基于通用計算機的基帶信號處理系統(tǒng)實時性分析

劉燕都，鄭海昕，王希闊

(1.裝備學院 研究生院，北京 101416；2.石家莊陸軍指揮學院 20隊，河北 石家莊 050084)

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基于通用計算機的基帶信號處理系統(tǒng)實時性分析

劉燕都1，鄭海昕1，王希闊2

(1.裝備學院 研究生院，北京 101416；2.石家莊陸軍指揮學院 20隊，河北 石家莊 050084)

摘要航天測控系統(tǒng)是一類強實時系統(tǒng)，實時性是系統(tǒng)設計和實現過程中必須考慮的主要因素。當前基于通用計算機的基帶信號處理系統(tǒng)因其靈活性、易擴展性，已經逐步由原理驗證階段過渡到工程實現階段，但系統(tǒng)由通用計算機搭建，因軟硬件的異步特性，系統(tǒng)的實時性還不能很好地滿足測控任務需求。研究了航天測控系統(tǒng)中的實時性，分析了不同類型航天測控任務對實時性的需求，提出了基于通用計算機的測控基帶信號處理系統(tǒng)實現方案，并在平臺上開展實驗。仿真結果表明，基于通用計算機的航天測控基帶信號處理系統(tǒng)可以滿足實時性要求。

關鍵詞航天測控；基帶信號；系統(tǒng)結構；實時性

0引言

航天測控系統(tǒng)是各類航天任務中不可或缺的重要組成部分。近年來，隨著高性能計算技術、信號處理技術的不斷發(fā)展，以通用計算機為硬件平臺構建的測控系統(tǒng)由理論驗證階段逐漸過渡到工程實現階段。航天測控系統(tǒng)是強實時系統(tǒng)，計算結果的正確性不僅依賴信號處理的邏輯正確，還取決計算結果的時間正確[1-2]。當前，基于通用計算機的測控系統(tǒng)更強調實現測控功能，對于一些非功能性問題研究較少。本文綜合分析了航天測控任務中對實時性的需求，提出了提高系統(tǒng)實時性的設計方法，同時在自主研發(fā)的綜合化擴頻測控基帶信號處理平臺上進行了仿真與分析，為測控軟基帶的工程實現提供了一定理論和實驗基礎。

1航天測控系統(tǒng)中的實時性

1.1航天測控任務的時間特征

實時，一般指信號處理的過程在短時間內完成。但實時不完全等同于快速，無論處理器計算速度有多快或傳輸時延有多小，只要在規(guī)定的時隙內系統(tǒng)產生正確的響應，則稱系統(tǒng)具有實時性。因此，實時性是指能夠在限定時間內執(zhí)行完規(guī)定的功能并對外部的異步事件做出響應的能力[3]。

航天測控系統(tǒng)是一個具有嚴格時限的強實時處理系統(tǒng)，時間是一種重要的資源和要素，因此，航天測控系統(tǒng)具有以下幾個重要特征：

① 可預知性。航天任務一般按預先制定的方案執(zhí)行，航天器的飛行軌道、飛行姿態(tài)、機動動作和測控操作執(zhí)行的時間是確定的，這一點是航天測控系統(tǒng)最重要的特征。

② 及時性。航天測控系統(tǒng)具有精準的時限要求，這個精度一般能達到ms級，甚至要求μs級，而快速并不能對這種要求做出保證。因此，航天測控任務在規(guī)定的時間點及時地運行任務比快速更為重要。

③ 并行性。航天測控中無論是分離體制還是統(tǒng)一體制，跟蹤測量在時間邏輯上都是并行的，各個測量系統(tǒng)獨立運行和計算。由此可以看出，航天測控系統(tǒng)具有并行性特征。

④ 定向性。因為測控任務本質上是分布的，所以測控任務的完成依賴多個子系統(tǒng)相互協(xié)同，因此測控系統(tǒng)中的時間約束具有定向的傳遞性。

1.2航天測控任務的實時性分析

不同航天任務有其自身固有的特點和測控需求。測控任務的實時性分析就是指根據不同航天任務的特點，分析任務的實時性需求；分析測控網的信息處理能力能否滿足實時性要求；分析能否在可測控弧段內安排所要求的各測控事件，分析測控系統(tǒng)能否實時完成所需的測控任務。

典型的航天任務及任務特點可參見文獻[4-5]。運載火箭發(fā)射任務測控時間短、距離近，測控實時性要求高，重點在彈道測量，要求測控系統(tǒng)能夠及時提供運載火箭的飛行彈道及各類參數，作為發(fā)射場安控的依據，要求從捕獲目標、輸出測量信息到監(jiān)視顯示，一般在數百ms內完成[6]。近地軌道衛(wèi)星測控任務和載人航天任務中，單站的可測控時間只有幾分鐘到十幾分鐘，可觀測窗口極短，但測定軌要求高，遙測數據率高，測控的實時性要求極高。同步軌道衛(wèi)星的工作軌道相對地面靜止，衛(wèi)星入軌段控制復雜，但衛(wèi)星入軌后軌道參數相對固定，不需要強實時跟蹤，單站可按照時分的方式測控多顆衛(wèi)星。深空測控距離比常規(guī)測控距離有了明顯增加，信號傳輸時延也較大，因其物理限制，對深空測控任務要求較強的實時性是沒有必要的，可采用復雜的算法，提高測量的精度。

根據以上分析，測控系統(tǒng)搭建過程中應依據不同的任務類型合理調配資源，采取合理的平臺和算法，以達到資源最優(yōu)化。

2測控基帶信號處理中的實時性

當前，航天測控信號處理依賴測控綜合基帶設備，綜合基帶設備依靠嚴格的硬件時鐘控制，其時間同步性和實時性均能得到保證。測控系統(tǒng)基帶信號處理的主要時間指標可參見文獻[7]。

目前，通用計算機主要用來處理文檔、多媒體以及非實時的數學計算和分析，如何客觀地評估數字信號處理方法在通用計算機中的處理時長，最常用的方法是利用指令計時，但因為處理器的分時運行，這種方法并不準確。工程中通常將完成一個處理過程的時間Ti描述為計算得到每個輸出yi(n)時所需的時長不超過對yi(n)有影響的下一組輸入xi+1(m)到達的時間，以此來描述信號計算中的時延。

3測控系統(tǒng)實時性的保障方案

傳統(tǒng)的實時計算規(guī)模通常較小，但在航天測控任務中，信號多樣、數據復雜，計算規(guī)模較大。目前，在用的設備依賴軟件無線電的硬件體系結構和定制的專有測控軟件。這類系統(tǒng)的設計和開發(fā)與某一種數字信號處理器件的內部結構與工作模式緊密相關，雖然可以靠加載不同程序實現不同功能，但系統(tǒng)硬件結構不可重組，程序不易修改，多種功能不易整合集成。利用通用計算機搭建的測控系統(tǒng)，可以減少系統(tǒng)硬件費用，縮短設計和改造時間，充分提高系統(tǒng)的通用性和靈活性。

3.1相關技術

隨著實時信號處理應用的發(fā)展，為保證測控系統(tǒng)實時計算的研究也逐步形成。實時信號處理相關技術如圖1所示，主要包括系統(tǒng)體系結構、軟件設計和處理器。

圖1　實時信號處理相關技術

高性能分布式計算最初為科學計算設計，如今被廣泛應用于氣象仿真、生物分子模擬和環(huán)境科學等各行各業(yè)。從分布式計算的發(fā)展趨勢來看，分布式并行計算是高性能計算的發(fā)展方向。尤其近年來將GPU作為協(xié)處理器提高運行效率的應用越來越廣泛，CUDA的低開發(fā)門檻為高性能計算的“平民化”提供了很好的平臺。因此，采用分布式異構并行的硬件體系結構，能夠在計算能力上保證系統(tǒng)的實時性。同時，基于現場可編程邏輯門(FPGAs)的可重構技術、MCP封裝技術和云計算技術為解決通用計算機的實時性問題提供了多種發(fā)展方向。

為了帶來更高的穩(wěn)定性和重用性，中間件技術被廣泛采用。CORBA[8]是一個分布式的面向對象的應用結構規(guī)范，針對工程應用領域的特點，通常在中間件技術的基礎上，形成專用的軟總線軟件開發(fā)技術，配置系統(tǒng)的計算資源、存儲資源和通信資源，從軟件體系結構保證系統(tǒng)的實時性。

面向對象的編程技術是現在主流的編程技術，但其編程模式在處理實時性方面還缺乏對時間的準確描述和合理的調度機制。當前最常用的實時對象模型是基于Client/Server的計算模型，如圖2所示。

圖2　Client/Server編程模型

該模型公共部分定義了對象收發(fā)的外部操作，私有部分定義了對象可實現的功能。這些功能均以線程的形式體現，并聚集在線程池中，Client/Server模型將常見的對象間的調用操作轉變?yōu)閷ο髢炔烤€程的優(yōu)先級操作，對象響應外部操作的過程轉變?yōu)樗接胁糠值木€程調用。這樣，對象調用的時間特性描述變?yōu)榱司€程調度策略和優(yōu)先級策略，從而不受其他操作的影響，在編程技術上保證算法的實時性。

3.2系統(tǒng)模型

基于通用計算機[9]的測控系統(tǒng)可以用一個分層模型來表示，并在每一層的設計中提出實時性保障方案，如圖3所示。

物理層是系統(tǒng)的基礎，利用前置高性能工作站、高速互聯(lián)模塊和高速存儲模塊等保障。內核層由操作系統(tǒng)構成，是系統(tǒng)硬件平臺和應用軟件之間的中介，直接與物理層中的各種計算資源交互，利用多任務I/O訪問、實時多線程調度等保障系統(tǒng)實時性。鏈路層和傳輸層分別采用優(yōu)化信號路由和數據封裝、標準化接口協(xié)議的方法優(yōu)化系統(tǒng)實時性。在傳輸層，利用測控幀結構中的時間同步信息標識，實現系統(tǒng)內并行數據流間的時間同步。功能實現層和應用層通過搭建“積木”的軟總線的方式，完成高效的軟件重組和人機交互，構成完整的實時性系統(tǒng)。

圖3　基帶信號處理系統(tǒng)層次結構

3.3設計原則和實現思路

基于上述技術，可以預見基于通用計算機的航天測控系統(tǒng)將是開放的，絕大多數硬件是可以購買到的標準組件(COTS)，而軟件則是采用軟總線技術構成的軟件體系結構。不過，因為航天測控信號的特殊性，綜合化處理平臺仍然需要部分定制的硬件，使系統(tǒng)成為一個混合的分布式信號處理系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4　基帶信號處理系統(tǒng)硬件構成

由于測控系統(tǒng)功能十分復雜，因此，信號處理集群采用組件化的設計方法，將計算復雜性分散到各個處理終端中。對于計算密集度較高的功能組件，采用GPU作為協(xié)處理器加速，保證計算的實時性。

如1.2節(jié)分析，在實際的航天測控系統(tǒng)中，并不是每項任務都需要保證較強的實時性，因此，對于不同任務，實時性是可選的，例如對于實時性要求不高的深空測控任務，通過加載更為復雜的信號處理算法，實現更高的精度。

4測試結果分析

基于通用計算機的測控系統(tǒng)由多臺高性能工作站通過網絡連接而成，高性能計算機以千兆以太網卡作為網絡接口，通過雙絞線(6類UTP線)與千兆以太網交換機實現網絡連接?；赪indows操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議可以達到千兆以太網的最大有效帶寬，采用基于端口匯聚式交換機的星形網絡拓撲結構，系統(tǒng)工作在全雙工模式下，同時進行數據的發(fā)送和接收，如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)工作模式示意

核心的計算硬件為高性能工作站，惠普Z820(E5-2620/4 GB/1 TB/Q2000)采用英特爾E5-2620六核處理器，4 GB DDR3 1 333 GHz內存，1 000 GB SATA3硬盤，NVIDA Q2000 1 GB 專業(yè)圖形顯卡，可通過機架安裝的系統(tǒng)提供7個擴展槽、7個擴展托架和4通道集成DDR3內存(帶有16個插槽，支持的內存容量高達512 GB)。

系統(tǒng)搭建后，采用“CPU+GPU”異構全并行的方式設計擴頻測控信號捕獲模塊，將原有典型的二維串行搜索轉變?yōu)榇笠?guī)模多線程并行搜索，并對不同擴頻系數的500 ms測控信號進行仿真測試。經過100次測試統(tǒng)計平均后的測試結構如表1所示，測試結果表明捕獲的相位精度均可達到1/4。

表1　基于GPU的擴頻信號并行捕獲時間測試

利用軟件鎖相環(huán)設計信號跟蹤模塊，輸入1 ms數據，對環(huán)路整體執(zhí)行時間經過100次測試統(tǒng)計平均，串行執(zhí)行時長9.6 ms，并行執(zhí)行時長0.78 ms，加速比達到12.3，實時性可達到1∶0.78。

經過仿真測試，基于通用計算機的測控系統(tǒng)，能夠在規(guī)定的時隙內完成計算，并具備較強的系統(tǒng)重組能力。

5結束語

對比文獻[10]中的測控信號處理系統(tǒng)，基于通用計算機的測控系統(tǒng)能夠完成現階段的大部分測控功能，并保證系統(tǒng)實時性，且具有更強的功能重組能力、更低的成本和更強的擴展能力，能夠根據不同實時性任務需求，動態(tài)地調整系統(tǒng)的軟硬件結構，使系統(tǒng)保持相對較優(yōu)，是測控設備發(fā)展的重要方向之一。后續(xù)將繼續(xù)完善系統(tǒng)功能，考慮向自主可控平臺過渡。

參考文獻

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.09

收稿日期：2016-03-16

基金項目：武器裝備預研基金資助項目(9140A24070509KG02)。

中圖分類號TN914.3

文獻標志碼A

文章編號1003-3106(2016)07-0034-04

作者簡介

劉燕都男，(1986—)，碩士研究生。主要研究方向：高速數字信號處理、航天測控技術。

鄭海昕女，(1974—)，碩士，副教授。主要研究方向：航天測控技術、空間數據傳輸。

Real-time Performance Analysis of TT&C Baseband Signal Processing Based on General Computer

LIU Yan-du1,ZHENG Hai-xin1,WANG Xi-kuo2

(1.SchoolofPostgraduate,EquipmentAcademy,Beijing101416,China;2.Squadron20,ArmyCommandAcademy,ShijiazhuangHebei050084,China)

AbstractIn aerospace TT&C system,real-time performance is of great importance and it is the main factor that must be considered in system design and implementation process.Currently,the TT&C baseband signal processing systems based on general computer have already transitioned from the principle validation phase to the engineering implementation phase due to their flexibility and scalability.However,these systems are set up by general computers,and their real-time performance cannot meet the demand of aerospace TT&C task well due to the asynchronous features of the hardware and software.The real-time performance of aerospace TT&C systems is studied in this paper.The requirements of different types of aerospace TT&C tasks for real-time performance are analyzed.A baseband signal processing system based on general computer implementation scheme is proposed,and experiments on platform are conducted.The simulation results show that space TT&C baseband signal processing system based on general computer can meet the real-time performance requirements.

Key wordsaerospace TT&C;baseband signal;system structure;real-time performance

引用格式：劉燕都,鄭海昕,王希闊.基于通用計算機的基帶信號處理系統(tǒng)實時性分析[J].無線電工程,2016,46(7):34-37.