航天測控信號處理平臺的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢*

(中國電子科學研究所，北京 100041)

0 引 言

航天測控信號處理平臺適用于衛(wèi)星及多種航空飛行器Mb/s速率級的中低速測控信號和Gb/s速率級的高速數(shù)傳信號處理。航天測控信號處理平臺具備多通道信號采集、發(fā)射、分析處理以及存儲等功能。近年來，由于需求的增長，更高的信號帶寬、速率、調制方式等多種通信模式的不斷涌現(xiàn),對航天測控信號處理平臺的系統(tǒng)靈活性、功能復雜性等方面提出了更高的要求。傳統(tǒng)的航天測控信號處理平臺大多采用FPGA+DSP的獨立機箱處理架構,依托高性能的處理器件和高速接口來滿足測控、數(shù)傳等業(yè)務需求。自2000年以來，航天測控信號處理平臺先后經(jīng)歷了可重組緊湊型外設部件互連(Compact Peripheral Component Interconnect,CPCI)架構、PCIE(PCI-Express)架構、VPX總線(VITA46)標準架構、綜合化基帶池架構以及多波束陣列信號與數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理平臺架構。本文對以上平臺的功能和性能進行了系統(tǒng)分析，總結并梳理了航天測控信號處理平臺的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。

1 聯(lián)合式系統(tǒng)平臺

1.1 CPCI架構的信號處理平臺

CPCI是全球 PCI 工業(yè)計算機制造組織(PCI Industrial Computer Manufacturers Group,PICMG)1994年提出的一種高性能工業(yè)總線。1999年10月，PICMG組織發(fā)布的PICMG2.0規(guī)范是CPCI的核心標準。如圖1所示，CPCI架構的信號處理平臺由CPCI板卡(信號處理板、基帶接口板、基帶計算機)和CPCI機箱組成，信號處理板包括基帶上行接口板、上行信號處理板、基帶下行接口板和下行信號處理板。

圖1 CPCI架構的信號處理平臺

基帶上行接口板和上行信號處理板一起構成調制器，完成上行調制、遙控、小環(huán)接收、測距音產(chǎn)生、模擬源、噪聲源、測試接口?；鶐滦薪涌诎搴拖滦行盘柼幚戆逡黄饦嫵山邮諜C，完成測距/遙測中頻接收、跟蹤接收機、遙測、測距、時間碼解碼器、測試接口。上行信號處理板包括測距/遙測接收、跟蹤接收、遙測、測距三個主要功能。基帶計算機(工控機主板)主要完成對應功能硬件的配置下載，完成本設備狀態(tài)監(jiān)視和工作參數(shù)的控制，處理數(shù)據(jù)信息，并通過網(wǎng)絡完成與系統(tǒng)監(jiān)控臺或操作控制中心的快速信息交換。

CPCI架構的信號處理平臺具有硬件可靠度高、系統(tǒng)抗震性強、支持熱插拔等特點，但是存在功耗比高、總線速率低的缺點，不能滿足高速測控及高速數(shù)傳的帶寬需求[1]。

1.2 PIGMG1.3的PCIE信號處理平臺

為了解決在處理高速測控信號與測控數(shù)據(jù)中的大數(shù)據(jù)量收發(fā)與存儲問題，基于PIGMG1.3的PCIE信號處理平臺應運而生。如圖2所示，該平臺由滿足PIGMG1.3規(guī)范的信號處理板卡、PCIE主板、定制背板以及機箱組成，每個機箱可支持6塊信號處理板。中頻信號通過同軸線纜與調制、解調數(shù)字卡連接。解調數(shù)據(jù)通過PCIE2.0與相應的驅動程序進入上位機操作系統(tǒng)，并通過萬兆網(wǎng)卡發(fā)送到數(shù)據(jù)通信管控中心。調制數(shù)據(jù)來自數(shù)據(jù)通信管控中心，通過萬兆網(wǎng)卡進入操作系統(tǒng)，再經(jīng)過PCIE發(fā)送到機箱中的調制板卡。由于采用了PCIE 2.0總線和萬兆網(wǎng)卡，PIGMG1.3信號處理平臺的X4 PCIE理論單向最大支持速率為16 Gb/s。

圖2 基于PIGMG1.3的PCIE信號處理平臺

相比上一代的CPCI架構的信號與數(shù)據(jù)處理平臺，PIGMG1.3的PCIE信號處理平臺單板卡可支持更多的信號處理板卡，板間連線支持GTX高速串行總線，單路串行總線可達10 Gb/s，在信息處理能力和數(shù)據(jù)傳輸能力上得到了大幅度的提升[2]。

1.3 VPX架構的信號處理平臺

VPX是國際貿(mào)易協(xié)會(VME International Trade Association,VME)組織于2007年頒布的高速串行總線標準，用于替代上一代曾廣泛應用于軍用加固嵌入式平臺的VME總線。 VPX定義了3U和6U兩種板卡，尺寸分別為160 mm×100 mm和160 mm×233.35 mm 。3U板卡有P0、P1和P2共3個連接器，其中P0是56芯的連接器，包括電源、復位和時鐘等信號;P1和P2均為112芯的連接器，P1為高速差分信號，由VITA46的系列子規(guī)范定義，P2為可定義為差分信號或者單端信號，由用戶根據(jù)需求決定。6U板卡在3U板卡基礎上增加了P3～P6共4個112引腳的連接器，可定義為差分或者單端信號。

圖3為典型VPX架構的信號處理平臺結構圖。由于VPX總線標準具有抗惡劣環(huán)境的優(yōu)勢并VPX提供了更多的板間互聯(lián)信號，基于VPX架構的PCIE信號處理平臺具有強大穩(wěn)定的數(shù)據(jù)處理能力、I/O能力和高性能網(wǎng)絡交換能力[3]。

圖3 典型VPX架構的信號處理平臺結構圖

VPX高速信號采集處理卡具有較高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，能滿足背板PCIe通道和擴展數(shù)據(jù)通道的高速數(shù)據(jù)互連。根據(jù)圖3所示平臺背板的拓撲架構，板卡通過一個X4的PCIe連接與背板相連，此數(shù)據(jù)通道采用PCIe 3.0協(xié)議，單個通道傳輸速率可達7.877 Gb/s，X4總數(shù)據(jù)傳輸帶寬可達31.5 Gb/s。

VPX架構的信號處理平臺及其配套軟件的開發(fā)，使得只要通過相關的配置就能夠很好地自適應于各種型號的地面測控。此平臺已經(jīng)應用到型號研制中，測試和實驗結果表明該平臺穩(wěn)定可靠，可配置性非常強，靈活方便，能夠很好地滿足智能化地面的應用要求[4]。

2 綜合化系統(tǒng)平臺

第1節(jié)所述的三種航天測控信號處理平臺均以獨立設備為基本單元構建系統(tǒng)，稱為傳統(tǒng)的聯(lián)合式系統(tǒng)平臺。聯(lián)合式系統(tǒng)平臺不具備功能擴展、升級，一旦建成，很難加入新的功能。而綜合化系統(tǒng)平臺通過構建開放式體系架構，通過軟件升級或擴展硬件模塊的方式可實現(xiàn)系統(tǒng)的功能升級、擴展、重構。

2.1 綜合化基帶池架構的信號處理平臺

2017年，針對中繼衛(wèi)星系統(tǒng)地面終端站數(shù)傳設備套量種類多、專用性強、互替性弱等應用現(xiàn)狀，文獻[5-7]提出了綜合化基帶池架構的信號處理平臺，采用開放式的處理平臺架構，簡稱基帶池[9-11]?；诨鶐С氐臄?shù)據(jù)處理平臺支持完成中低速數(shù)傳、高速數(shù)傳和多目標數(shù)傳等高速、實時信號處理，顯著提升了地面終端站數(shù)傳設備快速響應能力及機動部屬能力。

綜合化基帶池架構的信號處理平臺采用軟件定義一切(Software Defined X,SDX)的設計思想，支持多任務、多功能線程并發(fā)同時工作，并支持任務重構，其內部結構如圖4所示。

圖4 綜合化基帶池架構的信號處理平臺

綜合化基帶池架構的信號處理平臺完成中頻信號的AD/DA、擴頻、捕獲、調制、解調、編碼、譯碼、協(xié)議分析和轉發(fā)等主要功能?；鶐С乩锩娴耐ㄓ眯盘?數(shù)據(jù)處理模塊采用N+K的備份方式，在模塊發(fā)生故障的情況下，通過軟件加載和重構的方式實現(xiàn)資源的備份，而專用的模塊則采用1+1的方式實現(xiàn)備份。

綜合化基帶池架構的信號處理平臺模塊間的信息連接關系如圖5所示,通用信號處理模塊、通用數(shù)據(jù)處理模塊之間采用串行RapidIO互聯(lián)。

圖5 綜合化基帶池架構的信號處理平臺信息流

2.2 多波束陣列信號處理平臺

航天陣列[8]測控信號數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理平臺技術為相控陣測控體制的多目標測控通信系統(tǒng)提供先進的統(tǒng)一綜合化處理平臺，主要包含高性能通用平臺架構、基于國產(chǎn)操作系統(tǒng)的自主可控平臺軟件、超高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡設計和全生命周期健康管理等模塊。

如圖6所示，數(shù)字陣列測控信號與數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理平臺包括陣列天線及射頻分系統(tǒng)、基帶分系統(tǒng)、站級管理與控制分系統(tǒng)和時頻通信分系統(tǒng)，具備可擴展性和兼容性，實時測控目標數(shù)大于20個，平臺內部網(wǎng)絡節(jié)點規(guī)?？蛇_700個，節(jié)點交換速率可達2.8 Tb/s，能夠滿足航天數(shù)字相控陣測控系統(tǒng)高精度、實時多目標測控需求。

圖6 數(shù)字陣列測控信號與數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理平臺

2.3 CPU-GPU信號處理平臺

近幾年，由于圖形處理器(Graphics Processing Unit,GPU)性能的大幅提升，適用于高速數(shù)傳解調的CPU-GPU軟解調平臺逐步成為信號處理平臺的發(fā)展趨勢[9-12]。

如圖7所示的CPU-GPU 平臺信號解調機框架，CPU 完成信號流分割，將信號塊填充到信號池；進程管理器創(chuàng)建多個解調進程，將信號塊傳入 GPU 進行處理，將不同信號塊的解調結果再加工合并為最終解調結果。

圖7 CPU-GPU 平臺信號解調機框架

CPU-GPU平臺高速解調算法與傳統(tǒng)的FPGA平臺相比并沒有明顯優(yōu)勢，但CPU-GPU平臺具有可擴展性，通過擴展 GPU計算資源就能方便地增加解調進程數(shù)目，進而提高系統(tǒng)解調速率。對于一般速率的信號處理算法來說，使用多核流水線方法可在不改變算法的基礎上實現(xiàn)并行處理。常用的兩種軟件無線電平臺Gnuradio和SORA就是使用此方法。對于高速率的信號處理算法，多核流水線可能無法實現(xiàn)實時處理，需要并行化程度更高的并行方法 。

3 展 望

衛(wèi)星通信測控與數(shù)傳任務正朝著高碼率、大帶寬、多功能的方向發(fā)展。隨著航天測控數(shù)傳設備功能的增強，使得信號平臺由以往的單一化、專用化向通用化、模塊化發(fā)展，包括成本、擴展性、專業(yè)性、處理能力等都是需要考慮的因素。結合前文分析，航天測控信號處理平臺在架構上有以下發(fā)展方向:

(1)低成本方向

低成本、小規(guī)模、高集成度的測控設備因其部署靈活和價格因素始終有其市場地位，如何在成本和集成度得到更高的性能成本比，是低成本測控平臺的研究方向。

(2)資源池方向

綜合化基帶池架構的大型航天測控地面測控設備，資源池對資源采用按需分配的思路，能提高地面終端站數(shù)傳設備快速響應能力及機動部屬能力，是未來航天測控平臺的重要發(fā)展趨勢。

(3)軟解調方向

基于軟件無線電思想的高速軟件接收機，隨著近幾年通用處理器性能提升和通用計算技術的發(fā)展，利用流計算技術在云平臺上進行數(shù)字信號處理具有一定發(fā)展前景。軟解調不僅適用于實時的數(shù)據(jù)解調，對算法驗證、數(shù)據(jù)回放等接收機相關領域研究也具有很高的價值。