基于網(wǎng)絡(luò)的高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)輸出方案設(shè)計

史本忠++王萬玉++毛偉++何元春++劉智

摘 要：針對遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)輸出的技術(shù)需求，提出了基于網(wǎng)絡(luò)的高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)輸出技術(shù)方案。采用交換式以太網(wǎng)構(gòu)建遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)解調(diào)器解調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的輸出架構(gòu)，提出了高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)實時傳輸協(xié)議，并通過配置IP地址的方式建立了一對一或一對多的連接線路，從而實現(xiàn)了高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)流的可靠、實時輸出。該方案設(shè)計已用于工程項目中，測試結(jié)果表明該方案合理可行。

關(guān)鍵詞：遙感衛(wèi)星；數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)；高碼速；解調(diào)基帶數(shù)據(jù)；網(wǎng)路輸出

中圖分類號：TN961 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）11-00-03

0 引 言

隨著國內(nèi)外遙感衛(wèi)星有效載荷分辨率（包括高時間分辨率、高空間分辨率、高輻射分辨率、高光譜分辨率等）的不斷提高，其在相同時間獲取的原始數(shù)據(jù)量倍增，寬帶高速傳輸已成為星地數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋厝悔厔輀1-3]。如美國GeoEye衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸速率為740 Mb/s，QuickBird衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)800 Mb/s[4]；我國的高分專項相關(guān)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸碼速率為800 Mb/s，后續(xù)衛(wèi)星將達(dá)到1.5 Gb/s。

目前國內(nèi)外遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)解調(diào)器解調(diào)數(shù)據(jù)的輸出多采用串行碼流方式，電氣接口一般為ECL，其缺點是不適合長距離高碼速數(shù)據(jù)的傳輸。接收數(shù)據(jù)碼速率的提高，使得采用上述傳輸方式的缺點更為突出。網(wǎng)絡(luò)傳輸具有傳輸距離長、碼速性能好等優(yōu)點，將成為遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)解調(diào)器解調(diào)數(shù)據(jù)輸出的發(fā)展趨勢。

針對遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)輸出的技術(shù)需求，采用交換式以太網(wǎng)構(gòu)建遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)解調(diào)器解調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)輸出架構(gòu)，提出了高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)實時傳輸協(xié)議；選用TCP/IP協(xié)議，將解調(diào)器作為TCP服務(wù)器端，數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器作為遠(yuǎn)程TCP客戶端需要連接解調(diào)器，通過配置IP地址的方式建立一對一或一對多的連接線路，實現(xiàn)實時高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)流的輸出，并對應(yīng)用效果進(jìn)行試驗驗證。

1 遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)簡介

遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)主要由天饋伺分系統(tǒng)、跟蹤接收分系統(tǒng)、記錄與快視分系統(tǒng)、測試分系統(tǒng)、站任務(wù)管理與監(jiān)控分系統(tǒng)、技術(shù)支持分系統(tǒng)組成[5]。遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)組成圖如圖1所示。

圖1 遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)組成圖

數(shù)據(jù)接收工作流程[6]：系統(tǒng)穩(wěn)定跟蹤后，X或S頻段饋源產(chǎn)生的和信號經(jīng)下變頻后送到解調(diào)器。解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)及相應(yīng)譯碼，通過ECL或網(wǎng)絡(luò)方式輸出I、Q合路與分路的衛(wèi)星基帶數(shù)據(jù)至記錄與快視分系統(tǒng)。采用基帶數(shù)據(jù)開關(guān)或網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行解調(diào)器與數(shù)據(jù)記錄設(shè)備的任意組合、切換，實現(xiàn)解調(diào)器與數(shù)據(jù)記錄設(shè)備的熱備份能力。其數(shù)據(jù)接收流程圖如圖2所示。

2 高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)輸出方案設(shè)計

2.1 網(wǎng)絡(luò)輸出架構(gòu)

高速解調(diào)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力主要由解調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)輸出能力、系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)交換能力及可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議決定。

依據(jù)遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)所接收的遙感數(shù)據(jù)碼速率要求，解調(diào)器網(wǎng)絡(luò)輸出能力一般選千兆網(wǎng)或光纖口。采用千兆網(wǎng)（網(wǎng)絡(luò)連接器RJ-45、連接線Cat-5e或Cat-6）或10 Gb/s的光纖（網(wǎng)絡(luò)連接器LC，連接線根據(jù)萬兆網(wǎng)卡選擇單模或多模光纖）構(gòu)建遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)解調(diào)器解調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)輸出架構(gòu)。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多采用交換式以太網(wǎng)。交換式以太網(wǎng)以交換機(jī)為中心構(gòu)成，是一種星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，交換機(jī)采用存儲交換方式，交換機(jī)背板帶寬可以保證端到端的信息傳輸能力。可根據(jù)系統(tǒng)中配置的高速解調(diào)器的數(shù)量選配合適的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，以保證高速解調(diào)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。

常用的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議為UDP/IP和TCP/IP。

（1）UDP/IP為無連接協(xié)議，簡單、傳輸效率高，數(shù)據(jù)報模式，傳輸不可靠，無法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樞颍赡軄G包；

（2）TCP/IP為基于連接的協(xié)議，有一定的傳輸時延（特別當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較差時），流模式，可靠傳輸協(xié)議，可保證數(shù)據(jù)的傳輸順序。

高速解調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸一般要求數(shù)據(jù)有序、可靠，因此選用TCP/IP協(xié)議。

服務(wù)器端與客戶端數(shù)據(jù)交換使用TCP-IP協(xié)議。解調(diào)數(shù)據(jù)包括解調(diào)器解調(diào)之后的原始數(shù)據(jù)及同步數(shù)據(jù)，用于后續(xù)數(shù)據(jù)本地存盤及網(wǎng)絡(luò)傳輸，該數(shù)據(jù)信息的交換可支持多客戶端。因此可通過配置IP地址的方式進(jìn)行一對一或一對多的實時解調(diào)數(shù)據(jù)流的交互，實現(xiàn)解調(diào)器與數(shù)據(jù)記錄設(shè)備的任意組合、切換。遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)解調(diào)器解調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)輸出架構(gòu)圖如圖3所示。

2.2 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)通信采用TCP/IP協(xié)議。解調(diào)器作為TCP服務(wù)器端，開啟偵聽端口，數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器作為遠(yuǎn)程TCP客戶端需要連接解調(diào)器時，發(fā)送連接請求，由解調(diào)器判斷請求是否正確，如正確且解調(diào)器具備連接條件，則建立一條連接線路，否則解調(diào)器拒絕連接。四個層次的定義如下：

（1）物理層：千兆網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)連接器RJ-45，連接線Cat-5e或Cat-6；或選用10 Gb/s光纖，網(wǎng)絡(luò)連接器LC，連接線根據(jù)萬兆網(wǎng)卡選擇單模或多模光纖。

（2）鏈路層：滿足IEEE802.3規(guī)范。

（3）網(wǎng)絡(luò)層：IP協(xié)議，采用規(guī)范的IP頭。

（4）傳輸層：TCP。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

2.3.1 實時數(shù)據(jù)傳輸指令

表1所列是實時解調(diào)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸指令。數(shù)據(jù)傳輸可以立即或在預(yù)定的時間偏移量后進(jìn)行，在IP連接閉合或在預(yù)定時間偏移后停止。每TM消息的TM塊的數(shù)目是可配置的（最高達(dá)131 072）。不論在何種情況下，TM塊的有效數(shù)目都會進(jìn)行自動調(diào)整，使TM塊的每個消息的最大數(shù)量不超過2兆字節(jié)。

2.3.2 數(shù)據(jù)傳輸響應(yīng)

解調(diào)器正確解析數(shù)據(jù)傳輸指令后，返回數(shù)據(jù)傳輸響應(yīng)。如果解調(diào)器解析數(shù)據(jù)傳輸指令有誤，則返回數(shù)據(jù)傳輸拒收響應(yīng)，并給出錯誤原因。數(shù)據(jù)傳輸響應(yīng)如表2所列。

實時解調(diào)基帶數(shù)據(jù)包括以下信息：

（1）TM（實時解調(diào)基帶數(shù)據(jù)）塊結(jié)構(gòu)（偏移8至12：幀大小，同步字的大小，時間標(biāo)記大小等）。

（2）實時解調(diào)基帶數(shù)據(jù)流控制數(shù)據(jù)，如果遠(yuǎn)程客戶端的攝取率不夠，則溢出報警（偏移17）給出數(shù)據(jù)損失告警。警告狀態(tài)（偏移18）給出了個人計算機(jī)的RAM緩沖器的余量（以字節(jié)為單位）。

TM塊結(jié)構(gòu)如表3所列。

2.3.3 相關(guān)說明

相關(guān)說明包含如下三項：

（1）數(shù)據(jù)表示：整型為32 bit，其中bit0/Byte0為最低位bit/Byte；浮點型由32 bit表示，包括1 bit符號位，8 bit指數(shù)，23 bit尾數(shù)。

（2）保留位：協(xié)議中的保留位留作擴(kuò)展使用，由解調(diào)器發(fā)送時可以是任意值，但作為解調(diào)器接收時，值必須為0。

（3）時間定義：bit31-0中，bit9-0表示微秒，bit19-10表示毫秒，bit25-20表示秒，bit31-26表示分；bit63-32中，bit36-32表示時，bit45-37表示天（為當(dāng)前年份1月1日開始的天計數(shù)）。

3 試驗及應(yīng)用效果

采用搭建試驗平臺和實際接收高碼速衛(wèi)星數(shù)據(jù)的方法來驗證高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳能力。

試驗采用地面接收系統(tǒng)高碼速數(shù)據(jù)接收鏈路搭建試驗平臺，模擬實際的衛(wèi)星高碼速數(shù)據(jù)接收記錄，多臺高速解調(diào)器與多臺數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接，各解調(diào)器通過網(wǎng)絡(luò)輸出解調(diào)數(shù)據(jù)，各數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器實時通過網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)接收誤碼率、丟幀等。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)保證高速解調(diào)器與計算機(jī)之間的信息交換帶寬。

測試信號（帶有連續(xù)幀序號的測試數(shù)據(jù)文件）經(jīng)測試調(diào)制器調(diào)制、上變頻后送測試耦合器，經(jīng)LNA、光端機(jī)、射頻矩陣開關(guān)、下變頻器、中頻均衡矩陣開關(guān)、全數(shù)字高碼速低損耗解調(diào)器后通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)送至多臺數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器，多臺數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器記錄接收解調(diào)后的數(shù)據(jù)，并用誤碼分析軟件分析所記錄數(shù)據(jù)的誤碼率。

試驗結(jié)果表明千兆網(wǎng)（網(wǎng)絡(luò)連接器RJ-45，連接線Cat-5e或Cat-6）可實現(xiàn)700 Mb/s碼率的解調(diào)基帶數(shù)據(jù)的實時網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳，誤碼率優(yōu)于1E-11；10 Gb/s光纖（網(wǎng)絡(luò)連接器LC，連接線根據(jù)萬兆網(wǎng)卡選擇單模或多模光纖）可實現(xiàn)1.5 Gb/s碼率的解調(diào)基帶數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸（因記錄軟件能力有限，更高碼率的情況未做試驗），誤碼率優(yōu)于1E-11。

在實際接收高碼速衛(wèi)星數(shù)據(jù)時，采用該方案已成功實現(xiàn)ZY-3、GF系列衛(wèi)星（2×450 Mb/s）等衛(wèi)星高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳功能。

4 結(jié) 語

本文基于交換式以太網(wǎng)構(gòu)建了遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)解調(diào)器解調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)輸出架構(gòu)，選用TCP/IP協(xié)議，通過配置IP地址的方式建立一對一或一對多的連接線路，實現(xiàn)了高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)流的穩(wěn)定、可靠、實時輸出。

測試結(jié)果表明高碼速解調(diào)基帶數(shù)據(jù)采用網(wǎng)絡(luò)輸出具有傳輸距離長、碼速性能好等優(yōu)點。該方案設(shè)計已用于工程項目中。

參考文獻(xiàn)

[1]高衛(wèi)斌，冉承其.遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)發(fā)展分析[J].中國空間科學(xué)技術(shù)，2005（6）：30-36.

[2]王中果，汪大寶.低軌遙感衛(wèi)星Ka頻段星地數(shù)據(jù)傳輸效能研究[J].航天器工程，2013，22（1）：72-77.

[3]J. Roselló， A.Martellucci， R. Acosta， et al. 26-GHz Data Downlink for LEO Satellites[C]. 6th European Conference on Antennas and Propagation， 2012 ： 111-115.

[4]周宇昌，李小軍，周詮.空間高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)新進(jìn)展[J].空間電子技術(shù)，2009，6（3）：43-48.

[5]王萬玉，張寶全，劉愛平，等.頻率復(fù)用高碼速率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)設(shè)計[J].電訊技術(shù)， 2012，52（4）：423-428.

[6]王萬玉，李凡，袁剛，等.遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)[C].中國空間科學(xué)學(xué)會空間探測專業(yè)委員會第二十一次學(xué)術(shù)會議論文集，2008：576-579.