面向深空通信的自適應傳輸裝置及算法
【技術領域】：
[0001] 本發明涉及通信領域中自適應傳輸裝置及算法，特別涉及深空探測背景下的面向 深空通信的自適應傳輸裝置及算法。
【背景技術】：
[0002] 對于大多無線通信系統，其信道狀況都會存在一定的時變性，信道容量和接收端 信噪比等信道參數都會隨機發生變化。當采用同一種傳輸方式時，通信系統會出現無法滿 足信道狀況變化的情況，從而制約數據傳輸的質量。自適應傳輸的基本思想就是通過對發 射功率、符號速率、調制方式、編碼方式或這些參數相結合的自適應改變，來達到提高信道 利用率，降低系統誤碼率，提高系統吞吐量的目的。
[0003] 相比于傳統地面無線信道，深空信道惡劣程度差別非常大，不同信道狀態變化較 快且存在較大的特殊性。遙遠的傳輸距離會造成巨大的路徑損耗，深空環境下復雜的背景 噪聲如太陽噪聲、宇宙背景噪聲、行星噪聲、月球噪聲等對接收信號信噪比影響巨大，還有 太陽活動拋射的帶電粒子物質造成的太陽閃爍，也會對信號造成散射作用而形成多徑效 應。因此，為了保證傳輸性能，深空通信過程中需要根據信道狀況實時改變信號傳輸參數。
[0004] 國際空間數據系統咨詢委員會（ConsultativeCommitteeforSpaceData Systems，CCSDS)為了提高深空資源利用率，加強國際間的合作，提出了針對深空環境的空 間鏈路協議也稱CCSDS標準。該標準主要對航天器之間以及航天器與地面站之間的通信方 式進行了規范，有效地促進了空間網絡的全球化與立體化。該標準規定深空收發機可支持 Ik~2048kbps范圍內12種傳輸速率，其數據單元-鄰近鏈路傳輸單元（PLTU)由附加同步 標志位（ASM)、V-3幀和CRC-32組成，V-3幀長度最大為2048B。
[0005] 本發明主要對深空通信背景下遵循CCSDS標準的深空收發系統的速率及幀長自 適應調整算法及實現裝置。本發明中數據傳輸速率自適應傳輸的基本原理為：信號帶寬與 碼元傳輸速率成正比，通過降低碼元速率可降低傳輸帶寬，接收端自適應濾波器帶寬隨之 減小，帶內噪聲降低，信號功率不變時信噪比升高；幀長自適應傳輸的基本原理為：由于多 徑效應、多普勒等因素的影響，傳輸信道會產生時變衰落，此時信道傳輸特性保持不變的時 間稱為信道相干時間。當發射信號的持續時間超過信道相干時間時，傳輸信號會受到時間 選擇性衰落的影響，因此，為了保證接收端接收信號可以在幀頭補償過程中糾正信道影響， 每幀數據持續時間應該遠遠小于相干時間。
【發明內容】
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[0006] 為了克服深空信道惡劣狀態變化帶來的傳輸效率問題，本發明采用一種面向深空 通信的自適應傳輸裝置及算法，其根據信道狀態動態改變傳輸速率和傳輸幀長，主要通過 實時估計接收信號信噪比的辦法，利用反饋狀態信息的方式對信號傳輸速率、傳輸幀長作 出調整，保證系統誤碼性能與吞吐量同時滿足要求。
[0007] 本發明采用如下技術方案：一種面向深空通信的自適應傳輸裝置，其包括上/下 行鏈路中發射端和接收端，所述上行鏈路發射端包括狀態字解析模塊、狀態字組幀模塊、發 射參數調整模塊、發送幀隊列模塊及發送模塊；所述接收端包括接收模塊、解調模塊、狀態 字提取模塊、信道估計與門限判決模塊、反饋狀態字生成模塊、狀態字解析模塊及接收參數 調整模塊；所述發射端的狀態解析模塊兩路輸出分別與狀態字組幀、發射參數調整模塊相 連，狀態字組幀模塊輸出與發送幀隊列相連，發射參數調整模塊輸出與發送模塊相連；所述 接收端的解調模塊兩路輸出分別與狀態字提取模塊、信道估計與門限比較模塊相連，狀態 字提取模塊輸出與狀態字解析模塊相連，狀態字解析模塊輸出連接有接收參數調整模塊和 反饋狀態字生成模塊，信道估計與門限比較模塊輸出與反饋狀態字生成模塊相連，反饋狀 態字生成模塊輸出與狀態字解析模塊相連，所述下行鏈路的組成和實現過程與上行鏈路一 致。
[0008] 進一步地，所述發射端實現結構包括發送模塊中脈沖成形濾波器、速率切換模塊、 調制模塊，狀態字解析模塊中速率控制模塊，發射參數調整模塊中的時鐘切換模塊、幀長選 擇模塊；所述接收端實現結構包括接收模塊中的A/D轉換、降速模塊，解調模塊中自適應多 速率載波同步模塊、符號同步模塊、幀同步模塊，狀態字提取模塊中的幀信息提取模塊，信 道估計與門限判決模塊中的信噪比估計及門限判決模塊，反饋狀態字生成模塊中的狀態反 饋模塊，接收參數調整模塊中時鐘切換模塊、速率控制模塊；發射端速率控制模塊由外部 輸入狀態字控制，同時速率切換模塊、時鐘切換模塊由速率控制模塊決定，接收端的幀信息 提取模塊輸出與速率控制模塊相連，速率控制模塊輸出與時鐘切換模塊、自適應多速率載 波同步模塊相連，信噪比估計與門限判決模塊輸出的反饋控制字通過反饋通道傳送到發射 端。
[0009] 進一步地，所述自適應多速率載波同步模塊包括乘法器、乘法器、數控振蕩器、第 一可編程積分梳妝濾波器、第二可編程積分梳妝濾波器、第一匹配濾波器、第二匹配濾波 器、鑒相器、可調整環路濾波器及環路濾波器切換，信息提取模塊對應速率信息提取模塊， 信噪比估計與判決模塊包括信噪比估計模塊和信噪比門限判決模塊，乘法器兩路輸入信號 分別與接收信號、數控振蕩器輸出相連，乘法器輸出端與第一可編程積分梳妝濾波器相連， 第一可編程積分梳妝濾波器輸出端與第一匹配濾波器相連，可調整環路濾波器輸出與數控 振蕩器相連，速率信息提取模塊輸出與信噪比估計模塊相連，信噪比估計模塊輸出與信噪 比門限判決t旲塊相連。
[0010] 進一步地，所述信噪比估計及判決模塊包括2次多項式數據擬合估計模塊、估計 方案選擇模塊、3次多項式數據擬合估計模塊、平方信號與噪聲方差估計模塊、門限比較模 塊，2次多項式估計模塊輸出與估計方案選擇模塊相連，估計方案選擇模塊輸出使能信號分 別與3次多項式數據擬合估計模塊、平方信號與噪聲方差估計模塊相連，3次多項式數據擬 合估計模塊或者平方信號與噪聲方差估計模塊輸出連接到門限比較模塊。
[0011] 本發明還采用如下技術方案：一種面向深空通信的自適應傳輸算法，其包括如下 步驟：
[0012] (1).根據鄰近空間鏈路協議要求，首先，收發系統以初始速率、初始傳輸幀長啟動 "握手"過程，本地接收機利用幀同步后的輸出信號通過信道估計與門限比較模塊進行信噪 比估計，并將估計出的信噪比值將與參考值進行比較，比較結果直接映射出速率控制字并 傳輸到本地發射機狀態字解析模塊（下行鏈路），解析出的控制信息經過狀態字組幀模塊 (下行鏈路）進行狀態字組幀；
[0013] (2).然后，當本地發射機檢測到準備好的狀態控制幀，將切換工作模式，暫停正在 傳送的用戶信息轉而傳送狀態控制幀；
[0014] (3).最后，遠程接收機經過狀態字提取模塊獲取速率彳目息，得到的接收速率彳目息 傳輸到狀態字解析模塊用來控制本地接收機調整到對應傳輸速率、傳輸幀長，而得到的發 射機速率信息則同樣需傳送到遠程發射機，一方面傳輸到發射參數調整模塊用來修改發射 機速率，另一方面傳輸到狀態字組幀模塊進行控制字組幀準備傳輸到本地接收機，收發系 統"握手"完成后將進入數據傳輸階段，該階段的自適應變速、變幀長方法與"握手"過程中 相同。
[0015] 本發明具有如下有益效果：
[0016] (1).本發明提出了一種由外部狀態信息控制的包含可編程積分梳妝濾波器和可 調整環路濾波器的自適應多速率載波同步電路，可實現對多種速率信號的自適應鑒頻、鑒 相；
[0017] (2).本發明提出了一種信噪比估計實現方案，并以系統誤碼性能為前提，利用估 計出的信噪比與門限的關系實現收發系統的自適應變速功能；
[0018] (3).本發明提出了一種利用信道相干時間和碼元速率確定傳輸幀長的方法，能夠 有效降低信道時間選擇性衰落對傳輸性能的影響。
【附圖說明】：
[0019] 圖1為自適應算法設計原理。
[0020] 圖2為基于信噪比自適應變速、變幀長實現方案。
[0021] 圖3為多速率切換實現原理。
[0022] 圖4為接收端自適應濾波及速率選擇實現結構。
[0023] 圖5為信噪比估計與門限比較方案。
[0024] 圖6為QPSK信號在12種速率下輸入信噪比與輸出信噪比關系。
【具體實施方式】：
[0025] 請參照圖1所示，本發明面向深空通信的自適應傳輸裝置包括上/下行鏈路中發 射端和接收端，上行鏈路發射端1-6和接收端1-14,其中發射端1-6包括狀態字解析模塊 1-1、狀態字組幀模塊1-2、發射參數調整模塊1-3、發送幀隊列模塊1-4及發送模塊1-5,接 收端1-14包括接收模塊1-13、解調模塊1-12、狀態字提取模塊1-9、信道估計與門限判決 模塊1-10、反饋狀態字生成模塊1-11、狀態字解析模塊1-8及接收參數調整模塊1-7。其 中發射端1-6的狀態解析模塊1-1兩路輸出分別與狀態字組幀1-2、發射參數調整模塊1-3 相連，狀態字組幀模塊1-2輸出與發送幀隊列1-4相連，發射參數調整模塊1-3輸出與發送 模塊1-5相連；接收端1-14的解調模塊1-12兩路輸出分別與狀態字提取模塊1-9、信道估 計與門限比較模塊1-10相連，狀態字提取模塊1-9輸出與