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1卫星通信系统组成及工作过程

1.1卫星通信系统组成卫星通信系统由两段组成，即地面段和空间段。

1.1.1空间段空间段包括通信卫星以及地面用于卫星控制和监测的设施，即卫星控制中心，及其跟踪、遥测和指令站，能源装置等。

1.1.2地面段地面段包括所有的地球站，这些地球站通常通过一个地面网络连接到终端用户设备，或直接连接终端用户设备。地球站的主要功能是将发射的信号传送到卫星，再从卫星接收信号。地球站根据服务类型，大致可分为用户站、关口站和服务站3类。

1.2卫星通信系统的工作过程卫星通信系统地球站中各个已调载波的发射或接收通路经过卫星转发器转发，可以组成多条单跳或双跳的双工或单工卫星通信线路，整个通信系统的通信任务就是分别利用这些线路来实现的。单跳单工的卫星通信系统进行通信时，地面用户发出的基带信号经过地面通信网络传送到地球站。在地球站，通信设备对基带信号进行处理使其成为已调射频载波后发送到卫星。卫星作为中继站，接收此系统中所有地球站用上行频率发来的已调射频载波，然后进行放大和变频，用下行频率发送到接收地球站。接收地球站对接收到的已调射频载波进行处理，解调出基带信号，再通过地面网络传送给用户。为了避免上下行信号互相干扰，上下行频率一般使用不同的频谱，尽量保持足够大的间隔，以增加收发信号的隔离度。

2卫星通信所使用的频率

卫星通信所用的频率大多是C频段和Ku频段，但是由于业务量急剧增加，这两个频段乃至1—10GHz的频段都显得过于拥挤，所以必须开发更高的频段。现已开发出Ka（26—40GHz）频段，其带宽是3—4GHz，远大于上述两个频段。

3卫星通信的基本参数

1卫星通信的优势与劣势分析

1.1卫星通信具有众多的优势（1）电波覆盖地域比较宽广。（2）传输路数多，通信容量大。（3）通信稳定性好、质量高。（4）卫星通信不受地域限制，运用方式灵活。

1.2卫星通信的一些劣势主要的方面有：（1）延迟现象比较常见。（2）传播过程中由于信号较差，容易出现信号中断的现象。（3）终端产品的选择面不广。

2卫星通信产品的多址体制方式的选择

卫星通信由于具有广播和大范围覆盖的特点，因此，特别适合于多个站之间同时通信，即多址通信。多址通信是指卫星天线波束覆盖区内的任何地球站可以通过共同的卫星进行双边或多边通信。目前比较常用的两种卫星通信多址体制方式为：TDM-FDMA（时分复用-频分多址）和MF-TDMA（跳频-时分多址）。（1）多址体制方式一：TDM-FDMA。（2）多址体制方式二：MF-TDMA。

3卫星通信在铁路应急通信中的应用网络架构

有时候会因为遇到突发性、严重的自然灾害、人为因素导致其他所有通信手段无法使用时，而应急指挥中心又急需现场相关资料，这时就可以利用卫星通信覆盖区域广和快速部署的优势将信息发送到应急指挥中心。常规卫星系统现场接入方式可以分成两种：一种是车载型，一种是便携型，这两种卫星接入方式可以视现场情况而定。而对于铁路应急通信人员来说，以上两种接入方式均可以采用，但在到达应急现场后，还需要在现场对卫星接入设备进行开设，考虑操作使用人员的技术水平和熟练程度，选择自动对星的车载或便携卫星设备就显得非常的方便，可确保快速建立通信链路保证通信。

事发现场人员要将信息传送到应急指挥中心，在铁路应急卫星通信系统网络建设时，可根据实际情况需要，按下文所述三种方案进行建设，如图1所示。

卫星移动通信系统对地面通信系统有着补充的作用，使地理覆盖范围更广泛。在灾害、战争等紧急情况下，卫星移动通信系统被视为完全独立的地面基础设施。卫星移动通信系统在过去的十年与地面移动通信系统共同发展，已有显著的进步。因此，分析地面3G、4G空中接口在卫星通信系统的适用性对未来卫星通信系统标准的制定起到指导性的作用，而WCDMA和LTE标准分别是地面3G、4G空中接口的典型代表。

3GPP（The3rdGenerationPartnershipProject，第三代合作伙伴计划）的LTE（LongTermEvolution，长期演进）标准是4G移动通信的主要技术方案之一。文献[1-2]针对星上功率放大器引起的非线性失真、大时延特性和时间分集对LTE空中接口进行改进。文献[3]通过分析卫星信道物理特性，并将信道物理特性作为依据对LTE的空中接口进行改进，增强了卫星信道传输的可靠性。上述文献都提出了LTE空中接口适应卫星通信系统可能会遇到的典型问题，并给出了主流的改进策略，但并没有在理论上详细探究LTE空中接口在卫星系统上的可行性，并且没有将WCDMA与OFDMA两种空中接口在卫星信道下对比分析。

文中首先系统性的阐述了以WCDMA和OFDMA为典型代表的地面3G、4G移动通信空中接口，研究了卫星移动通信系统的架构和特点，然后从信噪比门限、误码率、功放非线性影响这3个方面对比了WCDMA和OFDMA作为卫星系统空中接口的可行性，最后总结了现有文献基于LTE在卫星系统中使用的改进方案，为未来卫星移动通信系统空中接口的制定起到了一定的指导作用。

1地面空中接口概述

WCDMA和OFDMA分别是地面3G、4G标准的空中接口，本节分别对两种空中接口的特点、信道、调制编码方式等方面进行了概述。

1.1WCDMA空中接口

WCDMA是通用移动通信系统（UniversalMobileTelecommunicationsSystem，UMTS）的空中接口标准，而UMTS是国际标准化组织3GPP制定的全球3G标准之一。WCDMA基于直扩序列码分多址（DS-CDMA）技术，采用QPSK调制，载波带宽为5MHz，工作模式是FDD双工，并且支持不同数据速率的业务传输，最高可达2Mbps。在UMTS标准的后续版本引入新的链路层技术，支持更高的数据速率服务，具有更好的功率/带宽效率，如增强版本是高速分组接入（HighSpeedPacketAccess，HSPA），HSPA包括高速下行分组接入（HSDPA）和高速上行分组接入（HSUPA）。HSDPA引入高速下行链路共享信道（HighSpeedDownlinkSharedChannel，HS-DSCH），支持突发性、非对称和高速率的分组数据业务。它支持QPSK/16QAM的调制方式，使用基本速率为1/3的并行级联卷积Turbo码（ParallelConcatenatedConvolutionalCode，PCCC），速率匹配通过打孔或重传实现。HSUPA引入增强型专用信道（EnhancedDedicatedChannel，E-DCH），支持更高的上行数据传输速率。该信道使用BPSK调制和正交可变扩频因子（OrthogonalVariableSpreadingFactor，OVSF）码。

1.2OFDMA空中接口

论文关键词：低轨道卫星;通信系统;切换管理

论文摘要：低轨道（LEO）卫星移动通信系统是卫星距离地面500～1500km，运行周期2～4小时的卫星通信系统。铱系统、全球星系统及系统是地轨道卫星移动通信系统发展最快的范例。LEO卫星移动通信系统具有广阔的发展前景

1LEO卫星移动通信系统的特点

低轨（LEO）卫星移动通信系统与中轨（MEO）和静止轨道（GEO）卫星移动通信系统比较，具有以下特点：

1.1由于具有更小的信号衰减和更低的传播时延，低轨卫星通信系统更有利于实现个人全球通信。LEO系统的路径传输损耗通常比GEO低几十分贝，所需发射功率是GEO的1/200-1/2000，传播时延仅为GEO的1/7~1/50，这对于实现终端手持化和达到话音通信所需要的延时要求是十分有利的。

1.2蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术的发展为LEO卫星移动通信提供了技术保障。

1.3由于地面移动终端对卫星的仰角较大，天线波束不易受到地面反射的影响，可避免多径衰落。

1.4它在若干个轨道平面上布置多个卫星，由星间通信链路将多个轨道平面上的卫星联接起来。整个星座如同结构上连成一体的大型平台，在地球表面形成蜂窝状服务小区，服务区用户至少被一个卫星覆盖，用户可随时接入系统。

1资源运行管理

该过程组负责对为客户提供服务所需的所有资源管理和运行维护工作，主要资源包括卫星空间资源、地面卫星系统、知识资源库、IT系统以及后勤配套设施等。该部分负责对基础设施资源进行管理、运行和维护，确保基础设施资源稳定可靠运行，保障基础设施资源处于良好状态并可快速响应客户需求或员工需要。另外，该过程还承担资源信息监控、收集、汇总和统计分析工作，通过对资源信息的汇总、关联和统计分析，从而提高资源使用效率。（4）供应商和合作伙伴关系管理。供应商/合作伙伴主要包含卫星建造商、设备供应商、系统集成商及工程服务商等合作伙伴，该过程组主要负责与各供应商或合作伙伴进行接口和管理，负责采购信息、分析评估、对比选择、合同签署、到货付款以及质量管理等工作。

2战略与基础设施模块垂直过程分组细化设计

战略与基础设施模块垂直过程分为战略和基础设施生命周期管理两个垂直过程分组，如图3所示。战略指出了为开发和实现某个特定市场战略所需的资源建设重点任务，基础设施生存期管理过程驱动和支持为客户提品。它们的重点是满足客户对商务的期望，包括为客户提供的产品或服务、支持运营服务的基础设施，或者在企业为客户提品的过程中涉及的供应商或合作伙伴。（1）战略。该过程负责制定支持产品服务和基础设施的战略，还负责在企业内为实现这些战略而建立的规划方案的落实实施。它覆盖了市场、客户、产品服务和资源各种层次的运营，通过所基于的服务和资源及涉及到的供应商/合作伙伴来满足客户需求。战略高度重视分析研究，其给出企业内专门的业务战略和业务购入策略的侧重点，战略实现的成功与否需要进行有效性跟踪，并且在必要时做相应的调整。（2）基础设施生命周期管理。基础设施生命周期管理负责对基础设施的性能进行评估，并确定新的基础设施或新服务引进开发和建设部署，从而为满足市场和客户需求的运营服务提供支撑。因此，基础设施生命周期管理对客户需求响应和提供企业竞争力具有重要的意义。

3战略与基础设施模块水平过程分组细化设计

与运营和服务模块的四个水平分组相对应，战略与基础设施模块也有四个水平的功能过程分组：营销和定价、业务规划和建设、资源规划和建设、供应链开发和管理。这四个水平的功能过程分组为战略与基础设施模块的垂直过程分组提供支持。如图4所示。（1）营销和定价。该部分包含制定和实施营销和定价策略、开发新的服务和产品、管理已有的产品等所有必须的功能。在竞争越来越激烈的卫星运营市场，革新的速度和品牌的认同决定了企业的成功，因此营销和定价管理是很重要的业务过程。（2）业务规划和建设。为运营过程提供支持，强调业务的计划、开发和交付。它包括制定业务生成和设计的策略；管理和评估现有业务的性能、确保有相应的能力以满足未来业务发展的需要。（3）资源规划和建设。为运营过程提供支持，强调卫星资源等基础设施的规划、建造和交付。主要包括卫星资源建造、知识共享库建设和基础设施配套互联互通，管理和评估现有资源的性能，确保拥有可满足未来业务发展需要的资源能力。（4）供应链开发和管理。强调企业与供应商及合作伙伴的交互，负责建立和维护企业与供应商及合作伙伴之间的所有信息流和资金流，确保企业能够选择最好的供应商和合作伙伴；确保企业有相应的能力与它的供应商和合作伙伴进行交互；确保供应商和合作伙伴能够及时地交付所需要的产品，并且供应商和合作伙伴对企业的整体的性能和贡献优于垂直集成的企业。

4企业管理模块分组细化设计

企业管理模块是为完成卫星通信企业所进行的任何商业运行所必须的基本的业务过程，我们将卫星运营企业管理划分为若干功能部分，主要包括企业发展规划，品牌管理、市场调研和广告，财务和资产管理，人力资源管理、利益相关者和外部关系管理，企业质量管理、流程、IT规划和架构，知识管理和党群纪检管理，如图5所示。

1半物理仿真平台的构建

半物理仿真平台的建立采用.NET环境下应用C#编程语言设计具有Windows风格的人机交互半物理仿真平台。通过各个模块的点击模拟操作，可以很好地实现用户对仿真模型的智能化运动控制，并且在完成仿真运动后，读取并记录显示卫星通信机动站运动过程的所有状态位置信息以及虚拟传感器的测距数据，最后生成仿真动画，达到直观的效果，虚拟场景测得的数据最终和真实环境中的实物所得数据进行比较，从而验证智能化控制算法的合理性、适用性。上位机用户平台包括虚拟现实展示、DLL调用测试、卫星通信机动站控制器半物理仿真通讯平台、状态信息的记录与读取、传感器测距信息的记录与读取，状态信号实现卫星通信机动站的虚拟现实运动动画的展示，人机交互半物理仿真平台，如图2所示。

2卫星通信机动站动力学模型的建立

Maplesim是一个多领域物理建模和仿真工具，它提供了一个三维可视化的环境建模以及动画显示仿真结果，在这种环境下，可以通过简单且直观的方式搭建各种复杂系统的模型，还可以可视化分析仿真结果。在Maplesim中能将建立好的模型转换到C代码中，可以在其他应用程序和工具中使用此C代码。在3D可视化建模环境下可以快捷、方便且直观地创建所需要的动力学仿真模型，之后将模型转生成C代码，在VC++环境下编译C代码生成动力学模型的DLL文件，这样可以方便其他应用程序的调用仿真。本研究基于.NET开发平台采用C#语言编写上位机仿真用户界面，进而对生成的DLL文件进行调用。半物理仿真系统开始执行，给定一个初始时间t0（初始值），每次经过t时间后，对动力学模型DLL文件进行调用，从卫星通信机动站的动力学模型DLL中输出第一个状态信号，将这个状态参数传递给卫星通信机动站控制器实物，控制器中对输入的状态参数完成控制算法后将再次发出控制信号并传递给C#软件环境，再经过t时间，再次调用DLL中的动力学模型。此时卫星通信机动站动力学模型的DLL输出第二个状态信号。如此循环反复执行此过程，如图3所示，形成了一个闭环的半物理仿真系统。

3半物理仿真系统设计

卫星通信机动站半物理仿真系统主要由人机交互操作界面、STM32控制器、信号转换器、数据采集系统以及PC机中的卫星通信机动站动力学模型5部分组成。以STM32控制器为核心的卫星通信机动站半物理仿真系统本身是一个闭环系统，在仿真通讯过程中，由卫星通信机动站控制器实物发出控制信号，控制信号模拟量经过信号转换器转换成数字信号，再通过USB虚拟串口通讯传递给PC机，PC机则调用WindowsAPI（Windows系统中可用的核心应用程序编程接口）对数字信号进行接收。PC机将接收到的信号再调用C#软件环境的动力学仿真模型，最后输出一个状态信号。PC机再将输出的状态信号通过WindowsAPI接口发送出去，状态信号经过USB虚拟串口传递给信号转换器。信号转换器将状态信号数字量转换成模拟量后传给卫星通信机动站控制器，在控制器中完成控制算法后，重新输出新的控制信号。此控制信号再经信号转换器PC机动力学模型的DLL，最终返回状态信号，如此循环地执行就形成了一个闭环的半物理仿真系统［4-5］，如图4所示为半物理仿真系统框图。

4硬件系统的构建

卫星通信机动站的智能化控制是一个复杂的运动控制系统，其具有多自由度、多传感器、多驱动器、多运动形态的特点，对卫星通信机动站在现实运动过程中的多个传感器的输出模拟量数据进行采集，同时采用SPI串口通讯、蓝牙无线通讯的方式将数据传递给PC机上位机软件用户界面，以数据和虚拟动画相结合的方式直观地显示卫星通信机动站的实时运行状态。采用ADAS3022数据采集系统采集传感器数据，经ADAS3022的数字接口SPI与MCU选用的STM32芯片内部自带的SPI通讯，并且可实现内部自带的ADC（模/数转换器）进行信号转换，再通过HC-05嵌入式蓝牙模块与PC机进行通讯，如图5所示为系统总体设计方案。硬件系统设计了一个完整的5V单电源、8通道、多路复用的数据采集系统，可以集成用于工业级信号的可编程增益仪表放大器（PGIA）［6］。如图6所示为数据采集系统电路原理图。数据采集系统主要是以ADAS3022芯片为核心设计的，ADAS3022芯片上具有完整的DAS，它可以以最高1MSPS转换速率进行转换，能够接受的最大输入信号范围最高可达±24.576V的差分模拟输入信号。与传统的数据采集相比，在标准的数据采集方案中都会涉及到信号缓冲、电平转换、放大、噪声抑制以及其它模拟信号调理等，但是在ADAS3022中则无需这些辅助调理电路。这样一种高性能的核心芯片的应用，简化了具有高精密16位数据采集系统的设计难点，降低了成本。此外，在外观上，它具有更小的外形尺寸（6mm×6mm），40引脚的LFCSP封装；在性能方面，它可以提供最佳的时序和噪声性能，工作温度跨度-40℃到+85℃的工业温度范围［7-8］。此电路系统采用ADAS3022、ADP1613、ADR434和AD8031精密器件的组合，可同时提供高精度和低噪声性能。

1MAC层状态描述

MAC层有MAC－Idle、MAC－Shared、MAC－DTM、MAC－Dedicated四个状态［4］。它们之间的转换图如下。

1．1MAC－Idle状态MAC－Idle状态中不存在TBF，MES监视CCCH上子信道的相关传呼。MES可能采用DRX(非连续接收)监视CCCH。在MAC－Idle状态，上层可请求传输一个上层PDU(协议数据单元)，这就会触发在PDCH上建立一个TBF并由Idle状态转入MAC－Shared状态，或者有可能通过RRC流程或者是RLC/MAC流程在DCH上触发建立一个TBF，MES会在完成建立DCH后由Idle状态转入MAC－Dedicated状态。

1．2MAC－Shared状态在MAC－Shared状态中，MES分配无线资源提供TBF用于在一个或多个PDCH上产生点到点连接。TBF用于在网络和MES之间单向传输上层PDU。在MAC－Shared状态，上层可请求传输一个上层PDU，这就会通过RRC流程在DCH上触发建立一个TBF，这将会使MES由MAC－Shared状态转入MAC－DTM状态。当上行链路和下行链路中的TBF都被释放时，MES返回到MAC－Idle状态。当重新配置PDCH到DCH的所有无线承载，释放完PDCH上所有的TBF并建立第一个DCH时，MES将会由MAC－Shared状态转入MAC－Dedicated状态。

1．3MAC－DTM状态在MAC－DTM状态MES将无线资源分配给一个或多个DCH和一个或多个PDCH。在MAC－DTM状态当所有在PDCH上上行或下行的TBF都被释放之后，MES进入MAC－Dedicated状态。在释放了所有的DCH之后，MES进入MAC－Shared状态。在释放了所有的PDCH和DCH之后，MES进入MAC－Idle状态。

1．4MAC－Dedicated状态在MAC－Dedicated状态MES分配无线资源以提供一个或多个DCH(专有信道)。在释放掉所有的DCH之后，由MAC－Dedicated状态转入MAC－Idle状态，当从DCH到PDCH(分组数据物理信道)的所有无线承载都被重新配置以后，MES将会在释放完所有的DCH并在PDCH上建立第一个TBF时由MAC－Dedicated状态转入MAC－Shared状态。

1．5MAC层对组呼的支持由于GMR－1系统的MAC层不支持组呼功能，所以要对MAC层做一些改变。我们设计了组呼模块，它和单呼模块是并列的关系。根据逻辑信道的映射和MAC层的状态来区分单呼和组呼两个模块通道。组呼工作在电路域，只跟DCH有关，跟PDCH无关［5］。所以在MAC状态机中加入两个状态，分别是MAC－Ready－Gcc(组呼控制)状态和MAC－Dedicated－Gcc状态。工作在MAC－Dedicated－Gcc状态下的主/被叫移动台，正常接收MACDATA，状态不变;在释放掉所有DCH后，由MAC－Dedicated－Gcc状态转入MAC－Idle状态。主叫移动台发起组呼时，RRC层利用原语参数配置MAC层状态;接收下行报文时，MAC层根据MAC－Dedicated－Gcc状态将消息递交给上层组呼模块。图4是主叫用户的组呼MAC转移图。被叫侧成员移动台根据接收到的NCH逻辑信道通知MAC层转入MAC－Dedicated－Gcc状态，工作在组呼模块。流程如图所示。图5是被叫成员移动台组呼MAC状态转移图。集群组呼中，网络要向多个成员移动台发送寻呼通知消息，因此需要采用广播的方式发送。我们增添NCH为组呼通知信道。由于系统资源有限，这里我们借用未配置的CBCH逻辑信道的位置来配置NCH逻辑信道，NCH逻辑信道的突发结构和调制解调编解码方式与CBCH逻辑信道保持一致。例如，如果BCCH指派CBCH使用第一帧，则NCH使用2、3、4帧，如果BCCH指派CBCH使用第1、2帧，则NCH使用3、4帧，余此类推。

2MAC层PTT竞争随机接入回退策略

1备件取用策略

热备件平时与工作设备(主用设备)一起存放于地球站收发设备在线机柜中，与主用设备一同构成二备一工作模式，当主用设备出现故障时，只需通过设备面板本地控制或监控台远程控制进行主备切换，即可完成热备件的取用;对于离线的冷备件，系统采用以下取用策略:(1)系统某主用设备单元故障报警，通过本地控制/远程控制方式进行主备切换，恢复系统正常工作状态;(2)利用备件管理系统查询仓库中相应故障设备单元的完好备件余量，并打印显示完好备件存放位置和相关信息;(3)若有余量且备件性能检测系统中也有相应备件，则率先从备件性能检测系统中取出相应备件进行更换，恢复系统双机热备工作模式，同时从仓库中取出一个相应备件单元放入备件性能检测系统中，恢复备件性能检测系统的完整性，并记录更换信息;(4)若有余量但备件性能检测系统中无相应备件，则根据具体信息从相应库位中选择一个备件进行更换，恢复系统双机热备工作模式，并记录更换信息;(5)替换下的故障单元放入备件性能检测系统进一步确认故障状态和进行故障定位分析，然后做好标记，再存入专门的故障设备仓库中，同时进行故障单元的入库登记;(6)若无可用备件，则修改系统对应故障设备单元的热备件状态以及系统对应的该设备单元的双机热备工作状态，上报备件缺少情况，以便及时采购进行备件补充。

2备件性能检测系统

基于上述备件维护管理策略可知，要实现地球站收发设备备件的离线性能检测，拟设计构建备件性能检测系统，以对备件性能的长期稳定性进行测试与维护，使更换备件的上线成功率达100%，确保更换备件的可用性和可靠性，从而为卫星通信系统的连续稳定运行提供可靠保障。地球站收发设备的备件分为系统级备件和部件级备件，其中系统级备件是指具备集成为有线闭环测试系统条件的备件，部件级备件是指不具备集成为有线闭环测试系统条件的备件。依据收发设备的备件分类情况，可将备件性能检测系统分为系统级备件性能检测系统和部件级备件性能检测平台，组成框图如图1所示。

2．1系统级备件性能检测系统

备件性能检测系统是针对具备集成为有线闭环测试系统条件的备件进行测试的平台，其设计思想是:利用信息产生器及模拟转发器将地球站的发送链路和接收链路的部分零散备件集成为一个自发自收的有线闭环检测链路，用来完成系统级备件的加电测试，并通过监测环路时延值达到对备件的检查与维护，确保更换备件的可用性和可靠性。同时，可完成返修设备及新增设备的验收考核测试、新进人员的业务培训、模拟故障处理演练等任务，具体组成框图如图2所示。

2．2部件级备件性能检测平台

部件级备件性能检测平台是针对不具备集成为有线闭环测试系统条件的备件进行测试的平台，其设计思想是:利用信号源、频谱仪、矢量网络分析仪、逻辑分析仪、功率计等测试仪器对零散的部件级备件进行定期检测维护和指标测试，以确保部件级备件的可用性和可靠性。同时，可作为新购置备件的验收测试平台，具体组成框图如图3所示。

一、帧结构与传统方法

在实际系统中，不作此限制。可以看到，发端仅定义了缓存提速前和物理成帧后的数据流必须使用信息速率和信道速率外，并没有定义其它模块的接口速率。从实现角度来说，最简单的方式是从信息速率提速至高速时钟，利用高速时钟完成信息成帧和编码，待物理成帧输出时再降速至信道速率，但此时的延时最大可接近帧长。若收端也采用该时钟方式，整个调制解调延时将至两倍帧长。为减少时延，传统方法在实现该帧结构时，信息速率为3kbps的连续数据流经缓存后，被提速至信道速率，后续模块的输入输出时钟均使用信道速率。若忽略各模块内部的处理时延，仅考虑各模块间的相对时延，传统方法实现该帧结构的时序可以用图2表示。图2中的带圈标号与图1中的标号一致，分别表示①缓存提速、②信息成帧、③分组编码和④物理成帧，且时序图中连接相邻模块的单箭头表示两端的时刻点相同(下同)。简单计算可知，按照传统方法成帧后，帧尾时刻与对应的信息数据流分块的间隔时刻相比，时间差Dt为16比特(信道速率)。收端在解调时，假定不存在频偏和定时误差。传统方法在搜索到独特码之后，缓存降速至信息速率之前，各模块的输入输出时钟均使用信道速率。传统方法的解帧时序可以用图3表示。图3中的带圈标号分别表示图2中对应标号的逆过程，即①缓存降速、②信息解帧、③分组解码和④物理解帧。由于分组解码模块需要每个码组全部输入后再进行解码，所以最后1个码组的解码结果，最早可以在全部码组输入解码模块后开始输出。而其它码组的结果必须缓存后延迟输出，以便和最后码组的输出连接，形成数据块后进入信息解帧模块。简单计算可知，按照传统方法解帧后，帧头时刻与对应的信息数据流分块的间隔时刻相比，时间差Dr为120比特(信道速率)。

二、二次变速方法

由于忽略了各模块内部的处理时延，上节描述的传统方法的时延，在一次变速的限制下已减至最小。观察图2发现，Dt的长度正好是分组编码附加的全部监督码元的长度。也就是说，除了首个码组的信息码元是无延时地输出外，其它码组的信息码元都是被延时后再输出的。随着分组编码不断在码组后插入监督码元，越靠后的码组的延时就越大。要想减少该延时，就必须把首个码组进入编码模块的时刻尽量提前。观察图3同样发现，虽然最后1个码组的解码结果的最早输出时刻是固定的，但其它码组的结果若能尽早输出，就可以减小时间差Dr的长度。当然全部码组的输出仍然要互相连接不能分离，供信息解帧模块使用。为此本文提出一种二次变速的方法，在信息速率和信道速率之间增加中间速率，用于成解帧和编解码的部分处理。通过将码组尽早输入或输出分组编解码模块，进一步减小调制解调时延，新方法的成解帧时序分别如图4和图5所示。图4中，信息速率为3kbps的连续数据流经缓存后，被提速至中间速率3.625kbps进行信息成帧，并送入分组编码模块。同样不考虑编码延迟，即监督码元可在高速时钟下得到。当分组编码模块使用信道速率输出时，Dt的长度正好是最后1个码组的监督码元的长度。其它码组在中间速率的作用下，与传统方法相比，因为提前进入了编码模块，已经被提前输出了。在每帧包含多个码组的情况下，新方法在发端减少时延的效果将更加明显。图5中，通过在分组解码模块的输出端使用中间速率，与传统方法比较，虽然最后1个码组的开始输出时刻不变，但其它码组的开始输出时刻被提前。继续使用该中间速率进行信息解帧后，缓存降速至信息速率的开始输出时刻也就被提前了。简单计算可知，此时的Dr约为104.8比特(信道速率)。显然，中间速率越小，Dr的值将越小。若码组的信息码元数不变，每帧包含的码组越多，Dr的值也将越小。

三、结论

在需要进行分组编解码的卫星话音业务中，一次变速的传统方法没能提供最小的调制解调器时延。本文提出了一种二次变速的方法，在信息速率和信道速率之间，再增加中间速率，用于编解码和成解帧的部分处理。比较二者实现假设的物理层信号帧结构的时序知，新方法可进一步减少调制解调器的时延。且帧结构中每帧包含的码组越多，调制和解调的时延越小;选用的中间速率越小，即越接近信息速率，解调的时延也越小。实际应用至某卫星话音业务中，与传统方法相比，新方法减少了1/3的调制解调器时延。

作者：雷俊 罗荣华 邱文静 秦红祥

1数字预失真方法

根据预失真器所处的位置，可将预失真分为基带预失真、中频预失真和射频预失真。随着数字信号处理技术的飞速发展，预失真技术可在数字域内实现，具有电路灵活、成本低等优点；而且可利用自适应算法来跟踪补偿功放因环境因素改变而产生的特性变化。图1是数字基带预失真技术结构框图。数字预失真分为查找表法和非线性函数法2大类。其中，非线性函数法包括Volterra级数法和神经网络法。考虑到Volterra级数的计算复杂度较高，一般采用其简化形式（如记忆多项式法）来实现预失真。

1．1查找表法

查找表法是通过建立查找表来离散地描述功放的反向特性，传统的基于查找表法的预失真实现过程如下：1）测试功放的输入／输出信号，获取功放的即时非线性特性；2）找出功放的理想增益，即功放在线性区工作时的最大增益；3）将功放的输入特性／输出特性反转，由此生成查找表，为每一个输入信号提供一个相应的预失真信号。建立查找表之后，须考虑查找表的量化误差问题。由于查找表的表项是有限的，查找表输入端信号量化时，必然会引起误差，此时，采用不同的索引技术会对预失真性能产生不同的影响。作为查找表法的核心，查找表地址索引技术阐释了如何有效地从查找表中找到有用的补偿数据。查找表预失真的内部结构如图2所示，表示输入信号的幅度，Q模块为量化器。查找表的地址索引方法包括均匀量化法和非均匀量化法。均匀量化是以输入信号的幅度为指针，均匀分配其整个变化域以生成查找表。功率法是最常见的均匀量化手段，其把输入信号功率作为指针，在变化域内均匀量化。但对小信号而言，功率法表项分布稀疏，量化间隔较大，引起的误差和失真也很大，因此，该方法不适用于小信号较多的功放预失真系统。传统的查找表法仅根据输入信号幅度，找出表中最接近该幅度值的一项，该项对应的输出值即为相应预失真信号的输出值，不过此方法存在量化误差。采用插值技术可在一定程度上改善系统的量化误差，线性插值法是最简单常用的插值方法。均匀索引的实现过程比较简单，但存在2个重要问题：输入信号的统计特性和各区间信号的非线性程度。常见的非均匀索引有功率索引、最优法索引及μ率法索引等。这些方法虽考虑了信号各区间非线性程度的不同，但却忽视了输入信号的统计特性。由此可知，查找表建立简单，实现容易，但是也存在缺点：1）存在量化效应；2）精度要求越高，对查找表的尺寸要求越高，即表项越多，意味着速度性能会下降；3）不能补偿功放的记忆效应；4）自适应能力较差。为了尽可能减小这些问题对预失真器性能的影响，文献［2－3］对无记忆预失真器进行了改进，分别构造二维查找表和分段预均衡器。但当功放记忆效应较强时，二维查找表的线性化效果不太理想。另外，可根据信号的特性，制定相应的改进查找表法，文献［4］提出了一种改进查找表法，该算法根据OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiple－xing，正交频分复用）信号的分布特性，对出现概率较小的大幅值信号增加迭代次数，提高了查找表法的收敛速度。

1．2多项式法

由于查找表法结构简单、易实现，早期多采用该方法对功放进行预失真处理，但其预失真性能的优劣取决于表项的多少，性能改善越好，所需表项越多，相应地，所需的存储空间也就越大，查找表项的数据和更新表项所需时间、计算量也就越大，因此，对情况复杂的系统，该方法不可取。非线性函数法是常用的预失真方法，其将输出信号的采样值与输入信号一一对应起来，用非线性函数把输入和输出信号进行拟合，得到功放的工作函数曲线，由于预失真器的特性与功放特性相反，由功放的非线性函数可得预失真器的非线性工作函数。非线性函数预失真方法已成为近年研究的热点。功放的建模及模型参数的辨识是功放预失真技术的2个重要组成部分。对于功放的建模，常用的无记忆模型包括Saleh模型、Rapp模型和幂级数模型；有记忆模型包括Volterra级数模型、Winner模型、Hammerstein模型和MP（MemoryPolynomial，记忆多项式）模型。分数阶记忆多项式抑制了高阶交调分量，但对强记忆效应的功放预失真性能没有改善；广义记忆多项式明显提升了对强记忆效应的抑制能力，但计算量大，复杂度高。文献［8］在广义记忆多项式的基础上，去掉其滞后部分，降低模型系数数量，去掉偶数阶次，引入分数阶次，提出了一种改进型的广义分数阶记忆多项式模型。仿真表明这种改进模型在系数数量、计算复杂度和线性化能力等方面取得了良好的折中。除上述模型外，增强型Hammerstein模型、EMP（EnvelopeMemoryPolynomial，包络记忆多项式）模型及DDR（DynamicDeviationReduction，动态偏差）模型都是Volterra级数模型的简化形式，这些简化模型可在很大程度上降低计算复杂度。模型建立和模型辨识是记忆多项式预失真的2个重要内容，模型是否合适直接决定预失真方法性能的优劣，如果没有合适的模型，再好的算法也不会取得精确的预失真结果。模型确定之后，选择的模型辨识算法是否得当决定着预失真技术的计算复杂度、收敛速度和性能。系统学习结构很大程度上决定了预失真系统的复杂度，须根据具体情况折中选择学习结构。根据学习器训练方式的不同，可将学习结构分为直接学习结构和间接学习结构，如图3所示。从图3可以看出：直接学习结构简单，是一个完整的闭环，实时性好，且参数不受系统引入噪声的影响［7］。自适应算法得到的权值是否是全局最优值会受到初值的影响，可能不唯一［8］。不同于直接学习结构的逆，间接学习结构采用的是后逆，学习器在训练时，对信号参数的敏感度降低，对实时闭环系统和自适应算法要求不再苛刻，较易于工程实现［9］。预失真训练器的训练过程即预失真模型参数的提取过程，核心是自适应算法不断更新得到的权值最终达到收敛目标值。自适应算法的复杂度和参数提取准确度决定了预失真器的性能及系统实现难易程度。目前参数提取算法大致可分为3类：LS（Least－Squares，最小二乘）算法、LMS（LeastMeanSquare，最小均方）算法和RLS（RecursiveLeastSquares，递归最小二乘）算法。在LMS和RLS的基础上，相继出现了较多的改进算法，比如变步长LMS算法和QR－RLS算法［10－12］。相比查找表预失真，多项式预失真准确度更高、自适应性能更好，但是其计算复杂度却比查找表法高得多，线性化性能优劣也严重受功放模型描述功放特性精确程度的影响。

1．3神经网络法

随着生物仿真学的发展，神经网络算法日益得到人们的广泛关注，引起研究者的探索热情。由于该方法能对功放的非线性特性函数进行拟合，可将其引入预失真器的设计中［13］。神经网络是根据生物学神经元网络的原理建立的，它的自适应系统由许多神经元的简单处理单元组成，所有神经元通过回馈或前向方式相互作用、相互关联。文献［14］首先提出了采用神经网络的方法对功放进行预失真处理。目前最为常用的神经网络是Minsky和Papert所提出的前向神经元网络。神经网络法被广泛应用在函数逼近和模式分类中，文献［15］证明了由任意多个隐层神经元组成的多层前向神经网络可逼近任意连续函数。因此，可利用神经网络来拟合预失真器的工作曲线，且可用改进的反向算法自适应地更新工作函数的系数。文献［16］提出一种单入／单出的神经网络方法，仿真结果表明：该方式能较好地改善三阶、五阶互调分量，与一般的多项式拟合技术相比，其收敛性能和硬件实现都有一定优势。文献［17］提出了一种基于动态神经网络的幅相分离的方法，核心是对卫星信号的幅度和相位进行分离。由于现有的神经网络预失真方法的延时效应较大，文中对网络的系数矩阵进行实时调整，有效减小了计算复杂度，较好地消除了功放非线性和记忆效应，具有较大的实用价值。文献［18－20］也对神经网络法做了相关研究，结果表明：与查找表法和记忆多项式法相比，神经网络有效地提升了功放的预失真精度。目前，在几种参数辨识方法中，神经网络法预失真性能最好，最具有研究价值。