一種數(shù)字體制測控系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)傳輸方法

田之俊 王濤 康寧

摘要：隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬體制測控系統(tǒng)逐步向數(shù)字體制轉(zhuǎn)變，由數(shù)字化帶來的高速數(shù)據(jù)傳輸問題日益突出。在分析數(shù)字體制測控系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)及常用數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了一種基于數(shù)字光纖的透明直傳方式高速數(shù)據(jù)傳輸方法。介紹了數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)組成及特點(diǎn)，并詳細(xì)描述了數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，與萬兆以太網(wǎng)、Aurora傳輸協(xié)議進(jìn)行了比對和分析。通過實(shí)際測試驗(yàn)證，該方法傳輸時(shí)延穩(wěn)定、傳輸效率高，大大提高了測控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字體制；測控；高速數(shù)據(jù)傳輸；傳輸協(xié)議

中圖分類號(hào)：TN911文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2022）03-54-4

0引言

航天測控系統(tǒng)是航天工程的重要組成部分，是天地聯(lián)系的唯一通道，是保障飛行器正常運(yùn)行、充分發(fā)揮其應(yīng)用效能不可或缺的保證[1]。傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)都是模擬體制，信道設(shè)備量大、運(yùn)行模式單一、可靠性較差。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，人們的研究方向逐步轉(zhuǎn)入到基于軟件無線電技術(shù)的全數(shù)字系統(tǒng)。

根據(jù)軟件無線電的要求，信號(hào)在天線后端直接數(shù)字化，即對射頻信號(hào)直接采樣，在數(shù)字域中靈活完成各種相關(guān)的信號(hào)處理算法[2]。數(shù)字化方案的提出，除了對射頻采樣技術(shù)提出了更高的要求，同時(shí)對寬帶數(shù)據(jù)的高速傳輸也提出了更高的挑戰(zhàn)。特別是隨著航天測控技術(shù)不斷發(fā)展，遙測、數(shù)傳的數(shù)據(jù)量不斷增加，測控帶寬也越來越高，對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省⑿省⒖煽啃院蛿U(kuò)展性等要求也逐步提高。

1常用高速數(shù)據(jù)傳輸方法

目前常用的高速數(shù)據(jù)傳輸大都采用高速串行接口協(xié)議，包括PCI-Express、RapidIO、萬兆以太網(wǎng)和Aurora等，其中前2種協(xié)議大都用于短距離的板間通信、交換方式傳輸[3-4]，萬兆以太網(wǎng)和Aurora可通過光纖完成較遠(yuǎn)距離的傳輸。

1.1萬兆以太網(wǎng)

萬兆以太網(wǎng)是以太網(wǎng)的最新技術(shù)，其傳輸速度是千兆以太網(wǎng)的10倍，理論最高傳輸速度為l0 Gbps，可以滿足高速傳輸系統(tǒng)對傳輸速率的要求[5]。萬兆以太網(wǎng)主要使用光纖作為傳輸介質(zhì)，非常適合海量數(shù)據(jù)的高速、低損耗和遠(yuǎn)距離傳輸。由于同屬IEEE802.3協(xié)議，萬兆網(wǎng)協(xié)議繼承了先前以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，并且具有良好的向前兼容性，保留了傳統(tǒng)以太網(wǎng)協(xié)議中MAC層的功能以及幀格式[6]。

萬兆以太網(wǎng)以其良好的通用性在多種領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但由于其協(xié)議的復(fù)雜性，同時(shí)帶來一系列問題，如實(shí)現(xiàn)難度大、協(xié)議開銷大等[7]。特別是在測控系統(tǒng)中，需要考慮100 MHz帶寬的數(shù)據(jù)傳輸，按照數(shù)據(jù)采樣位數(shù)16 bit估算，根據(jù)那奎斯特采樣定理，數(shù)據(jù)規(guī)模大于5 Gbps，對萬兆以太網(wǎng)的有效數(shù)據(jù)傳輸效率提出了很大挑戰(zhàn)，而且在此情況下數(shù)據(jù)傳輸帶寬余量不足，擴(kuò)展性較差。

另外，測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸具有數(shù)據(jù)量大、單工、點(diǎn)對點(diǎn)和要求時(shí)延穩(wěn)定的特點(diǎn)，萬兆網(wǎng)協(xié)議的使用顯得略有“大材小用”，且其傳輸時(shí)延抖動(dòng)較大，需要考慮針對性補(bǔ)償處理。

1.2 Aurora協(xié)議

Aurora串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是由Xilinx公司開發(fā)的一個(gè)鏈路層協(xié)議，具有高帶寬以及可擴(kuò)展性等突出特點(diǎn)[8]。另外其幀結(jié)構(gòu)簡單、傳輸效率較高，適合點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。由于其包結(jié)構(gòu)不包含交換的信息，所以這種協(xié)議不能用于交換的系統(tǒng)架構(gòu)中。一般一個(gè)用于通信的Aurora鏈路由多個(gè)lane組成，每個(gè)lane都可以實(shí)現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)傳輸。Aurora鏈路結(jié)構(gòu)如圖1所示[9-10]。

針對不同應(yīng)用的需求，Aurora協(xié)議可支持流（Streaming）和幀（Framing）2種數(shù)據(jù)傳輸模式，以及全雙工、單工數(shù)據(jù)通信方式，可通過增加通道數(shù)擴(kuò)展系統(tǒng)帶寬。當(dāng)一路信道不能滿足傳輸速率要求時(shí)，可以使用2個(gè)或多個(gè)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提供的用戶接口不變，方便系統(tǒng)升級(jí)[11-12]。

Aurora協(xié)議相對于萬兆網(wǎng)協(xié)議，傳輸效率、帶寬和時(shí)延等性能都有較大提升，且可采用單工方式，適用于測控系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。但由于鏈路層協(xié)議的使用，傳輸時(shí)延的抖動(dòng)仍然存在。

2透明直傳式高速數(shù)據(jù)傳輸方法

2.1數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)

數(shù)字體制測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸具有點(diǎn)對點(diǎn)、通道多、速率高、數(shù)據(jù)量大、距離遠(yuǎn)、時(shí)延穩(wěn)定和要求通道間任意切換等特點(diǎn)，數(shù)字體制測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)采用射頻直采形式，天線接收的射頻信號(hào)直接由射頻數(shù)字化設(shè)備進(jìn)行采樣，同時(shí)由其完成上行調(diào)制信號(hào)的直接射頻輸出；數(shù)字信號(hào)交換設(shè)備完成各個(gè)數(shù)字通道之間的信號(hào)切換，包括主備鏈路信號(hào)切換等；測控終端設(shè)備完成核心的遙測解調(diào)、遙控發(fā)令和測距測速等測控功能。

傳統(tǒng)的金屬線傳輸方式，傳輸數(shù)據(jù)速率低、傳輸距離有限。光纖傳輸?shù)念l帶寬、傳輸損耗低、抗電磁干擾能力強(qiáng)，故數(shù)字體制測控系統(tǒng)的高速數(shù)字信號(hào)采用數(shù)字光纖進(jìn)行傳輸。數(shù)字光纖將光纖與數(shù)字技術(shù)相結(jié)合，比模擬傳輸具有更好的抗干擾性能，大大提高了高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性[13-14]。

2.2數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

透明直傳方式為自定義傳輸方式，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

直接采用FPGA內(nèi)部的專用收發(fā)器（GTH/GTX）進(jìn)行傳輸，傳輸協(xié)議只有用戶層與物理層，不引入數(shù)據(jù)鏈路層，傳輸速率>10 Gbps。

（1）用戶層

用戶層采用自定義的傳輸協(xié)議，幀頭幀尾位寬32 bit，取值為0x1ACFFC1D；時(shí)標(biāo)位寬32 bit，表征時(shí)間信息；幀長位寬 32 bit，為每幀的數(shù)據(jù)段長度；預(yù)留位寬32 bit；數(shù)據(jù)段長度可變，填充有效的數(shù)據(jù)信息。

（2）物理層

物理層采用光纖、光電轉(zhuǎn)換器及FPGA內(nèi)部集成的專用收發(fā)器實(shí)現(xiàn)。FPGA專用收發(fā)器組成如圖4所示[15-16]。

主要包括數(shù)據(jù)緩存、串行/解串器和編解碼等模塊。

①時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)單元：接收高速串行數(shù)據(jù)，并從數(shù)據(jù)中恢復(fù)出高速時(shí)鐘，作為后續(xù)處理時(shí)鐘；

②串行/解串器：完成高速串行數(shù)據(jù)和并行數(shù)據(jù)之間的相互轉(zhuǎn)換，并行數(shù)據(jù)可根據(jù)情況配置成8 bit，16bit，32 bit位寬；

③樣式字檢測：檢測數(shù)據(jù)流中預(yù)設(shè)置的樣式字，并按照該樣式字將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)；

④編解碼器：高速數(shù)據(jù)傳輸中的一種直流平衡編碼，保證傳輸穩(wěn)定、降低數(shù)據(jù)傳輸誤碼率[17]；

⑤相位補(bǔ)償FIFO：完成數(shù)據(jù)在不同時(shí)鐘域之間的轉(zhuǎn)換，包括本地處理時(shí)鐘、數(shù)據(jù)傳輸處理時(shí)鐘、高速數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)鐘等，保證數(shù)據(jù)傳輸連續(xù)、穩(wěn)定[18]。

2.3優(yōu)缺點(diǎn)比較

透明直傳方式與其他2種傳輸協(xié)議相比，優(yōu)缺點(diǎn)為：

①協(xié)議實(shí)現(xiàn)方面：萬兆以太網(wǎng)基于通用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，協(xié)議復(fù)雜，但通用性好，可用于交換、點(diǎn)對點(diǎn)等多種數(shù)據(jù)傳輸場合[19]；Aurora為Xilinx公司開發(fā)的鏈路層協(xié)議，協(xié)議較簡單，適用于點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸；透明直傳方式為自定義協(xié)議，無鏈路層實(shí)現(xiàn)簡單，但通用性也較差。

②傳輸效率方面：萬兆以太網(wǎng)由于其協(xié)議的復(fù)雜性，有效的數(shù)據(jù)傳輸效率一般小于60%，傳輸帶寬達(dá)不到100 MHz，無法兼容目前所有的測控體制[20-21]；而另外2種傳輸協(xié)議簡單，效率高，可支持目前全部的測控體制。其中透明直傳方式的數(shù)據(jù)傳輸效率可高達(dá)96%以上。

③傳輸時(shí)延方面：網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延較大，且波動(dòng)也大，量級(jí)在毫秒級(jí)以上[22]；Aurora協(xié)議相對來說傳輸時(shí)延及抖動(dòng)較小，在10μs量級(jí)；透明直傳方式傳輸時(shí)延最小，1μs量級(jí)，且時(shí)延固定、無額外抖動(dòng)，為測控系統(tǒng)的測量精度提供了有力保證。

可見透明直傳方式與其他2種傳輸協(xié)議相比，更加適用于數(shù)字體制測控系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。特別在新興的超大規(guī)模相控陣體制測控系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)規(guī)模大、波束數(shù)量多，透明直傳方式的優(yōu)點(diǎn)尤為突出。

3測試驗(yàn)證

該傳輸方法已成功應(yīng)用到大規(guī)模相控陣測控系統(tǒng)中，針對其傳輸時(shí)延等特性，通過反復(fù)長時(shí)間測試系統(tǒng)距離零值的方式進(jìn)行了針對性測試，系統(tǒng)距離零值測試結(jié)果如表1所示。

距離零值反映了整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸鏈路的時(shí)延及波動(dòng)情況。通過長時(shí)間的測試結(jié)果可見，系統(tǒng)距離零值最大波動(dòng)0.28 m，遠(yuǎn)低于系統(tǒng)的測距精度（1 m），即系統(tǒng)傳輸鏈路時(shí)延穩(wěn)定，未對測距零值產(chǎn)生影響。

目前該系統(tǒng)運(yùn)行近一年，數(shù)據(jù)傳輸鏈路狀態(tài)穩(wěn)定，真正做到了“免標(biāo)校”，使用固定的距離零值和相位零值就可以保證系統(tǒng)的測控功能指標(biāo)，不用反復(fù)進(jìn)行校零、校相測試。

4結(jié)束語

透明直傳方式高速數(shù)據(jù)傳輸依托于數(shù)字光纖，憑借其實(shí)現(xiàn)簡單、效率高、時(shí)延固定等特點(diǎn)，特別適用于航天測控系統(tǒng)，尤其超大規(guī)模相控陣體制測控系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)際測試驗(yàn)證，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，解決了數(shù)字體制測控系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，達(dá)到了預(yù)期的目的。

由于采用自定義傳輸方式，透明直傳方式的通用性略顯不足，需要進(jìn)一步優(yōu)化考慮。另外隨著技術(shù)不斷發(fā)展，后續(xù)或許有更加適用于數(shù)字體制測控系統(tǒng)的傳輸協(xié)議，需要持續(xù)關(guān)注。

參考文獻(xiàn)

[1]杜偉，于爽，武宏偉.我國航天測控技術(shù)的發(fā)展趨勢與策略[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（2）：42.

[2]田之俊.高速寬帶數(shù)字接收與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

[3]劉麗格，李天保，石鑫剛.一種板間高速傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無線電通信技術(shù)，2011，37（4）：53-55.

[4]王仲蔚.面向空間應(yīng)用的高速可靠傳輸接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2015.

[5]陳大偉.10G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2015.

[6]金冶純.基于FPGA的萬兆網(wǎng)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)[D].保定：河北大學(xué)，2016.

[7]夏楊.基于FPGA的萬兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)分發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)[D].北京：北京理工大學(xué)，2016.

[8]肖兒良，李文輝，簡獻(xiàn)忠.基于Aurora V8.3與PCI協(xié)議的高速數(shù)字圖像傳輸[J].電子科技，2017，30（6）：1-4.

[9]邢乃福.雷達(dá)高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

[10]魯睿其，曾健平，趙豫斌，等.基于Aurora協(xié)議光纖實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸性能測試[J].核技術(shù)，2015，38（3）：49-53.

[11]滑莎，李鋒，武磊磊.板間高速數(shù)據(jù)傳輸接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無線電工程，2017，47（11）：79-82.

[12]高新平.高速數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無線電工程，2015，45（6）：41-43，54.

[13]馬文起，吳智斌，李晶，等.高穩(wěn)定度光纖時(shí)頻相干傳輸技術(shù)研究[J].無線電工程，2015，45（12）：44-47.

[14]羅磊.某雷達(dá)光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

[15]李曉昌，翟正軍，黃夢玲.基于FPGA的高速收發(fā)器研究與設(shè)計(jì)[J].測控技術(shù)，2015，34（4）：28-31.

[16]張海江，田之俊.基于“太空籬笆”系統(tǒng)的大規(guī)模高速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)[J].無線電工程，2018，48（2）：159-162.

[17]張平.基于FPGA的高速8B/10B編解碼電路設(shè)計(jì)[D].合肥：安徽大學(xué)，2016.

[18]李大鵬，陳長勝，王世奎，等.基于FPGA的高速串行傳輸接口研究與實(shí)現(xiàn)[J].航空計(jì)算技術(shù)，2008，38（2）：100-103.

[19]溫宇辰.嵌入式光纖萬兆以太網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].大連：大連理工大學(xué)，2014.

[20]曾力.航天測控系統(tǒng)中寬帶接收技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

[21]李艷，張中兆.擴(kuò)頻統(tǒng)一測控系統(tǒng)的PN碼捕獲[J].無線電工程，2003，33（1）：27-31.

[22]康夢曉.IP網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測量與估計(jì)技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2014.