面向深空通信的自适应传输装置及算法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及通信领域中自适应传输装置及算法，特别涉及深空探测背景下的面向 深空通信的自适应传输装置及算法。
【背景技术】：
[0002] 对于大多无线通信系统，其信道状况都会存在一定的时变性，信道容量和接收端 信噪比等信道参数都会随机发生变化。当采用同一种传输方式时，通信系统会出现无法满 足信道状况变化的情况，从而制约数据传输的质量。自适应传输的基本思想就是通过对发 射功率、符号速率、调制方式、编码方式或这些参数相结合的自适应改变，来达到提高信道 利用率，降低系统误码率，提高系统吞吐量的目的。
[0003] 相比于传统地面无线信道，深空信道恶劣程度差别非常大，不同信道状态变化较 快且存在较大的特殊性。遥远的传输距离会造成巨大的路径损耗，深空环境下复杂的背景 噪声如太阳噪声、宇宙背景噪声、行星噪声、月球噪声等对接收信号信噪比影响巨大，还有 太阳活动抛射的带电粒子物质造成的太阳闪烁，也会对信号造成散射作用而形成多径效 应。因此，为了保证传输性能，深空通信过程中需要根据信道状况实时改变信号传输参数。
[0004] 国际空间数据系统咨询委员会（ConsultativeCommitteeforSpaceData Systems，CCSDS)为了提高深空资源利用率，加强国际间的合作，提出了针对深空环境的空 间链路协议也称CCSDS标准。该标准主要对航天器之间以及航天器与地面站之间的通信方 式进行了规范，有效地促进了空间网络的全球化与立体化。该标准规定深空收发机可支持 Ik~2048kbps范围内12种传输速率，其数据单元-邻近链路传输单元（PLTU)由附加同步 标志位（ASM)、V-3帧和CRC-32组成，V-3帧长度最大为2048B。
[0005] 本发明主要对深空通信背景下遵循CCSDS标准的深空收发系统的速率及帧长自 适应调整算法及实现装置。本发明中数据传输速率自适应传输的基本原理为：信号带宽与 码元传输速率成正比，通过降低码元速率可降低传输带宽，接收端自适应滤波器带宽随之 减小，带内噪声降低，信号功率不变时信噪比升高；帧长自适应传输的基本原理为：由于多 径效应、多普勒等因素的影响，传输信道会产生时变衰落，此时信道传输特性保持不变的时 间称为信道相干时间。当发射信号的持续时间超过信道相干时间时，传输信号会受到时间 选择性衰落的影响，因此，为了保证接收端接收信号可以在帧头补偿过程中纠正信道影响， 每帧数据持续时间应该远远小于相干时间。
【发明内容】
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[0006] 为了克服深空信道恶劣状态变化带来的传输效率问题，本发明采用一种面向深空 通信的自适应传输装置及算法，其根据信道状态动态改变传输速率和传输帧长，主要通过 实时估计接收信号信噪比的办法，利用反馈状态信息的方式对信号传输速率、传输帧长作 出调整，保证系统误码性能与吞吐量同时满足要求。
[0007] 本发明采用如下技术方案：一种面向深空通信的自适应传输装置，其包括上/下 行链路中发射端和接收端，所述上行链路发射端包括状态字解析模块、状态字组帧模块、发 射参数调整模块、发送帧队列模块及发送模块；所述接收端包括接收模块、解调模块、状态 字提取模块、信道估计与门限判决模块、反馈状态字生成模块、状态字解析模块及接收参数 调整模块；所述发射端的状态解析模块两路输出分别与状态字组帧、发射参数调整模块相 连，状态字组帧模块输出与发送帧队列相连，发射参数调整模块输出与发送模块相连；所述 接收端的解调模块两路输出分别与状态字提取模块、信道估计与门限比较模块相连，状态 字提取模块输出与状态字解析模块相连，状态字解析模块输出连接有接收参数调整模块和 反馈状态字生成模块，信道估计与门限比较模块输出与反馈状态字生成模块相连，反馈状 态字生成模块输出与状态字解析模块相连，所述下行链路的组成和实现过程与上行链路一 致。
[0008] 进一步地，所述发射端实现结构包括发送模块中脉冲成形滤波器、速率切换模块、 调制模块，状态字解析模块中速率控制模块，发射参数调整模块中的时钟切换模块、帧长选 择模块；所述接收端实现结构包括接收模块中的A/D转换、降速模块，解调模块中自适应多 速率载波同步模块、符号同步模块、帧同步模块，状态字提取模块中的帧信息提取模块，信 道估计与门限判决模块中的信噪比估计及门限判决模块，反馈状态字生成模块中的状态反 馈模块，接收参数调整模块中时钟切换模块、速率控制模块；发射端速率控制模块由外部 输入状态字控制，同时速率切换模块、时钟切换模块由速率控制模块决定，接收端的帧信息 提取模块输出与速率控制模块相连，速率控制模块输出与时钟切换模块、自适应多速率载 波同步模块相连，信噪比估计与门限判决模块输出的反馈控制字通过反馈通道传送到发射 端。
[0009] 进一步地，所述自适应多速率载波同步模块包括乘法器、乘法器、数控振荡器、第 一可编程积分梳妆滤波器、第二可编程积分梳妆滤波器、第一匹配滤波器、第二匹配滤波 器、鉴相器、可调整环路滤波器及环路滤波器切换，信息提取模块对应速率信息提取模块， 信噪比估计与判决模块包括信噪比估计模块和信噪比门限判决模块，乘法器两路输入信号 分别与接收信号、数控振荡器输出相连，乘法器输出端与第一可编程积分梳妆滤波器相连， 第一可编程积分梳妆滤波器输出端与第一匹配滤波器相连，可调整环路滤波器输出与数控 振荡器相连，速率信息提取模块输出与信噪比估计模块相连，信噪比估计模块输出与信噪 比门限判决t旲块相连。
[0010] 进一步地，所述信噪比估计及判决模块包括2次多项式数据拟合估计模块、估计 方案选择模块、3次多项式数据拟合估计模块、平方信号与噪声方差估计模块、门限比较模 块，2次多项式估计模块输出与估计方案选择模块相连，估计方案选择模块输出使能信号分 别与3次多项式数据拟合估计模块、平方信号与噪声方差估计模块相连，3次多项式数据拟 合估计模块或者平方信号与噪声方差估计模块输出连接到门限比较模块。
[0011] 本发明还采用如下技术方案：一种面向深空通信的自适应传输算法，其包括如下 步骤：
[0012] (1).根据邻近空间链路协议要求，首先，收发系统以初始速率、初始传输帧长启动 "握手"过程，本地接收机利用帧同步后的输出信号通过信道估计与门限比较模块进行信噪 比估计，并将估计出的信噪比值将与参考值进行比较，比较结果直接映射出速率控制字并 传输到本地发射机状态字解析模块（下行链路），解析出的控制信息经过状态字组帧模块 (下行链路）进行状态字组帧；
[0013] (2).然后，当本地发射机检测到准备好的状态控制帧，将切换工作模式，暂停正在 传送的用户信息转而传送状态控制帧；
[0014] (3).最后，远程接收机经过状态字提取模块获取速率彳目息，得到的接收速率彳目息 传输到状态字解析模块用来控制本地接收机调整到对应传输速率、传输帧长，而得到的发 射机速率信息则同样需传送到远程发射机，一方面传输到发射参数调整模块用来修改发射 机速率，另一方面传输到状态字组帧模块进行控制字组帧准备传输到本地接收机，收发系 统"握手"完成后将进入数据传输阶段，该阶段的自适应变速、变帧长方法与"握手"过程中 相同。
[0015] 本发明具有如下有益效果：
[0016] (1).本发明提出了一种由外部状态信息控制的包含可编程积分梳妆滤波器和可 调整环路滤波器的自适应多速率载波同步电路，可实现对多种速率信号的自适应鉴频、鉴 相；
[0017] (2).本发明提出了一种信噪比估计实现方案，并以系统误码性能为前提，利用估 计出的信噪比与门限的关系实现收发系统的自适应变速功能；
[0018] (3).本发明提出了一种利用信道相干时间和码元速率确定传输帧长的方法，能够 有效降低信道时间选择性衰落对传输性能的影响。
【附图说明】：
[0019] 图1为自适应算法设计原理。
[0020] 图2为基于信噪比自适应变速、变帧长实现方案。
[0021] 图3为多速率切换实现原理。
[0022] 图4为接收端自适应滤波及速率选择实现结构。
[0023] 图5为信噪比估计与门限比较方案。
[0024] 图6为QPSK信号在12种速率下输入信噪比与输出信噪比关系。
【具体实施方式】：
[0025] 请参照图1所示，本发明面向深空通信的自适应传输装置包括上/下行链路中发 射端和接收端，上行链路发射端1-6和接收端1-14,其中发射端1-6包括状态字解析模块 1-1、状态字组帧模块1-2、发射参数调整模块1-3、发送帧队列模块1-4及发送模块1-5,接 收端1-14包括接收模块1-13、解调模块1-12、状态字提取模块1-9、信道估计与门限判决 模块1-10、反馈状态字生成模块1-11、状态字解析模块1-8及接收参数调整模块1-7。其 中发射端1-6的状态解析模块1-1两路输出分别与状态字组帧1-2、发射参数调整模块1-3 相连，状态字组帧模块1-2输出与发送帧队列1-4相连，发射参数调整模块1-3输出与发送 模块1-5相连；接收端1-14的解调模块1-12两路输出分别与状态字提取模块1-9、信道估 计与门限比较模块1-10相连，状态字提取模块1-9输出与