的傳輸性能，吞吐量計算公式為：

式中，Rate為系統數據速率，單位為kb/s，自適應傳輸系統數據速率不固定，采用平均速率來計算自適應傳輸系統的吞吐量，平均速率計算方法如下：

圖16 信噪比與吞吐量關系圖

可以看出，當信道情況惡劣，信噪比較低時，固定速率傳輸系統由于誤碼率過高，無法正常工作，自適應變速率傳輸系統以較低的數據速率進行工作。當信噪比達到所需誤碼率要求門限值附近時，自適應變速率傳輸系統與固定速率傳輸系統吞吐量基本一致。當信道情況較好，信噪比較高時，自適應變速率傳輸系統會提高信號數據速率，提高自身傳輸性能，其吞吐量優于傳統的固定速率傳輸系統。

本文所設計的自適應變速率傳輸系統以Xilinx Kintex-7 FPGA為核心，通過接收機信號反饋完成自適應傳輸，結構簡單，性能優越，適用范圍廣，滿足符合CCSDS Proximity-1協議要求。

4 結束語

本文提出了一種基于CCSDS Proximity-1協議要求的自適應變速率傳輸系統，增益檢測模塊控制接收機的開啟或關閉，通過自動增益控制模塊減少信號能量飽和或信息丟失，根據接收機信噪比估計模塊對當前信道狀況進行估計，信噪比估計信息進入自適應變速率模塊，通過與當前系統誤碼率要求信噪比進行比較，產生反饋信息，自適應的控制發射機的碼元速率。該系統通過FPGA仿真，可以自適應調整通信系統傳輸速率，達到在符合系統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吞吐量，為深空通信系統的設計提供了有益的參考。