一种码速率自适应的复用型编码调制器

周少骞 罗小成 田运通 林闵佳

（上海航天电子技术研究所 上海市 201109）

1 引言

星载数传发射机是一种应用于空间飞行器，将信源获取的基带数据调制在载波信号上进行卫星与卫星之间或卫星与地面之间数据传送的设备。

数传发射机原理框图如图1 所示，数传发射机主要由编码调制器、功率放大器、数传天线组成。

作为数传发射机的关键组成部分，编码调制器的功能是对输入的信源数据进行信道编码处理，提高信道传输增益，增强信号传输抗干扰能力。在对数传信道线性度要求较高的应用场景，编码调制器中还需要进行信号预失真处理，以弥补信号功率放大电路带来的非线性影响。

根据应用场景的不同，编码调制器接收从有效载荷、固态存储器、信号处理机或加密机等产品输出的基带数据（统称信源数据）；在可编程器件中对信源数据进行信道编码处理；编码调制器中的载波生成电路产生调制所需的X 波段、Ka 波段或其它波段的单载波信号；载波信号和编码数据在直接射频调制器中进行调制，调制信号输出至功率放大器。

功率放大器是数传发射机的重要组成部分，主要包含固态功率放大器和行波管放大器两种类型的放大器，功能是对编码调制器输出的调制信号进行功率放大和带通滤波，可根据总体需求增加三次谐波抑制滤波器。

天线是数传发射机的重要组成部分，一般由天线主体、固定机构、展开机构或转动机构组成，功能是将功率放大器输出的信号按一定的波束指向和增益对外发射。

2 码速率自适应复用型编码调制器简介

2.1 产品架构

本文所述编码调制器的原理框图如图2 所示，该产品主要由一个时钟处理模块、一个编码调制模块、N 个载波信号生成模块和N个射频调制器组成。

信道编码模块对接收的信号进行信道编码处理，根据不同的应用场景通常推荐选用（4,3,7）卷积编码（含差分编码，通常级联RS 编码使用）或8/7LDPC 编码两种信道编码方式。当输入数据随机性不好（如载荷数据量不大时为保持数据传输的连续性而写入的填充数据）或使用LDPC 这种基于稀疏校验矩阵的分组纠错编码方式时需要在编码模块中进行加扰处理。

时钟处理模块对输入的信源时钟进行频率跟踪和相位同步处理，产生编码电路所需的多种频率和相位的时钟信号，其性能好坏决定了编码调制器方案设计的复杂度和数据传输的可靠性。

载波信号生成模块由晶振和倍频电路组成，产生射频调制所需的固定频率载波信号。

射频调制模块可选择BPSK、QPSK、OQPSK 调制方式；可选择S 波段、L 波段、X 波段、Ka 波段或Ku 波段调制载波；可适应1Kbps～650Mbps（受限于该编码调制器的架构设计）范围的信息传输速率。

2.2 信道编码模块

信道编码模块是编码调制器的核心，根据不同的应用场景需求可选择差分编码级联（4,3,7）卷积编码或选择8/7LDPC 编码的编码方式，其硬件电路可以由CPLD 芯片、反熔丝型FPGA 芯片或SRAM 型FPGA 芯片实现。

差分编码通过累积和运算进行自然码与反射码的转换（即实现绝对二进制系列与相对二进制序列的转换），以解决BPSK、QPSK 信道传输过程中产生的相位模糊问题。

差分编码级联（4,3,7）卷积编码的编码方式的特点是通过简单的编码电路即可实现较大的编码增益和较强的抗干扰性能。不同于分组码，（4,3,7）卷积编码由连续输入的信息序列得到连续输出的编码序列，编码输出的每4 比特编码数据不仅与输入的3 比特信息码元有关，还与前后6 个码字的信息码元都相关联。此外，还可以在卷积编码之前加入RS 编码来提高数据传输纠正随机错误和突发错误的能力。

差分编码级联（4,3,7）卷积编码的编码方式占用硬件资源较少，可通过门电路规模较小的CPLD 芯片或反熔丝型FPGA 芯片实现，产品可靠性较高，而且可多通道实时、独立、并行处理，实现星间、星地链路编码调制器一体化设计。

8/7LDPC 编码是一种具有稀疏校验矩阵的线性分组纠错码，性能逼近香农极限，由于结构并行的特点更适合于大容量通信应用场景。但是8/7LDPC 编码的编码电路比较复杂，硬件资源需求比较大，需要几十万门电路规模级别的反熔丝FPGA 芯片来实现，若要进行多通道并行处理则需要更大规模的FPGA 芯片；编码时延较大，不适用于对数据传输实时性要求较高的应用场景。

图1：数传发射机原理框图

图2：编码调制器原理框图

2.3 时钟处理模块

编码调制器的所有电路都由时钟处理模块驱动，时钟处理模块的性能好坏直接影响到产品的性能。

在编码调制器与上一级产品不共用晶振的情况下，编码调制器的信号接收时钟与上一级产品输出的信源数据时钟存在一定的频率差和相位差。传统编码调制器通过FPGA 芯片内置DLL/PLL 锁相环或外部锁相环来消除收发时钟之间的频率差和相位差。这种方法虽然可以避免因收发时钟的差异导致的误差累计型单比特误码问题，但是仍然存在几个问题：一是锁相环的特性限制了收发时钟的频率范围；二是收发时钟的同步建立需要一定的时间；三是锁相环（尤其是FPGA 内置锁相环）可能因输入时钟的抖动或偏移、电压扰动、空间辐射、环境温度等外界因素的影响发生失锁或错锁。

本文所述编码调制器针对所用的两种信道编码方式采用了两种不同的时钟处理电路来实现信源数据的非锁相大动态码速率自适应同步接收。

差分编码级联（4,3,7）卷积编码的编码电路虽然简单，但是其非分组码的编码方式和需要对编码输出数据进行打孔处理（即删余增信处理）的方式决定了其时钟处理电路较复杂，需要在不使用锁相环的情况下对输入时钟进行非整数分频处理，以便实现较快的时钟同步和较宽的信源时钟频率适应范围。

8/7LDPC 编码的编码电路较复杂，但是因其分组码的特性可以通过在信源端进行数据分组处理的方法给编码电路预留出校验位的位置，将信源端和信号发射端基带数据处理电路的时钟控制在相同或整数倍的关系，避免使用锁相环电路进行时钟处理，从而实现了较快的时钟同步处理和较宽的信源时钟频率适应范围，同时提升了系统的可靠性。

因信源数据的随机性可能被填充数据或LDPC 编码矩阵的稀疏性破坏，从而影响数传信道传输的性能，需要在编码后进行加扰处理。因QPSK、OQPSK 调制为双路调制方式，为确保信号传输质量需要分别对I/Q 两路数据进行加扰处理，同时为确保两路调制数据的非相关性（I/Q 两路数据相关性较大会影响QPSK、OQPSK 调制的频谱和性能）应选择不同的扰码序列进行加扰。

该编码调制器并非通过软件无线电的方法进行信号的调制发射处理，因此无法通过软件算法实现信号的非线性预失真处理。同时BPSK、QPSK、OQPSK 调制属恒包络调制方式，受信道非线性影响较小，故不需要对信号进行非线性预失真处理。

2.4 载波信号生成模块

载波信号生成模块主要包含晶振和倍频两个模块。

编码调制器对调制载波的频率稳定度和频率准确度要求较高，根据不同的应用场景可选择恒温晶振或温补晶振作为编码调制器的载波频率基准，晶体选择泛音晶体。恒温晶振的频率稳定度比温补晶振高一个量级，但是体积和功耗较大，且需要几分钟的加热时间才能让晶振到达稳定的工作状态，而温补晶振在加电后很快就工作在稳定状态。

倍频模块通常为倍频器、锁相倍频器或PDRO（锁相介质振荡器），对相位噪声恶化指标和谐波、杂波抑制指标有一定的要求，锁相倍频器性能优于普通倍频器。需要注意的是采用二极管（此处特指用于微带电路的T 型二极管）倍频电路的一定要注意二极管与微带板之间接地焊接的可靠性，防止因虚焊导致产品工作异常或失效。

此外，在进行星间、星地多链路复用型编码调制器设计时应充分考虑不同发射链路间频率的干扰问题，充分考虑镜像频率、交调频率、谐波频率的影响，避免产生固有设计缺陷。

2.5 射频调制模块

传统QPSK 调制模块一般采用微带电路级联非平衡混频器和隔离器组成调制电路，再通过上变频器将载波调整到所需波段的调制方法。因国产非平衡混频器和隔离器的工艺一致性问题，同型号器件之间性能上也存在着微小差异，导致电路调试阶段需要配对使用，甚至需要通过调试微带电路来进行纠正，费时费力，可靠性不高。本文所述编码调制器用一个射频调制芯片（部分波段直接射频调制器件已实现了国产化）实现射频调制，电路简单可靠、性能优异，受环境影响较小。

3 码速率自适应复用型编码调制器技术特点

码速率自适应复用型编码调制器的技术特点如下：

3.1 性能优异

码速率自适应复用型编码调制器的带外抑制、杂波抑制、谐波抑制、载波频率精度、载波频率稳定度、信噪比、误码率、可靠度和使用寿命等指标在国内外均属先进水平，充分满足不同轨道空间飞行器应用场景的需求。

3.2 适应能力强

码速率自适应复用型编码调制器能适应1Kbps～650Mbps 速率的数据传输需求（不需要调整软、硬件）；能适应L 波段、S 波段、X 波段、Ka 波段、Ku 波段的载波频率需求；能适应BPSK、QPSK、OQPSK 的调制需求；能适应-25℃～55℃的工作温度需求。

3.3 可拓展性强

在调制载波频率范围、天线波束指向不冲突的情况下，码速率自适应复用型编码调制器能同时满足星间、星地多个信道的信息传输需求，实现一机多传、星/地复用的场景应用。

3.4 可靠性高

码速率自适应复用型编码调制器元器件质量等级较高；在热学、力学等方面进行了优化设计；在软件、硬件设计等方面采取了一定的裕度设计；在抗辐射、三防等方面采取了特殊的工艺措施，具有较高的可靠性，较长的使用寿命。

4 应用场景和产品意义

码速率自适应复用型编码调制器通常应用于有星间、星地中/低速率数据传输应用需求的高、中、低轨空间飞行器平台。根据应用场景的需求可选择不同的载波波段、不同的数传速率、不同的信道编码方式、不同的调制方式，可选择多个数传通道并行传输数据，具有优异的性能，较强的适应性和拓展能力，较高的可靠性，较长的使用寿命，可作为型谱产品推广应用。