CN117674977B - 一种卫星通信物理层端到端仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星通信物理层端到端仿真方法及系统，该方法包括：通过数据流适配模块获取适配数据；根据所述适配数据，通过前向纠错编码模块获取纠错码数据；根据所述纠错码数据，通过星座映射模块获取映射数据；根据所述映射数据，通过物理层组帧模块获取物理层组帧数据；根据物理层组帧数据，通过成型滤波和正交调制获取射频信号数据；地球接收机接收所述射频数据信号数据。本发明支持极低信噪比的物理层链路仿真，考虑了高动态环境带来的多普勒偏移，同时提供了多种可视化工具，可满足小型化终端设计的仿真需求。

Description

一种卫星通信物理层端到端仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，特别是涉及一种卫星通信物理层端到端仿真方法及系统。

背景技术

现有的卫星通信物理层仿真系统大多基于DVB S2协议搭建，其具有支持多种高阶调制和编码技术、有较高的适应性和灵活性、以及优化的节能技术等特点，使其能有效模拟高效数据传输和广泛的应用场景。然而，这些系统也面临一些局限性，包括对新技术和标准的更新换代挑战、以及在特殊应用（如超高频段或极低信噪比要求）中的适应性限制。虽然现有基于DVB-S2协议的物理层仿真系统为现代卫星通信提供了一个强大且灵活的框架，但在特定场景下的应用可能需要进一步的优化和适应，以支持更高的信息速率或更低的信噪比。

在终端功率受限、天线增益较小的情况下，地球同步卫星通信系统中接收端信噪比极低，此时现有基于DVB-S2协议的卫星通信物理层仿真系统难以实现有效仿真，无法为相关理论研究和实践应用提供充分的支持和验证。在当前终端设备不断朝着小型化发展的行业趋势中，亟待开发一种能够在极低信噪比环境下运行的卫星通信物理层仿真系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种卫星通信物理层端到端仿真方法，该方法包括：

通过数据流适配模块获取适配数据；

根据所述适配数据，通过前向纠错编码模块获取纠错码数据；

根据所述纠错码数据，通过星座映射模块获取映射数据；

根据所述映射数据，通过物理层组帧模块获取物理层组帧数据；

根据物理层组帧数据，通过成型滤波和正交调制获取射频信号数据；

根据射频信号数据，通过模拟的卫星链路进行信号的损耗、偏移与放大转发；

地球接收机接收所述射频数据信号数据并完成信号的时频同步与比特数据恢复。

优选地，所述获取适配数据具体为输入是 BB帧头和数据字段，输出为完整的BB帧或将未加扰的BB帧与生成的加扰序列进行异或处理，获得随机化的BB帧输出。

优选地，所述获取纠错码数据具体为通过所述前向纠错编码模块进行信道编码，所述前向纠错编码模块完成外编码、内编码和比特交织。

优选地，所述获取映射数据具体为输入为 FEC帧，输出为 XFEC帧。

优选地，所述获取物理层组帧数据具体为实现物理层帧与 FEC 帧的同步，所述物理层组帧模块包括虚拟 PL 帧插入、PLS 插入、导频符号插入以及用于能量扩散的物理层加扰。

优选地，所述成型滤波采用平方根升余弦滤波器进行基带脉冲成形。

优选地，所述地球接收机接收所述射频数据信号数据并完成信号的时频同步与比特数据恢复具体为：

通过时频同步模块获取时频同步数据；

根据所述时频同步数据，通过匹配滤波模块获取匹配滤波数据；

根据所述匹配滤波数据，通过物理层解帧模块获取解帧数据；

根据所述解帧数据，通过星座解映射模块获取映射数据；

根据所述映射数据，通过LDPC译码模块获取译码数据；

根据所述译码数据，通过BCH译码后恢复为BB。

优选地，所述获取匹配滤波数据具体为发射端相同的根升余弦滤波器完成匹配滤波，然后对数据信号进行符号定时同步。

优选地，所述物理层解帧模块包括物理层解扰、帧头解析和导频块移除过程。

一种卫星通信物理层端到端仿真系统，所述系统执行所述的卫星通信物理层端到端仿真方法。

按照本发明提供的一种卫星通信物理层端到端仿真方法及系统与现有技术相比具有如下优点：

本发明中搭建的卫星通信物理层端到端仿真系统满足DVB-S2X协议，同时支持VLSNR模式，可实现极低信噪比场景下的仿真。同现有基于DVB-S2协议的物理层仿真系统相比，可满足更低的滚降系数、更大的调制阶数、更多的调制编码方案以及更高的频谱效率，提供更加充分完备的方案，以有效支撑端到端的链路级仿真。该系统在物理层组帧过程中额外插入了VLSNR帧头，配合设计的导频信号用于在接收端实现载波同步，补偿了多普勒偏移，可适应终端的高动态环境。

总的来说，本发明搭建的端到端系统可支持信噪比低至约-9.9dBi的物理层链路仿真，考虑了高动态环境带来的多普勒偏移，同时提供了多种可视化工具，可满足小型化终端设计的仿真需求。

附图说明

图1是根据本发明实施方案的卫星通信物理层端到端仿真方法的工作流程图，

图2是根据本发明实施方案的卫星通信物理层端到端仿真方法的帧结构示意图，

图3是根据本发明实施方案的仿真系统对应的通信原理框图，

图4是根据本发明实施方案的仿真系统搭建的仿真平台；

图5是根据本发明实施方案的仿真系统在不同调制编码方式下的最低解调门限曲线。

具体实施方式

为清楚的说明本发明中的方案，下面给出优选的实施例并结合附图详细说明。以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为了限制本公开的应用或用途。应当理解的是，在全部的附图中，对应的附图标记表示相同或对应的部件和特征。

如图1所示。一种卫星通信物理层端到端仿真方法，该方法包括：

S1，通过数据流适配模块获取适配数据；

获取适配数据具体为输入是 BB帧头和数据字段，输出为完整的BB帧或将未加扰的BB帧与生成的加扰序列进行异或处理，获得随机化的BB帧输出。数据流适配模块通过填充来构建恒定长度的BB帧，然后进行系带加扰。当可用于传输的用户数据不足以完全填充BB帧时，或者当必须在BB帧中分配整数个UP包时，则需要对BB帧进行填充。该模块的输入是BB帧头（BBHEADER）和数据字段（DATA FIELD），输出为完整的BB帧（BBFRAME）。该模块通过在数据段后添加(Kbch - DFL-80)bits的无用字节，产生Kbch bits恒定长度的BB帧，其中Kbch 取决于FEC速率。在流适配阶段产生的BB帧还需要进行加扰以完成随机化。加扰序列应与BB帧同步，从BB帧的MSB开始，Kbch bits后结束，其中MSB为输入接口接收到的第一位。

加扰序列由反馈移位寄存器生成，伪随机二进制序列（PRBS）生成器的本原多项式为1+ X₁₄+X_15。在每个BB帧开始时，将初始化序列100101010000000加载到PRBS寄存器中，将未加扰的BB帧与生成的加扰序列进行异或处理，获得随机化的BB帧输出。

S2，根据所述适配数据，通过前向纠错编码模块获取纠错码数据；

获取纠错码数据具体为通过所述前向纠错编码模块进行信道编码，所述前向纠错编码模块完成外编码（BCH），内编码（LDPC）和比特交织。FEC编码模块的输入为BB帧，输出为FEC帧。每个BB帧（Kbch bit）由FEC编码子系统处理，以生成FEC帧（nldpc bit）。BCH外码的奇偶校验位（BCHFEC）应附加在BB帧后面，而LDPC内码的奇偶校验位（LDPCFEC）将附加在BCHFEC字段后面。DVB-S2X相比于DVB-S2增加了更多的调制编码方式，同时支持VL-SNR格式，增加了额外的FEC帧s，长度定义为nldpc = 32400位，仅覆盖BPSK调制，编码速率为1/5，11/45，1/3，并按照要求进行打孔和缩短。

BCH编码对每个BB帧（Kbch）应用纠t个错误的BCH（Nbch，Kbch）码，以生成可纠错的 数据包。首先将DVB-S2X协议中给出的BCH码序列的前t个多项式相乘可得到纠错个数t的 BCH编码器的生成多项式g(x)，然后用X^N_bch-K_bch 乘以消息多项式，并用除以生成多项式g(x).得到余式，最终得到编码后的码字 多项式。

LDPC编码参照DVB-S2X协议采用非规则重复累积(Irregular repeataccumulate, IRA)码，即IRA-LDPC码。在VL-SNR模式下，可选择使用的LDPC码包括(64800,14400)码、(32400,5840)码、(32400,7920)码、(32400,10800)码、(16200,2680)码、(16200,3960)码、(16200,3240)码、(16200,4320)码、(16200,5400)码，它们与VL-SNR模式下支持的9种MODCOD的对应关系如表1所示。

表1 VL-SNR中每种MODCOD情况下使用的LDPC码

DVB-S2X标准还提供了一种不需要存储生成矩阵的线性编码方法，使用该方法进行编码所需的奇偶校验位累加器的地址已在DVB-S2X标准协议中的附录B和附录C给出。假设编码后的码字长度为n，编码前的k个信息比特为，编码后得到的n-k个奇偶校验比特为/>，最终得到的码字为，则该编码方法计算奇偶校验比特的具体流程如下：

(1)将n-k个奇偶校验比特全部设置为0：

(2)根据下式信息比特计算奇偶校验比特：

其中，Pj为第j个奇偶校验比特，im为第m个信息比特，x为DVB-S2X标准协议中附录B和附录C给出的奇偶校验位累加器的地址，q的值根据特定的LDPC标识符及帧长进行选取，具体对应关系如下表2：

表2 不同LDPC标识符及帧长情况下的q值

在利用上式进行计算的时候，首先需要根据LDPC标识符及帧长在DVB-S2X标准的附录B或C中找到对应的一组奇偶校验位累加器的地址a，然后将信息位按照每连续的360个比特划分成若干个组，对于第1组中下标为m的信息比特，选择a中第1行的各个地址x并代入上式中计算出相应的pj；对于第2组中下标为m的信息比特，选择a中第2行的各个地址x并代入上式中计算出相应的pj……以此类推，直到使用完所有的信息比特。

(3)当所有的信息比特都被用来计算过之后，使用下式计算出所有的奇偶校验位：

。

需注意对于VL-SNR模式下所支持的9种MODCOD情况，在进行LDPC编码前后会进行截短和穿孔的操作。在进行LDPC编码之前，会在信息序列的最前端插入X_s个0，然后将得到的新的信息序列用来编码，接着对编码后的码字序列去掉其前X_s个比特，最后从第1个奇偶校验比特开始（包含第1个奇偶校验比特），对下标为P的整数倍的奇偶校验比特进行穿孔，直到穿孔的奇偶校验比特数达到X_p个。9种MODCOD情况下参数X_s、P和X_p的设置情况如下表3所示：

表3：9种MODCOD情况下参数X_s、P和X_p的设置情况

S3，根据所述纠错码数据，通过星座映射模块获取映射数据；

获取映射数据具体为输入为 FEC帧，输出为 XFEC帧（复数向量的 FEC帧）。由（标准长度 XFEC帧）或/>短 XFEC帧）个调制符号构成，/>为并行度。每个调制符号是格式为（IQ）的复数向量（I是同相分量，Q是正交分量），其等价形式为，其中ρ是矢量的模，/>是相位）。

根据业务应用的需要，可以选择包括 QPSK、8PSK、16APSK 和 32APSK 在内的多种星座图模式，QPSK 和 8PSK 应当采用格雷星座图映射。需要注意的是，对于DVB-S2X协议中的VL-SNR模式及VL-SNR帧头调制，需要支持π/2 BPSK星座图模式，其符号生成规则如下

其中，当π/2 BPSK模式时当π/2 BPSK且扩频因子为2的模式时。此外，VL-SNR帧头映射时N = 450。

S4，根据所述映射数据，通过物理层组帧模块获取物理层组帧数据；

获取物理层组帧数据具体为实现物理层帧与 FEC 帧的同步，所述物理层组帧模块包括虚拟 PL 帧插入、PLS 插入、导频符号插入以及用于能量扩散的物理层加扰。

信道中没传输有用数据时，可以传输虚拟 物理层帧。该模块包括典型的物理层成帧结构，每个时隙包含 M=90 个调制符号，接收端可以在 FEC 块结构上实现可靠同步。一个时隙专用于传输 PLS，包括帧头起始点和传输模式定义。这种机制也适用于 VCM 和 ACM解调器环境。接收端通过引入导频符号的规则栅格完成载波恢复（每间隔 16 个时隙插入一个导频块，每个导频块包含P=36 个导频符号），可选择无导频模式，有效信道容量可增加2.4%。

物理层组帧模块的输入流是映射后的XFEC帧，输出是加扰后的物理层帧，具体帧结构如图2所示，组帧过程如下：

（1） 当没有就绪的 XFEC帧 被处理和传输时，产生由PLHEADER和36个时隙未调制载波组成的虚拟物理层帧。

虚拟物理层帧由PLHEADER与36个时隙的90个调制符号组成，其中。

对于VL-SNR帧：其PLS码的十进制值为131，附加了VL SNR头及15 696个未调制符号。

（2） 将 XFEC帧 分割为整数 S 个固定长度的时隙(SLOT，每个时隙的切片长度：M=90 个符号)；

（3） 生成 PLHEADER，将其插入 XFEC帧 之前，用于接收配置。PLHEADER 要严格占据一个时隙（命名为 SLOT，长度为 M=90 个符号）。

PLHEADER为用于接收端同步的物理层信令，其严格占据1个时隙。在接收端对PLHEADER解码后，可得到物理层帧的持续时间和结构、XFEC帧的调制和编码方案、导频符号的存在与否。PLHEADER由26个符号的SOF及64个符号的PLS码组成，其中SOF指示帧开始，PLS码是一个非系统的二进制纠错码（64，8）。它等效于经过变换的一阶Reed-Muller码，它的作用是发送8bit的PLS。传输的8bit由三个字段构成：MODCOD和TYPE。MODCODE和TYPE字段采用了（64,8）双正交码，基于双正交（32,7）码。MODCOD 字段和TYPE 字段的MSB 被长度32 的线性分组码编码，其生成矩阵如下所示。

MODCOD的MSB与矩阵的第一行相乘，随后的比特与第二行相乘，一直进行下去。32bit 编码表示为（,/>,…/>）。当TYPE域的LSB为0 时，最终的PLS码输出为（/>…/>），即每个输出符号重复出现。当TYPE域的LSB为1时，最终PLS码输出为/>…，即每个重复的输出符号是上一个符号的二进制补码。PLS码输出的64比特进一步用下述二进制序列进行扰乱：

0111000110011101100000111100100101010011010000100010110111111010

最后，PLHEADER共90个bit的原始数据，需要用π/2 BPSK的方式调制为90个符号，注意对于VLSNR模式，SOF后会有π/2的相位跳变。

除了在每个XFEC帧前面附加PLHEADER的传统物理层帧之外，S2X还可以传输VL-SNR XFEC帧。在这种情况下，在常规PLHEADER之后会额外传输一个占据10个时隙的VL-SNRHEADER。VLSNR-HEADER共包含900个符号，主体部分由16行56列共896bit的矩阵构成。在对该字段编码时，需要首先根据MODCOD，按照相应Walsh-Hadamard序列规定的格式对于相应行的bit数据进行变换，然后，需要在变换后矩阵的前面和最后各添加2个0 bit，构成共900bit，然后按照从上到下，从左到右的顺序逐行拼接为长度为900的bit序列。最后，VLSNR-HEADER共900个bit的原始数据，需要用π/2 BPSK的方式调制为900个符号。

（4） 每 16 个片段插入一次导频块（对于需要导频的模式），以帮助接收机同步。导频块由 P=36 个导频符号组成。

物理层帧可以有插入导频和无导频两种配置。

对于有导频插入的模式，一个导频块由P=36个导频符号组成，每个导频符号均为未调制的符号，由表示。每间隔 16 个时隙插入一个导频块，即第一个导频块应该插入到PLHEADER后的第16个时隙，第二个导频块插入到第32个时隙，并依次类推。当导频块的位置与下一个SOF起始位置相同时，该导频块将不被传输。

为保证VL-SNR帧在极低信噪比下的通信，除了S2协议帧中常规的36个符号的导频块外，VL-SNR帧中额外插入了长为32、34、36个符号的导频块，并针对不同类型的VL-SNR帧具有不同配置。其中，对于set 1的VL-SNR帧，在1～18组内插入34个符号的导频块，在19～21组内插入36个符号的导频块；对于set 2 的VL-SNR帧，在1～9组内插入32个符号的导频块，在第10组内插入36个符号的导频块。

（5） 在扰码器中对（I,Q）调制符号进行随机化处理，实现物理层加扰。

物理层帧加扰不包括PLHEADER和VLSNR-HEADER，仅对于头部后面的数据进行加扰操作，是指在调制前，需要对于物理层帧中除去PLHEADER和VLSNR-HEADER的部分进行随机化处理，即将样值乘以复数随机序列/>：

I_SCRAMBLED=；Q_SCRAMBLED=/>

随机序列在每个PLHEADER结束时复位。物理层帧的长度取决于调制模式的选择，因此随机序列长度将截断为当前帧长度。

加扰序列由两个实数m序列（通过长度为18的两个生成多项式生成）构成一个复数序列。得到的两个序列组成一个Gold序列的一段。

令两个序列分别是x 和y。x序列的本原多项式为：（GF(2)域）。y 序列的本原多项式为：/>（GF(2)域）。

使用上述序列生成的后续序列表示为z_n，n表示扰码序号。此外，令x(i)，y(i)和z_n(i)分别表示序列x，y和z_n的第i个符号。m序列x和y按如下方法构造：

初始条件：

x 的构造为，

y 的构造为；

子序列的循环定义：

，%为取模运算；

，%为取模运算；

第n 个Gold 码序列z_n，，定义如下：

，%为取模运算；

通过如下转换，上述二进制序列转换为整数数值序列R_n（R_n值为0, 1, 2, 3）：

，%为取模运算。

最后，第n个复数随机扰码序列定义为：

n=0 时PL 加扰序列生成器的结构。

注意，n的取值范围为0~262141，对于广播业务，n应使用缺省值0。

S5，根据物理层组帧数据，通过成型滤波和正交调制获取射频信号数据；

成型滤波采用平方根升余弦滤波器进行基带脉冲成形。滚降系数α为0.20、0.25、0.35。DVB-S2X协议附加滚降系数0.15、0.10、0.05。具体值取决于业务要求。

基带平方根升余弦滚降滤波器由以下理论函数定义：

式中：

代表奈奎斯特频率，α代表滚降系数。

滤波后进行正交调制，将同相和正交信号乘以和，为载波频率。将两个信号结果相加获得调制器射频输出信号。

S6，根据所述射频信号数据，通过模拟的卫星链路进行信号的损耗、偏移与放大转发，该卫星链路包括上行链路、卫星转发器和下行链路，旨在通过考虑自由空间传输损耗、多普勒频偏、相位偏移、星上转发放大等过程以模拟真实的卫星通信信道。

S7，地球接收机接收所述射频数据信号数据并完成信号的时频同步与比特数据恢复。

地球接收机接收所述射频数据信号数据并完成信号的时频同步与比特数据恢复具体为：通过时频同步模块获取时频同步数据；

时频同步模块包含粗频率校正、符号定时同步、帧同步、精频率校正、相位估计与补偿过程。

粗频率校正以锁频环(FLL)的形式实现，目的是消除比较大的频偏，将频率偏移减小到精细频率估计器可以跟踪的水平。对于前几帧数据，首先通过粗频率校正算法进行频率的跟踪，待锁定后再进行细频率校正。

DVB S2X协议中通过平衡四相关频率误差检测器（BQ-FED）的锁相环来实现粗频率校正。

BQ-FED算法，其工作原理基于信号的二阶统计特性，主要包括四次自相关和四次互相关。四次自相关是指将输入信号自身进行两次自相关运算。这种操作会突出信号的周期性特征和频率偏移。四次自相关操作后，产生的信号会包含有关信号频率和相位的信息。四次互相关是指将输入信号与一个参考信号进行两次互相关运算。这个参考信号通常是已知的、稳定的频率信号。四次互相关可以帮助估计输入信号相对于参考信号的频率偏移。

四次相关器的输出会产生一组复数值，其中包含有关信号频率偏移、相位偏移和幅度的信息。通过分析这些输出，可以进行频率校正和同步，以确保接收到的信号与参考信号匹配。

符号定时同步用于补偿发送时钟和接收时钟之间的定时频率和相位偏移。对于OQPSK, PAM, PSK和QAM调制，使用锁相环(phase-locked loop, PLL)算法来恢复采样输入的符号定时相位，并通过在最佳采样时刻重新采样输入来生成符号输出，该算法由四个部分组成：定时误差检测器(Timing error detector, TED)，插值器Interpolator，插值控制器Interpolation controller，环路滤波器Loop filter。

对于OQPSK调制，同相和正交信号组件首先对齐(如在QPSK调制中)，使用状态缓冲区缓存前一个输入的后半部分符号。初始对准后，剩余的同步过程与QPSK调制相同。此方框图中显示了一个时序同步器的示例，符号时序锁相环在上工作，接收到的采样信号经过匹配滤波。符号时序锁相环输出符号信号/>，在校正了发送端和接收端之间的时钟偏差后。

当接收端的物理层帧经符号定时同步后，需对其进行帧同步操作。

在载波频偏存在的情况下，采用分段差分相关进行检测，即对接收到的数据执行基于段的差分相关，从而检测到VL-SNR PL帧的起始位置，并识别VL-SNR modcod格式。VL-SNR同步帧是一个896比特的Walsh-Hadamard序列，用于检测PL帧的起始位置，根据9种VL-SNR modcod得到9个可能的Walsh-Hadamard序列，对9个可能序列的相关输出进行验证，可确定modcod格式。

接收端的精频率估计通过对接收到的物理层帧中未经解扰的导频区块数据和加扰后的参考导频区块数据进行相关运算，计算得到精频率误差估计值，然后利用滑动窗口技术，实时将最近多个物理层帧计算出的结果求取平均值后转化为相位信息，用于后续的相位误差估计和补偿操作。

对于VLSNR模式，由于其对应的物理层帧中存在常规导频和额外的VLSNR导频，故在进行精频率估计时需要分别利用常规导频区块和额外的VLSNR导频区块进行估计，最终将各类导频分别计算出的结果求和，作为该物理层帧的精频率误差估计值。

最后需要进行相位的估计与补偿，其作用是对载波恢复后剩余微小频偏和固定相 位偏差进行估计和补偿。可以利用导频序列进行相位估计,先对一段长度为的导频段符 号数据进行求和：

其中k为该帧数据中导频块的索引。

然后做相关运算得到相位的估计结果：

最后根据相邻两个导频块求出的相位估计结果，使用线性插值的方法对处于导频序列之间的数据符号进行相位估计与补偿：

其中为相邻两个导频块之间数据符号的个数，为符号在数据符号段中相 对于段起始位置的距离，其中设计时多采用线性插值的方法主要是基于相位线性变化 的假设。

S8，根据所述时频同步数据，通过匹配滤波模块获取匹配滤波数据；

获取匹配滤波数据具体为发射端相同的根升余弦滤波器完成匹配滤波，然后对数据信号进行符号定时同步。

S9，根据所述匹配滤波数据，通过物理层解帧模块获取解帧数据；通过物理层解帧模块恢复FEC帧。该物理层解帧模块包括物理层解扰、帧头解析和导频块移除过程。

物理层解扰仅对于两个头部后面的数据部分进行解扰操作，即需要对于物理层帧中除去PLHEADER和VLSNR-HEADER的部分进行反随机化处理，将样值乘以复数随机序列/>：

ISCRAMBLED=； QSCRAMBLED=/>

解扰时所用的复数随机序列的生成与加扰时相同，二者应保持一致。

帧头解析需要首先对PLHEADER和VLSNR-HEADER部分的两个帧头进行BPSK解 映射，然后按照发端各位置代表的值解析出该接收物理层帧所采用的调制编码方式、导频 插入方式等信息。根据解析出的导频插入方式可进一步得到导频块在当前帧中的具体位 置，由于已通过导频块进行了精细频率校正与噪声方差估计，在物理层解扰后可直接根据 其在帧中位置移除所有导频块，恢复XFEC帧。

S10，根据所述解帧数据，通过星座解映射模块获取映射数据；

星座解映射模块的输入为XFEC帧（复数向量），输出为FEC帧。该模块为发射机中星座映射模块的逆过程，将输入的特定星座图样式的并行码流（I,Q序列），恢复为经过前向纠错的串行码流FEC帧（标准长度为64800bits的序列、中等长度为32400bits的序列以及16800bits长度的短FEC帧）。

S11，根据所述映射数据，通过LDPC译码模块获取译码数据；

S12，根据所述译码数据，通过BCH译码后恢复为BB。

首先生成与基带加扰过程相对应的序列，将经BCH解码后的BB帧与生成的序列进行异或处理，获得解扰后的BB帧输出。并通过CRC校验、BB帧缓冲过程恢复原始比特流。

一种卫星通信物理层端到端仿真系统，所述系统执行所述的卫星通信物理层端到端仿真方法。如图3所示，仿真系统包括终端上行发射机，上行链路、卫星转发器和下行链路组成的信道，以及地球站下行接收机。终端上行发射机包括数据流适配模块、前向纠错（FEC）编码模块、星座映射模块、物理层组帧模块、成型滤波和正交调制模块。地球站接收机包括时频同步模块、匹配滤波模块、物理层解帧模块、星座解映射模块、前向纠错（FEC）译码模块和基带解扰模块。

根据所述的仿真系统，依托仿真软件搭建了如图4所示的仿真平台。在实际仿真 时，对于终端发射机部分，信息速率取1.2kbps，BCH编码模块采用协议中给出的生成多项式 及本原多项式，编码后的可纠错帧长为2680bit；LDPC编码模块由于采用短帧，原帧长 16200bit，由于VLSNR模式需要进行截短和穿孔操作，最终编码后输出帧长15390bit；该模 式下无需进行交织操作；扩频模块采用直接序列扩频，扩频因子为2。为保障低信噪比下通 信，星座映射模块的映射方式为 BPSK；在物理层组帧模块中，在帧头部分插入90个符 号的PLHEADER以及900个符号的VLSNR HEADER后，在FEC帧部分，每隔16个时隙插入长为36 个符号的常规导频块，并在1～9组内插入32个符号的导频块，在第10组内插入36个符号的 导频块，最终得到长为33282个符号的物理层帧；根升余弦滤波器的滚降系数取0.25，滤波 跨度为6个符号，采样率为2；终端功放取2W，终端天线增益取小型终端容易达到的10dBi。

上行链路部分考虑到实际的卫星位置及参数，传输距离取35600km，上行频率5.885GHz，自由空间传播损耗约199dB，考虑动态情况，在多普勒偏移模块引入10度相位偏移和5kHz的频率偏移。

卫星转发器部分，考虑到C频段地球同步卫星的常见参数，采用直径5米收发天线对应的收发增益，星上功率放大器采用约85W的增益曲线。

下行链路部分仅考虑自由空间传播损耗，假设星上下变频为3.66GHz，同样传输距离取35600km，计算得到损耗约195dB。

地球站接收机部分，接收天线取13米对应的增益，考虑对直流偏置与I/Q不均衡的补偿，并在天线接收时引入一定的相位噪声。后续依次通过粗频率校正、符号定时同步、帧同步、精频率校正、相位估计与补偿等时频同步模块，以及与发射机参数配置相对应的物理层解帧、解映射、LDPC解码、BCH解码等模块，其中需要通过接收到的前10帧进行粗频率锁定，锁定后才将接收信号通过后续模块进行恢复。

进行仿真时，当链路完成了10000个数据包的传输时，端到端的整体误包率为0，BCH译码前的误比特率为6.24e-7，经BCH译码后的端到端整体误码率为0，说明BCH码提供了一定程度的纠错能力，且在该终端的参数配置下可满足通信需求。

为验证所搭系统收发机的有效性，本发明对照DVB-S2X协议进行了AWGN信道下不 同调制编码方案所允许最低解调门限的验证，如图5所示。通过将仿真平台中上行链路、卫 星转发器、下行链路替换为仿真软件中的AWGN模块，将仿真信道调整为理想AWGN信道，以方 便地调整信噪比得到各调制编码方案下的误码性能。首先分别调整调制方式、编码速率及 物理帧长度为QPSK 2/9正常帧、BPSK 1/3短帧、BPSK 1/3中帧、BPSK 4/15短帧、BPSK 11/45 中帧、BPSK 1/5短帧、BPSK 1/5中帧、BPSK-S 11/45短帧、BPSK-S 1/5短帧，其中BPSK-S表示 调制方式为 BPSK同时采用扩频，然后通过调整AWGN信道模块模拟不同的信噪比，统计 端到端的误码率，以1e-5为阈值确定不同调制编码方案可支持的最低解调门限，得到如图5 所示的结果。可以看到本仿真系统中不同方案下的最低解调门限值可与协议理论值基本对 应，验证了本系统中模型收发端各模块的有效性，同时说明本系统具备极低信噪比情况下 的仿真能力。

综上所述，以上所述内容仅为本发明的实施例，仅用于说明本发明的原理，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种卫星通信物理层端到端仿真方法，其特征在于，该方法包括：

通过数据流适配模块获取适配数据；

根据所述适配数据，通过前向纠错编码模块获取纠错码数据；

根据所述纠错码数据，通过星座映射模块获取映射数据；

根据所述映射数据，通过物理层组帧模块获取物理层组帧数据；

根据物理层组帧数据，通过成型滤波和正交调制获取射频信号数据；

根据所述射频信号数据，通过模拟的卫星链路进行信号的损耗、偏移与放大转发；

地球接收机接收所述射频信号数据并完成信号的时频同步与比特数据恢复。

2.如权利要求1所述的卫星通信物理层端到端仿真方法，其特征在于：所述获取适配数据具体为输入是 BB帧头和数据字段，输出为完整的BB帧或将未加扰的BB帧与生成的加扰序列进行异或处理，获得随机化的BB帧输出。

3.如权利要求1所述的卫星通信物理层端到端仿真方法，其特征在于：所述获取纠错码数据具体为通过所述前向纠错编码模块进行信道编码，所述前向纠错编码模块完成外编码、内编码和比特交织。

4.如权利要求1所述的卫星通信物理层端到端仿真方法，其特征在于：所述获取映射数据具体为输入为 FEC帧，输出为 XFEC帧。

5.如权利要求1所述的卫星通信物理层端到端仿真方法，其特征在于：所述获取物理层组帧数据具体为实现物理层帧与 FEC 帧的同步，所述物理层组帧模块包括虚拟 PL 帧插入、PLS 插入、导频符号插入以及用于能量扩散的物理层加扰。

6.如权利要求1所述的卫星通信物理层端到端仿真方法，其特征在于：所述成型滤波采用平方根升余弦滤波器进行基带脉冲成形。

7.如权利要求1所述的卫星通信物理层端到端仿真方法，其特征在于：地球接收机接收所述射频数据信号数据并完成信号的时频同步与比特数据恢复具体为：

通过时频同步模块获取时频同步数据；

根据所述时频同步数据，通过匹配滤波模块获取匹配滤波数据；

根据所述匹配滤波数据，通过物理层解帧模块获取解帧数据；

根据所述解帧数据，通过星座解映射模块获取映射数据；

根据所述映射数据，通过LDPC译码模块获取译码数据；

根据所述译码数据，通过BCH译码后恢复为BB。

8.如权利要求7所述的卫星通信物理层端到端仿真方法，其特征在于：所述获取匹配滤波数据具体为发射端相同的根升余弦滤波器完成匹配滤波，然后对数据信号进行符号定时同步。

9.如权利要求6所述的卫星通信物理层端到端仿真方法，其特征在于：所述物理层解帧模块包括物理层解扰、帧头解析和导频块移除过程。

10.一种卫星通信物理层端到端仿真系统，其特征在于：所述系统执行权利要求1-9中任意一项所述的卫星通信物理层端到端仿真方法。