面向高速卫星传输的高维联合编码调制信号理论与设计

With the increasing of the traffic from the space, it has become a great challenge for space data transmission especially the transmission from satellite to earth or inter-satellite. The high order modulation with high spectrum efficiency has been the inevitable development trend in order to promote the data rate to above 10 Gbps. However, the energy efficiency must also be enhanced, for the limited energy the satellite can obtain. This project investigates the theories and design methods of high dimension coded modulation signals for high-speed satellite transmission. Specifically, high performance non-binary low-density parity- check (LDPC) codes with nonequiprobable output non-binary elements are constructed and a mapping from the non-binary element to the constellation point is determined. Thus, the coding and shaping gains are achieved simultaneously to approach the Shannon limit. Then, for the non-linear satellite channel, design the non-binary LDPC codes, high order modulation constellation and the mapping from variable symbols to the constellation points to minimizing the peak to average power ratio and the gap to Shannon limit. Finally, digital pre-torsion and output power backoff are investigated for high dimension coded modulation signal. A verification testbed using some instruments is built and a link-level verification platform is developed. The output of this project will extend the design theories for high dimension coded modulation signal and promote the development of the high speed data transmission.

随着空间业务量的不断增加，空间数据传输尤其是星地或卫星之间的高速数据传输面临很大挑战。为提高卫星数据传输速率到10Gbps以上，采用频谱利用率更高的高阶调制是发展的必然趋势；而又因星上能源有限，必须提高传输的能量有效性。本项目研究面向高速卫星传输的高维编码调制信号的理论与设计方法。具体而言：首先构造输出多进制符号概率不相等的高性能多进制低密度奇偶校验（LDPC）码，建立符号与星座点之间的映射关系，同时获得编码增益与成型增益，逼近香农限。其次，面向非线性卫星信道，以最小化峰均功率比以及距离香农限的性能差距为目标，优化多进制LDPC码、高阶调制信号星座以及LDPC码符号与星座点的映射规则等。最后，研究面向高维编码调制信号的数字预失真方法与输出回退准则，建立基于测量仪器的验证模型，搭建链路级仿真验证平台。本项目相关研究成果将拓展高维编码调制信号的设计理论，并有力推动高速卫星数传的发展。

随着卫星通信业务量的增加，卫星与地面、卫星与卫星之间的高速数据传输面临新的挑战。采用高频谱利用率的高阶调制是重要选项之一；星上可用能源与硬件资源有限，编码调制信号的功率有效性与算法的实现复杂度也要综合考虑。基于此，本项目研究面向高速卫星数据传输的高维编码调制信号，围绕非传统高阶调制结合低密度奇偶校验（LDPC）码尤其是多进制LDPC（NB-LDPC）码设计适合卫星传输的高维编码调制信号。具体开展了以下研究：（1）基于NB-LDPC码符号的非线性扩展生成概率不均匀映射，并与星座点最优概率相匹配，设计了适合卫星非线性信道的不等概的64阶星座点与编码调制方法；进一步设计了非传统6/7-QAM等与NB-LDPC码结合的编码调制方法，都获得了优于传统编码调制的优势。（2）基于哈密尔顿图，设计了基于弦边增长的非零元素优化方法，优化了在GF（64）和GF（256）上的NB-LDPC码。设计的NB-LDPC码与CCSDS的码相比，有一定优势；针对CCSDS标准的二进制LDPC码，提出基于核心稠密矩阵的编码方法，编码器的复杂度降低为传统方法的1/2，考虑到星上硬件资源受限，提出的方法实用性强，是本项目亮点之一。（3）高速卫星通信要求极低的错误率，设计了多进制/二进制LDPC码结合RS码/BCH的乘积码，能以较低的复杂度获得极低错误率。提出了利用RS码纠删能力的增强译码，并评估了其纠正突发删除的能力；利用FPGA平台实现了LDPC+BCH乘积码的编译码算法验证。（4）针对高速传输可能存在的时间不能精准同步的情况，研究了存在符号缺失与插入条件下的迭代处理策略，并提出了网格图剪辑的低复杂度处理方案。（5）为支持自适应编码调制，参照第二代卫星数字广播，研究了改进的帧同步策略；进一步，基于通用软件无线电外设（USRP）搭建了高阶编码调制的半实物验证平台。项目执行期，在上述内容共发表论文11篇，其中7篇被SCI检索；申请发明专利13项，其中3项已获得授权。参加几十次相关领域学术研讨会，培养研究生10余名。