郝廣凱，陸格格，雷 鳴，陸衛(wèi)強(qiáng)，汪思冒

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

0 引 言

隨著科技和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)衛(wèi)星通信傳輸速率的要求越來(lái)越高。目前國(guó)內(nèi)在軌的星載高速數(shù)傳發(fā)射機(jī)基本采用單一的調(diào)制方式，通常情況下系統(tǒng)使用固定編碼及調(diào)制方式。為了保證鏈路在最大的傳輸距離衰減和最差天氣的損耗情況下的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，要求在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不得不提供充分的鏈路余量來(lái)抵消環(huán)境因素所導(dǎo)致的衰減。在軌運(yùn)行的衛(wèi)星數(shù)傳發(fā)射機(jī)會(huì)采用較高的發(fā)射功率，具有很好糾錯(cuò)性能的編碼方式和低階調(diào)制體制，但這是以犧牲衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳輸能力為代價(jià)的[1]。

衛(wèi)星自適應(yīng)編碼和調(diào)制體制使數(shù)傳系統(tǒng)能夠根據(jù)接收端估計(jì)的信道信息動(dòng)態(tài)地跟蹤信道變化，自適應(yīng)改變編碼和調(diào)制方式，從而使功率利用率、信息傳輸速率以及頻帶利用率都能達(dá)到最優(yōu)[2]。自適應(yīng)編碼調(diào)制體制的使用可以更充分地利用信道資源，達(dá)到較高的信息傳輸速率與吞吐量[3]。

1 自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)

自適應(yīng)編碼調(diào)制（Adaptive Coding and Modulation，ACM）技術(shù)是在發(fā)射功率不變的情況下，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)根據(jù)信道參數(shù)的變化自適應(yīng)地改變系統(tǒng)的編碼方式和調(diào)制體制，以匹配信道變化實(shí)現(xiàn)高效的傳輸。ACM系統(tǒng)的原理為遙感載荷產(chǎn)生的海量觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)編碼調(diào)制等處理后由數(shù)傳發(fā)射機(jī)經(jīng)信道傳輸給地面，其中編碼調(diào)制體制由數(shù)據(jù)處理器來(lái)確定。數(shù)據(jù)處理器有兩種方式確定編碼調(diào)制體制，一是根據(jù)程控指令，二是根據(jù)遙控指令。地面網(wǎng)關(guān)根據(jù)接收機(jī)傳來(lái)的信道參數(shù)的變化情況，利用自適應(yīng)算法確定編碼調(diào)制體制，以采用與信道相匹配的最優(yōu)的傳輸模式，并將切換指令傳輸給衛(wèi)星數(shù)傳系統(tǒng)和地面接收機(jī)[4]。信息到達(dá)接收機(jī)后，接收機(jī)一方面對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)，確定信道參數(shù)，如果發(fā)生改變就將信道參數(shù)反饋給地面網(wǎng)關(guān)設(shè)備；另一方面根據(jù)網(wǎng)關(guān)的發(fā)送編碼調(diào)制模式指令進(jìn)行解調(diào)和譯碼，最終得到遙感載荷數(shù)據(jù)。

2 編碼調(diào)制模式確定

自適應(yīng)編碼調(diào)制傳輸模式可以保障數(shù)傳系統(tǒng)根據(jù)地面網(wǎng)關(guān)設(shè)備的指令進(jìn)行切換，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。在進(jìn)行自適應(yīng)編碼調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須先確定數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的編碼調(diào)制模式。ACM系統(tǒng)中編碼調(diào)制模式（Modulation and Coding Scheme，MCS）組合的數(shù)目稱為MCS級(jí)數(shù)，MCS級(jí)數(shù)越大，能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)換的編碼調(diào)制體制也就越多，對(duì)信道的匹配情況越好。但是MCS級(jí)數(shù)越大，衛(wèi)星數(shù)傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性也就越高，耗費(fèi)的資源也就越多。因此，自適應(yīng)編碼調(diào)制系統(tǒng)中編碼調(diào)制模式的確定需要綜合考慮系統(tǒng)的資源消耗、運(yùn)算復(fù)雜性以及系統(tǒng)性能等因素[5]。

自適應(yīng)編碼調(diào)制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)采用的調(diào)制體制分別為QPSK、8PSK、16APSK、32APSK，編碼方式結(jié)合DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)以及在軌實(shí)際使用方式，采用低密度奇偶校驗(yàn)碼（Low Density Parity Check Code，LDPC）。自適應(yīng)編碼調(diào)制系統(tǒng)根據(jù)信道參數(shù)變化，利用自適應(yīng)算法改變LDPC碼的編碼效率和調(diào)制體制來(lái)匹配信道變化[6,7]。

在系統(tǒng)傳輸帶寬恒定的條件下，將不同編碼效率的LDPC編碼分別和QPSK、8PSK、16APSK、32APSK一起組合仿真得到各MCS在高斯白噪聲信道下的抗噪性能。經(jīng)過(guò)仿真得到各個(gè)MCS接收端要達(dá)到10-5誤碼率所需的信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）值和所對(duì)應(yīng)的理論上的頻譜利用率，如表1、圖1所示。

表1 不同編碼調(diào)制模式理論頻譜利用率及所需的SNR值

圖1 各個(gè)編碼調(diào)制模式對(duì)應(yīng)頻譜利用率及到達(dá)目標(biāo)比特率所需的SNR值比較

為了保證衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在信道特別差的情況下仍然可以可靠地進(jìn)行信息傳輸，低階調(diào)制編碼方式MCS1（QPSK 1/2）必須選擇。同樣為了能使系統(tǒng)在信道情況非常好的情況下高速進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，高階的調(diào)制編碼模式MCS16（32APSK 8/9）必須選擇。除此之外，剩下的編碼調(diào)制組合的采用信噪比等間隔依次遞增的方法進(jìn)行挑選。自適應(yīng)編碼調(diào)制系統(tǒng)的性能會(huì)隨著MCS級(jí)數(shù)的增大而逐漸提升，但是系統(tǒng)的消耗和復(fù)雜性也會(huì)增加。綜合衡量自適應(yīng)編碼調(diào)制系統(tǒng)的性能和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難易程度，根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]提出的在DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)下自適應(yīng)編碼調(diào)制系統(tǒng)最佳的MCS級(jí)數(shù)為7，多模式數(shù)字調(diào)制器采用的7種MCS分別為QPSK 1/2、QPSK 3/4、QPSK 7/8、8PSK 3/4、16APSK 3/4、32APSK 3/4、32APSK 8/9，這樣各個(gè)MCS切換閾值分布比較均勻。表2為高速數(shù)傳系統(tǒng)中可供切換的MCS，圖2為可供切換的編碼調(diào)制模式在高斯白噪聲信道下的抗誤碼性能曲線。

表2 高速數(shù)傳系統(tǒng)中可供切換的MCS

圖2 可供切換的MCS在高斯白噪聲信道下的抗誤碼性能曲線

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)后，編碼調(diào)制模式會(huì)隨著通信信道參數(shù)的變化而發(fā)生改變，數(shù)據(jù)傳輸速率也隨之改變。由于衛(wèi)星頻帶受限，因此不能滿足無(wú)限制速率的信息傳輸。在進(jìn)行編碼調(diào)制方式切換時(shí)，需要在充分利用頻帶資源的前提下達(dá)到最大的傳輸速率，以滿足系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸需求。Ka頻段下假設(shè)系統(tǒng)傳輸帶寬小于800 MHz，所選7種MCS的最大傳輸速率如表3所示。

表3 所選7種MCS最大傳輸速率

按照傳統(tǒng)的鏈路設(shè)計(jì)思路，參考各地面站雨衰情況，鏈路設(shè)計(jì)取值如表4所示[9]。由表4可以看出，按照星上有效全向輻射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP）設(shè)計(jì)為 41.5 dBW，僅在 600 Mb/s的QPSK傳輸時(shí)有充足的鏈路余量，其余傳輸模式下無(wú)法滿足數(shù)據(jù)正常傳輸需求。

表4 數(shù)傳系統(tǒng)鏈路計(jì)算表

數(shù)傳系統(tǒng)采用ACM傳輸，可根據(jù)傳輸鏈路的信道情況進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，從而決定傳輸模式。根據(jù)表4，在不下雨的情況下，32APSK的3 000 Mb/s傳輸有充足的鏈路余量。根據(jù)文獻(xiàn)[10]在系統(tǒng)97%可用度情況下，可實(shí)現(xiàn)32APSK的傳輸。

4 結(jié) 論

自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)是在地面站資源有限條件下提升數(shù)傳速率的有效手段，是衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信目前研究發(fā)展的重點(diǎn)。在現(xiàn)有衛(wèi)星數(shù)傳系統(tǒng)基礎(chǔ)上，本文提出了有效可行的自適應(yīng)編碼調(diào)制系統(tǒng)，確定了7種自適應(yīng)編碼調(diào)制的傳輸模式。經(jīng)仿真分析，采用自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)可有效提升系統(tǒng)的傳輸速率和吞吐率。