（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）深空通信仿真系統(tǒng)硬件平臺研究與實現(xiàn).pdf

摘要 本文主要研究了深空通信仿真系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計與實現(xiàn)。首先介紹了深空 通信的特點以及若干關(guān)鍵技術(shù)，著重介紹了圖像信源編碼，信道糾錯編碼，調(diào)制 解調(diào)以及通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)。在此基礎(chǔ)上給出了深空通信綜合仿真平臺的總體框架， 包括計算機軟件仿真和硬件平臺仿真。提出了一種適于進行圖像信源編碼，信道 糾錯編碼以及調(diào)制解調(diào)等3 個關(guān)鍵模塊仿真的硬件平臺框架。 采用a d s p t s 2 0 1 處理器和v i r t e x i ip r of p g a 作為系統(tǒng)核心，采用主板+ 子 板架構(gòu)，完成了可重配置的硬件仿真平臺設(shè)計。給出了包括計算機與硬件平臺間 數(shù)據(jù)傳輸，f p g a 與d s p 鏈路口接口p 在內(nèi)的全系統(tǒng)數(shù)據(jù)通路的設(shè)計以及具體實 現(xiàn)方案。最終完成了硬件仿真平臺全系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試。 關(guān)鍵詞g 深空通信仿真平臺a d s p t s 2 0 1f p g a a b s t r a c t t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fh a r d w a r ep l a t f o r mf o rd e e ps p a c ec o m m u n i c a t i o n s i m u l a t i o na r er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r f i r s t ，t h ec h a r a c t e r i s t i ca n ds e v e r a lc r i t i c a l t e c h n i q u e ss u c ha si m a g es o u r c ee n c o d i n g ，c h a n n e le r r o r - c o r r e c t i n gc o d i n g ，m o d u l a t i o n & d e m o d u l a t i o na n dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki nd e e ps p a c ec o m m u n i c a t i o na r e p r e s e n t e d s e c o n d ，af r a m e w o r ko fc o m p r e h e n s i v ed e e ps p a c es i m u l a t i o np l a t f o r m w h i c hi n c l u d e sc o m p u t e r - b a s e ds o f t w a r es i m u l a t i o na n dh a r d w a r e - b a s e ds i m u l a t i o ni s p r o p o s e d t h i r d ah a r d w a r es i m u l a t i o np l a t f o r ma r c h i t e c t u r es u i t a b l ef o rt h es i m u l a t i o n o fi m a g es o u r c ee n c o d i n g ，c h a n n e le r r o r - c o r r e c t i n gc o d i n g ，a n d m o d u l a t i o n & d e m o d u l a t i o nm o d u l e si sp r o p o s e d t h i sp l a t f o r m ，f e a t u r e dr e c o n f i g u r a b l e ，i sc e n t e r e do na d s p - t s 2 0 1d s pp r o c e s s o r a n dv i r t e x i ip r of p g aa n di sa r r a n g e di nam a i nb o a r d + d a u g h t e rb o a r da r c h i t e c t u r e t h eo v e r a l ld e s i g na n dd e t a i l e dr e a l i z a t i o nm e t h o d s ，i n c l u d i n gt h ed a t ap a t hb e t w e e nt h e c o m p u t e ra n dh a r d w a r ep l a t f o r m ，l i n kp o r ti n t e r f a c ei pb e t w e e nf p g a a n dd s p , a r e p r e s e n t e d f i n a l l y , t h ed e s i g na n dd e b u go f t h ew h o l eh a r d w a r es i m u l a t i o np l a t f o r ma r e f i n i s h e d k e y w o r d ：d e e ps p a c ec o m m u n i c a t i o n s i m u l a t i o np l a t f o r m a d s p t s 2 0 1 f p g a 創(chuàng)新性聲明 秉承學(xué)校嚴謹?shù)膶W(xué)風(fēng)和優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的論文是我個 人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中 特別加以標注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其它人已經(jīng)發(fā)表或 撰寫過的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué) 位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志所做的任何貢獻均已在論文 中做了明確的說明并表示了謝意。 申請學(xué)位論文與資料若有不實之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。 本人簽名： 日期： 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即： 研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬西安電子科技大學(xué)。本 人保證畢業(yè)離校后，發(fā)表論文或使用論文工作成果時署名單位仍然為西安電 子科技大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文；學(xué)校 可以公布論文的全部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印、或其它復(fù)制手 段保存論文。( 保密的論文在解密后遵守此規(guī)定) 本人簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期：地2 ：f ：z 日期：遞望：蘭2 第一章緒論 第一章緒論 1 1 引言 2 0 0 8 年1 0 月2 4 日，我國嫦娥一號探月衛(wèi)星成功發(fā)射，采集到大量的月球表 面圖像數(shù)據(jù)并傳回地面。美國于2 0 0 3 年發(fā)射的“勇氣號”和“機遇號”火星探測 器，2 0 0 7 年發(fā)射的“鳳凰號”火星探測器，均成功降落火星，并采集大量火星表 面數(shù)據(jù)。在深空探測工程中，探測器與地面之間需要進行大量數(shù)據(jù)及控制信號的 傳輸，因此，除探測器發(fā)射、控制等技術(shù)外，深空通信技術(shù)也起著至關(guān)重要的作 用。 眾所周知，月球與地球平均距離3 8 萬公里，火星與地球距離在6 0 0 0 萬公里 以上，因此深空通信的傳輸距離極長，而且由月球，火星等星體到地球的無線信 道要面對諸如太陽帶電粒子活動，空間輻射，穿越大氣層等復(fù)雜的電磁環(huán)境的挑 戰(zhàn)。深空通信所面臨的問題，與其他通信系統(tǒng)，如衛(wèi)星通信( 人造地球衛(wèi)星距地 球數(shù)百至數(shù)萬公里) ，無線個人通信( 終端與基站距離一般在幾公里以內(nèi)) 等都有 著很大的不同。 目前世界各國對深空探測的競爭日益激烈。各國對木星，火星，金星，水星， 土星等行星以及月球都進行了探測。美國與歐空局合作于1 9 9 7 年1 0 月向相距約 為1 5 億公里的土星發(fā)射“卡西尼一惠更斯號土星探測器。惠更斯探測器于2 0 0 5 年1 月1 4 日在土衛(wèi)六上降落，1 月1 5 日向地球傳回約3 0 0 幅土衛(wèi)六有關(guān)星貌的清 晰圖像，其圖像尺寸為1 0 2 4 1 0 2 4 像素，分辨率為4 0 米。美國于2 0 0 3 年相繼向 火星發(fā)射勇氣號和機遇號探測器，并分別于2 0 0 4 年1 月4 日和2 5 日到達火星， 向地球傳送回了清晰度很高的圖像，2 0 0 7 年，美國發(fā)射鳳凰號火星探測器，并于 2 0 0 8 年5 月2 5 日成功在火星著陸。2 0 0 8 年1 0 月2 4 日，我國嫦娥一號探月衛(wèi)星 發(fā)射升空并成功采集大量數(shù)據(jù)傳回地面。預(yù)計于2 0 1 0 年我國將實現(xiàn)月球著陸與月 球探測，2 0 2 0 年實現(xiàn)月球探測并采樣返回，經(jīng)過繞、落、回三個步驟，達到月球 探測的研究目標。 1 2 深空通信的特點 深空通信與地面通信和衛(wèi)星通信相比，有著顯著的特點。 1 傳輸距離遠。月球距地球約3 8 萬公里，火星距地球最近約有6 0 0 0 萬公里， 由于地球與火星均繞太陽運動，火星與地球間的距離是變化的，當?shù)厍蚺c火星處 于太陽的不同側(cè)時，該距離遠至4 億公里。2 0 0 4 年美國火星探測器m a r se x p l o r a t i o n 2 深空通信仿真系統(tǒng)硬件平臺研究與實現(xiàn) r o v e r ( m e r ) 通信系統(tǒng)的性能滿足在這樣遙遠距離下進行通信的要求。其它行星 距地球大都在幾億公里以上。信號傳輸距離越大，信噪比越低。 2 信道具有衰落特性。深空通信信道實際上是一個具有時變衰落特性的信道。 3 時延大。地球到火星的距離在6 0 0 0 萬公里以上，信號的傳輸至少需要4 分 鐘( 距離最遠時需要2 2 分鐘) 。 4 復(fù)雜的通信環(huán)境。在月球和其它行星上，其溫度、輻射等環(huán)境比地面惡劣和 復(fù)雜得多。例如月球表面的溫度變化大，最低可達1 8 3 0 c ，而最高可達1 2 7 0 c 。火 星的最低溫度為1 3 2 0 c ，木星1 4 0 。c 。而其他因素，諸如太陽黑子活動，空間輻射 等，都將對無線信道構(gòu)成影響。 5 工作頻率高，可用頻帶寬。以往的深空通信系統(tǒng)工作于s 和x 波段，為了提 高通信系統(tǒng)的增益和減小天線尺寸，新的系統(tǒng)將提高到k a 波段。我國的探月衛(wèi)星 采用s 波段。m e r 火星探測器通信系統(tǒng)采用x 波段進行火星與地球的通信( 下行 8 4 3 9 g ，上行7 1 8 3 g ) 。 6 對探測器的功率要求很嚴格。由于探測器的能源主要是太陽能帆板提供的幾 十瓦的功率，因而所采用的通信技術(shù)應(yīng)考慮低功耗。 1 3 深空通信中的關(guān)鍵技術(shù)概述 在深空通信系統(tǒng)中，除了增大地面天線面積和精確控制天線波束，提高接收 機的本振穩(wěn)定度和相位調(diào)整精度，提高接收機低噪聲放大器的增益以及發(fā)射機功 放的性能外，通信系統(tǒng)中圖像信源壓縮編碼、信道糾錯編碼、調(diào)制解調(diào)、通信網(wǎng) 絡(luò)系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)仿真平臺等關(guān)鍵技術(shù)都具有很大的研究價值。 1 圖像信源編碼。在深空通信系統(tǒng)中，圖像數(shù)據(jù)的存儲和傳輸占據(jù)了系統(tǒng)的大 部分存儲資源和傳輸帶寬。然而由于深空通信距離遠和功耗要求嚴格等特點，通 信系統(tǒng)只能提供極為有限的存儲能力和有限的信道帶寬；另外，為了充分獲取遙 遠星球的地形地貌以及資源分布等有用信息，又希望能實時存儲和有效傳輸高分 辨率的圖像數(shù)據(jù)，這樣就造成了原始圖像數(shù)據(jù)量大和星上存儲能力以及數(shù)據(jù)傳輸 能力有限的矛盾。只有采用高效的圖像壓縮技術(shù)才能在有限的時間內(nèi)和較窄的信 道帶寬條件下，傳輸如此大量的圖像數(shù)據(jù)。因此，高效的圖像信源編碼技術(shù)是一 項關(guān)鍵技術(shù)。 2 信道糾錯編碼。深空通信的信道特征是接收信噪比很低，而可用的信道帶寬 相對較寬。采用信道編碼技術(shù)是提高在這種功率受限信道上進行深空通信的可靠 性和有效性的一個關(guān)鍵技術(shù)。我們知道，當數(shù)字信號采用相干調(diào)制解調(diào)技術(shù)，無 信道編譯碼時，滿足誤碼率p e 為1 0 一，e 。理論值為1 0 5 d b ，若采用( 2 5 5 ， 2 3 3 ) r s 碼與( 1 5 ，1 4 ) 卷積碼級聯(lián)( 伽利略號探測器) 就可以獲得約9 6 d b 的 第一章緒論 增益，這充分表明研究性能高和功率消耗小的糾錯編碼系統(tǒng)是非常必要的。 3 調(diào)制解調(diào)技術(shù)。調(diào)制是為了使發(fā)送信號特性與信道特性相匹配，因此調(diào)制方 式的選擇是由系統(tǒng)的信道特性決定的。在深空通信中，為了有效地利用空間飛行 器的功率，發(fā)送信號功率放大器通常采用高功率非線性放大器( ) a ) 。這樣，由 于深空信道的非線性及a m p m 效應(yīng)，要求調(diào)制后的信號波形的瞬時幅度波動要盡 量小，因而應(yīng)該采用具有恒定包絡(luò)( 或準恒定包絡(luò)) 結(jié)構(gòu)的調(diào)制方式，如p s k ， f s k 以及以此為基礎(chǔ)的其它調(diào)制方式。b p s k 調(diào)制以其較高的功率效率特性在早期 的深空通信系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用。另一方面，隨著空間探測技術(shù)的發(fā)展，深空 探測任務(wù)變得越來越復(fù)雜，需要將大量的數(shù)據(jù)與圖像信息實時傳輸?shù)降孛?，這樣 就要求越來越高的星( 或其它航天器) 上數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的傳輸速率，從而使射頻 頻譜變得越來越擁擠。信息理論研究表明，使用恒包絡(luò)信號，當對其功率譜密度 有約束時，系統(tǒng)的容量會減小。因此，需要研究新的帶寬有效調(diào)制技術(shù)來滿足日 益增長的對高數(shù)據(jù)速率的需求。具有較多小包絡(luò)波動的帶寬有效t c m 技術(shù)為此提 供了一條有效的解決途徑，它配合高性能糾錯編碼技術(shù)，可以同時提供較大的編 碼增益和帶寬效率。 4 通信網(wǎng)絡(luò)。在深空通信中，由于行星間距離極大，造成信噪比低、傳輸時延 大和抖動劇烈，傳統(tǒng)的t c p i p 協(xié)議在這種環(huán)境下的性能會急劇下降，丟包率大大 增加；深空通信的非對稱甚至單向信道特性，也會給包含反饋機制的通信協(xié)議的 實現(xiàn)帶來困難；由于深空通信硬件分布和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的高代價性，所研究的網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)和協(xié)議應(yīng)適應(yīng)今后網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展。雖然空間數(shù)據(jù)咨詢委員會( c c s d s ) 研究 并制定了在深空通信中可使用的深空網(wǎng)絡(luò)d s n 協(xié)議，但隨著深空通信的發(fā)展，d s n 協(xié)議已不能滿足需求，且應(yīng)用層文件傳輸協(xié)議c f d p 對深空通信網(wǎng)絡(luò)仍不是最優(yōu) 化的。因而我們有必要研究具有集束協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，并將c f d p 協(xié)議整合到此網(wǎng)絡(luò) 中，獲得更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能和服務(wù)質(zhì)量。 5 仿真平臺。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，在計算機上建立通信系統(tǒng)的模型，通過模擬 系統(tǒng)的工作過程和狀態(tài)來分析和評估系統(tǒng)的性能，在通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)過程中 已起著越來越重要的作用。特別是與實際通信系統(tǒng)的建立與性能評估相比較，深 空通信系統(tǒng)的建立與性能評估更加耗時、耗資，因此迫切需要建立一個仿真平臺， 為我國深空通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論研究和性能評估提供支持。國外在通信系統(tǒng)仿真 這一領(lǐng)域已進行了大量的研究，形成了一個較專門的研究領(lǐng)域，并產(chǎn)生了大量的通 信系統(tǒng)仿真軟件包。我國也有一些這方面的專著和文章。由于深空通信具有自身 的一些特點，目前對其的仿真研究很少，迫切需要建立一套相應(yīng)的仿真平臺。為 了更可靠地驗證通信系統(tǒng)的性能，還必須對其中的若干關(guān)鍵模塊：圖像信源編碼、 信道糾錯編碼和調(diào)制解調(diào)進行硬件仿真。通信系統(tǒng)仿真包括2 部分：鏈路級仿真 和網(wǎng)絡(luò)級仿真。鏈路級仿真面向傳輸系統(tǒng)的編、譯碼、調(diào)制解調(diào)、信道等；而網(wǎng)絡(luò) 4 深空通信仿真系統(tǒng)硬件平臺研究與實現(xiàn) 級仿真包括信息格式、協(xié)議、交換、路由、流量控制和網(wǎng)絡(luò)控制等問題。 1 4 本文研究內(nèi)容及主要貢獻 本文在介紹了深空通信的基本特點及仿真平臺總體框架基礎(chǔ)上，詳細介紹了 深空通信仿真系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計與實現(xiàn)。給出了一種基于a d s p t s 2 0 1d s p 和 v i r t e xi if p g a 的可重配置的通用硬件仿真平臺框架，并對硬件框架中的若干關(guān) 鍵技術(shù)進行了深入研究。 作者對整個硬件平臺的數(shù)據(jù)流傳輸，包括d s p 之間高速鏈路口通信，多d s p 之間共享存儲器，及d s p 與f p g a 之間數(shù)據(jù)傳輸進行了深入研究，并給出了數(shù)據(jù) 傳輸模塊的底層驅(qū)動設(shè)計及硬件平臺與計算機接口的接口框架及具體實現(xiàn)。研究 了a d s p t s 2 0 1 鏈路口的數(shù)據(jù)傳輸時序及協(xié)議，并給出了f p g a 與d s p 之間的高 速鏈路口數(shù)據(jù)傳輸?shù)膇 p 核設(shè)計。 本文結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章：緒論。簡要介紹了深空通信的特點以及若干關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上 給出了本文的研究對象及主要貢獻。 第二章：綜合仿真平臺及硬件仿真平臺框架。介紹了綜合仿真平臺的整體框 架，給出了深空通信系統(tǒng)鏈路級，網(wǎng)絡(luò)級以及軟硬件協(xié)同仿真的框架和仿真對象。 在此基礎(chǔ)上給出了硬件仿真平臺的仿真對象及系統(tǒng)框架。 第三章：硬件仿真平臺的設(shè)計與實現(xiàn)。簡要介紹了a d s p t s 2 0 1 的結(jié)構(gòu)及性 能指標，并描述了硬件仿真平臺的總體設(shè)計及子板和母板的具體設(shè)計方案。 第四章：硬件仿真平臺數(shù)據(jù)通路設(shè)計與具體實現(xiàn)。在第三章基礎(chǔ)上，給出了 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通路設(shè)計，包括p c 接口，d s p 之間數(shù)據(jù)通路，d s p 與f p g a 之間的數(shù) 據(jù)通路以及對應(yīng)接收發(fā)送器口設(shè)計。 第二章綜合仿真平臺及硬件仿真平臺框架 5 第二章綜合仿真平臺及硬件仿真平臺框架 2 1 引言 隨著通信技術(shù)的發(fā)展，在計算機上建立通信系統(tǒng)的模型，通過模擬系統(tǒng)的工 作過程和狀態(tài)來分析和評價系統(tǒng)的性能，在通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)過程中已起著 越來越重要的作用。而由于深空通信場景的特殊性，建立一個仿真平臺是進行深 空通信技術(shù)研究的必要條件。目前國外在通信系統(tǒng)仿真領(lǐng)域進行了大量的研究， 并形成了一個專門的研究領(lǐng)域。目前已有很多通信系統(tǒng)仿真平臺和仿真軟件包， 例如s p w ，c o s s a p ，c c s s ，o p n e t ，n s 2 ，v c c ，c o m 卜厄t ，m a r s ，n e t s i m ， r e a l 等。 針對地球與火星間通信這一典型應(yīng)用背景，分別建立基于鏈路和網(wǎng)絡(luò)的仿真 數(shù)據(jù)庫，并建立一個深空通信系統(tǒng)軟件仿真平臺。同時，為保證可靠地驗證通信 系統(tǒng)的性能，還需要搭建硬件仿真平臺，對圖像信源編碼，信道糾錯編碼以及調(diào) 制解調(diào)進行軟硬件協(xié)同仿真。 2 2 1 系統(tǒng)概述 2 2 綜合仿真平臺總體框架 綜合仿真平臺包含2 部分：鏈路級仿真和網(wǎng)絡(luò)級仿真。鏈路級仿真描述傳輸 系統(tǒng)的編解碼，調(diào)制解調(diào)，信道模型等；網(wǎng)絡(luò)級仿真包括信息格式，傳輸協(xié)議， 交換，路由，流量控制及網(wǎng)絡(luò)控制等問題。 將深空通信各關(guān)鍵部分( 即信源編解碼、信道編解碼和調(diào)制解調(diào)部分) 模塊 化，通過提供各部分的仿真數(shù)據(jù)模型庫以及多種參數(shù)設(shè)置和接口設(shè)置，使整個仿 真平臺具有很強的靈活性。在仿真平臺的建立過程中，針對地球與火星間通信這 一典型應(yīng)用背景，使用c 語言和n s 2 ( t c l ) 編程，分別建立基于鏈路和網(wǎng)絡(luò)的仿 真數(shù)據(jù)庫，并將各模塊通過軟件連接構(gòu)成深空通信系統(tǒng)。進一步，用深空通信系 統(tǒng)中各關(guān)鍵部分的硬件模塊來替代軟件中的對應(yīng)模塊，構(gòu)成綜合仿真演示平臺， 以便更可靠地驗證系統(tǒng)的性能。在仿真平臺的使用過程中，通過對多種方法進行 比較、研究和測試，得到綜合性能最優(yōu)的方法。同時通過對仿真結(jié)果進行對比來 評估系統(tǒng)方案的實際性能。還可通過對仿真結(jié)果的理論解釋和分析來保證其可靠 性，爭取進一步獲取系統(tǒng)優(yōu)化的空間，最終使系統(tǒng)的整體有效性和可靠性得到提 高。 6 深空通信仿真系統(tǒng)硬件平臺研究與實現(xiàn) 2 2 2 深空通信系統(tǒng)的鏈路級仿真 深空通信系統(tǒng)的鏈路級仿真平臺原理框圖如圖2 1 所示。 圖2 1 深空通信系統(tǒng)中的鏈路級仿真 深空通信系統(tǒng)的鏈路級仿真主要包括四部分，分別為：圖像信源編解碼模塊、 信道編解碼模塊、調(diào)制解調(diào)模塊以及信道模塊。每個模塊具有自己的參數(shù)，在仿 真平臺中可由用戶設(shè)置。同時每個模塊具有輸入、輸出接口，確保數(shù)據(jù)的正確傳 輸。 圖像信源編、解碼模塊主要仿真基于干涉多光譜圖像的壓縮編、解碼。其中 基于內(nèi)嵌的幀內(nèi)圖像編碼包括壓縮比、小波基類型、小波變換級數(shù)等參數(shù)；基于 小波域模板匹配的幀間編碼包括模板的塊尺寸參數(shù)。r o i 編碼包括感興趣區(qū)域的 坐標和提升系數(shù)等參數(shù)。 信道編、譯碼模塊包括t u r b o 碼和l d p c 碼的編、譯碼模塊，其中t u r b o 碼參 數(shù)包括交織器參數(shù)、分量碼參數(shù)和刪余矩陣參數(shù)。l d p c 碼包括h 矩陣設(shè)計參數(shù)。 調(diào)制、解調(diào)模塊包括s r r cb p s k 、網(wǎng)格編碼o q p s k 、c p m 以及多層t c m 調(diào)制解調(diào)方法?？烧{(diào)參數(shù)包括脈沖波形類型、信號星座類型、碼率分配參數(shù)。 信道模塊包括建立理論信道模型，以及根據(jù)已有美國m e r 、m r o 等數(shù)據(jù)和 將從國內(nèi)外收集到的深空通信接收信號數(shù)據(jù)資料進行統(tǒng)計，得到理論模型的參數(shù) ( 包括衰落因子、損耗、多普勒頻移等) 。 對于地球與火星間通信這一典型應(yīng)用的信道模型，我們通過對m e r 通信系統(tǒng) 的分析和對若干實際信號的觀察與分析，可定義為具有衰落特性的變參a w g n 信 道模型( a w g n ) 。 在v p a w g n 信道下，接收信號可以表示為： r m r f 、 1 r ( f ) = r e 口月( f ) 掰玎( f ) x p f 胛( f ) k 弘m 付也o 卜b o 刀 式( 2 1 ) ln = oj 其中a 。( ，) 是衰落因子，m 。( r ) 是損耗( 路徑損耗) ，f v ( f ) 是多普勒頻移。，l 為n 接收信號的多徑數(shù)目。 第二章綜合仿真平臺及硬件仿真平臺框架 其復(fù)基帶等效信號為： n ( n y ( f ) = 。( f ) p 嘶巾x ( t r 。( f ) ) 式( 2 - 2 ) n = 0 其中尾( f ) 是依賴于損耗，t p ( t ) 依賴于時延和多普勒頻移。 由于地球和火星都是太陽的行星，因此地球和火星間進行通信的信道會受到 太陽帶電粒子的影響，地球上的接收信號會出現(xiàn)幅度衰落和信號頻譜展寬現(xiàn)象。 地球與火星之間的距離越遠( 即信道中帶電粒子的密度越大) ，這種現(xiàn)象越嚴重。 考慮多普勒頻移后，接收信號表現(xiàn)為時變衰落。 為了抵抗太陽帶電粒子造成的這種影響，需要采用分集接收技術(shù)( 包括空間、 頻率、時間、極化分集) 。美國m e r 通信系統(tǒng)中就分別采用了這些分集接收技術(shù)。 其中空間分集是利用多個地面天線來達到的，時間分集通過糾錯編碼與交織技術(shù) 來達到。 2 2 3 深空通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)級仿真 深空通信系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)級仿真建立在鏈路級仿真基礎(chǔ)上，在相同的情況下針 對不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行仿真。深空通信的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺模型框圖如圖 2 2 所示。 磊磊n 磊i 1 匿：乩竺! 竺。土于叫。二二。竺! 竺。：jl ；i 。：二二二。二_ l ：。二。二：二_ 圖2 2 深空通信系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)級仿真 如圖2 2 所示，深空通信系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)級仿真主要包括：傳統(tǒng)t c p i p 的性能 分析；集束層協(xié)議模塊；應(yīng)用層協(xié)議( f d p ) 模塊和網(wǎng)絡(luò)拓撲模塊。每個協(xié)議模塊 都有自己的參數(shù)，在仿真平臺中可自由配置。重點對集束層協(xié)議的集束路由、集 束托管傳輸、集束端到端可靠連接等多種服務(wù)協(xié)議進行仿真，并對應(yīng)用層協(xié)議 深空通信仿真系統(tǒng)硬件平臺研究與實現(xiàn) ( f d p ) 的性能進行仿真。 以火星至地球表面的通信網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)為倒，如圖2 3 所示，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型 時應(yīng)注意以下三個方面問題： 1 地球和火星表面本地網(wǎng)絡(luò)的靜止或相對運動 2 火星探測器與火星低軌衛(wèi)星之間的短時延中繼通信 3地球和深空骨干網(wǎng)中的長時延傳輸 _ 2 、_ 、a e 圈、 圖2 3 火星至地球通信阿絡(luò)結(jié)構(gòu) 2 2 4 深空通信系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同仿真 在軟硬件協(xié)同仿真系統(tǒng)中，硬件仿真平臺將進行包括圖像信源編解碼，信道 糾錯編解碼，調(diào)制解調(diào)器等模塊的仿真。 冒些心 # * * ) = 叁q 目* 口* * 日#m m “镕* 目# * 月$ q 圖24綜合仿真演示平臺結(jié)構(gòu)框圖 整個仿真流程為：原始圖像數(shù)據(jù)首先從數(shù)據(jù)源( 計算機或相機) 進入圖像信 源編碼器，得到編碼后的數(shù)據(jù)和時鐘，送入信道糾錯編碼器，再經(jīng)過調(diào)制器得到 7 0 m i - l z 的已調(diào)中頻信號，在進行鏈路級仿真時，直接送入信道模擬器( 它模擬深 空信道并加入噪聲) ：進行網(wǎng)絡(luò)級仿真時，該己調(diào)中頻信號通過采集卡進入計算機 a ， p - c “嘲 s o c i n t r f e o o j 值g p o r t i n l m r u p t s i 日雌 k - b u m 培鶘 $ 國哺 八 l l 目 l 篇警 - f ：微 i ) “ pc寫。蠶mpu“黧locksnfwgera l u s u n o a - u 。0 卜 e il ik = = ：= ：= ： j q n r r 叼i _ b m 圖4 6 鏈路口的s o c 總線連接 由圖中可知，對鏈路口寄存器的訪問是跨時鐘域的操作。 每個鏈路口都有2 個獨立的端口，發(fā)送端和接收端。發(fā)送端通道的緩沖寄存 器深度為2 ，接收端的緩沖寄存器深度為3 l b u f t x x 和l b u f r x x 有效位寬2 8 b i t ， 是映射在d s p 地址空間中的通用寄存器。移位寄存器( s h i f tr e g i s t e r ) 不能被用戶 直接訪問。如圖4 7 為鏈路口的結(jié)構(gòu)。 深空通信仿真系統(tǒng)硬件平臺研究與實現(xiàn) s o cb u s 圖4 7 鏈路口結(jié)構(gòu) 鏈路口的端口信號： l x d a l d 3 0 p - 數(shù)據(jù)發(fā)送l s 信號的p 端 l x d a t 0 3 0 n - 數(shù)據(jù)發(fā)送l v d s 信號的n 端 l x c l k o u t p ：輸出時鐘l v d s 信號的p 端 l x c l k o u t n ：輸出時鐘l v d s 信號的n 端 l x a c k i ：傳輸應(yīng)答信號，接收端通過這個信號通知發(fā)送端可以發(fā)送數(shù)據(jù) l x b c m o ：數(shù)據(jù)塊完成信號。 l x d a t l 3 o p ：數(shù)據(jù)接收l v d s 信號的p 端 l x d a t l 3 o n 數(shù)據(jù)接收l v d s 信號的n 端 l x c l k 小m ：輸入時鐘l v d s 信號的p 端 l x c l k i n n ：輸入時鐘l v d s 信號的n 端 l x a c k o - 接收應(yīng)答信號。接收端通過這個信號通知發(fā)送端傳輸繼續(xù)進行 l x b c m p i ：接收塊完成信號 每條鏈路都支持全雙工通信。發(fā)送和接收通道最大并行寬度為4 b i t s 。l x a c k i ， l x c l k o 為握手信號，控制數(shù)據(jù)傳輸。l x b c m p i 和l x b c m p o 用于標志當前傳輸 是否完成。鏈路口連接關(guān)系為 4 #。螄 j ，jl x d a t o o p l x d a t i o p 煮 il ) d a t o o n ， l x d 氏飛、q 媳j ， ；： ；l x c l k o u t pl x c l k i n pi l ： l x c l k o u 即嗨l x c l k i n n ； # 。 ；lxackil x a , c k o ； ：+ l x b c n 嬋ol x b c i 。； 圖4 8 鏈路口連接關(guān)系 第四章硬件仿真平臺中數(shù)據(jù)通路設(shè)計與實現(xiàn) 2 9 4 3 2 鏈路口的數(shù)據(jù)傳輸 鏈路口的數(shù)據(jù)傳輸通過讀寫傳輸緩沖寄存器完成。鏈路口的發(fā)送接收緩沖寄 存器為l b u f t x x 和l b u f r x x ，狀態(tài)和控制寄存器為l r c t l x ，l t c t l x ， l r s t a t x ，l t s t a t x ，l r s t a t c x ，l t s t a t c x ( 以上寄存器名中x 代表o ，1 ，2 ， 3 。 在傳輸過程中，在一個字的傳輸完成，移位寄存器為空時，用戶寫入到傳輸 緩沖寄存器的數(shù)據(jù)被復(fù)制到移位寄存器中，依次被發(fā)送到鏈路口上。接收端的移 位寄存器接收由發(fā)送端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并自動完成拼接。當接收到一個完整的 字后，將移位寄存器中的數(shù)據(jù)復(fù)制到接收緩沖存儲器。 鏈路口數(shù)據(jù)傳輸有2 種方式。( 1 ) 通過檢測狀態(tài)寄存器，并配置控制寄存器， 程序手動裝載和讀取數(shù)據(jù)傳輸緩沖寄存器。( 2 ) 通過鏈路口d m a 實現(xiàn)。后一種方 式使用方便，且效率高，本系統(tǒng)中主要采用d m a 方式的鏈路口傳輸。 每一路鏈路口都有2 個d m a 通道，一個通道用于發(fā)送，另一個通道用于接收。 d m a 通道能夠與內(nèi)部存儲器，外部存儲器，其他鏈路口或映射于地址空間的外設(shè) 相連接。當l b u f t x x 寄存器空，d m a 被使能時，鏈路口向發(fā)送d m a 提出發(fā)送 服務(wù)請求。當一個1 2 8 位的字被接收，即當l b u f r x x 寄存器滿時，鏈路口向接 收d m a 發(fā)出接收請求。 d m a 傳輸配置通過對傳輸控制塊( t r a n s f e rc o n t r o lb l o c kt c b ) 寫入相應(yīng)的 值完成。t c b 由4 個字( w o r d ，3 2 b i t ) 組成，分別是d i ，d x ，d y ，d p 。發(fā)送 t c b 中包含以下信息：源數(shù)據(jù)的地址d i ，需要傳輸?shù)淖值膫€數(shù)( d x d y ) ，地址增 量( d x d y ) 以及控制位( d p ) 。接收t c b 包含數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康牡刂? d i ) ，接 收字的個數(shù)( d x d y ) ，地址增量( d ) ( 7 d y ) 以及控制位( d p ) 。 4 4f p g a 與a d s p t s 2 0 1 之間數(shù)據(jù)通路 4 4 1l v d s 電平標準和f p g a 專用差分信號接口 a d s p t s 2 0 1 的鏈路口采用l v d s 電平標準。l v d s 是一種低擺幅的差分信號， 通過平衡互聯(lián)線( p c b 走線或電纜) 傳輸，具有強的共模噪聲抑制能力和低功耗。 l v d s 的傳輸包含3 部分，發(fā)送模塊，接收模塊，互聯(lián)線( 包括匹配電阻) 。如圖 4 9 所示為l ) s 傳輸結(jié)構(gòu)圖。 l v d s 發(fā)送模塊由一個3 6 m a 的差分電流源組成，接收器具有高阻抗，需要 在接收端口上接一個1 0 0 q 的匹配電阻，因此在接收端上電壓擺幅大約為3 5 0 m v 。 3 0 深空通信仿真系統(tǒng)硬件平臺研究與實現(xiàn) t r a n s h 盯r 1 1 m 肛位 v l m i x d a t 0 3 - 4 1 p l x d a t l 3 - 0 p i n k d a m o u t p u t 炎享霉 l x d a t 0 3 - o n l x d a t l 3 - 0 n 圖4 9l v d s 信號傳輸結(jié)構(gòu)圖 a d s p t s 2 0 1 的鏈路口的接收端有內(nèi)置1 0 0q 的匹配電阻，因此在d s p 之間 互聯(lián)時不需要額外掛接匹配電阻r t 。但是在d s p 與f p g a 或其他器件相接時，器 件內(nèi)部不一定有終端匹配電阻，因此在本系統(tǒng)中，需要在f p g a 的差分信號接收 端引腳附近放置1 0 0 q 的匹配電阻。 在本系統(tǒng)所采用的x i l i n x 公司的f p g a ：x c 2 v p 4 和x c 2 v p 4 0 都直接支持 l v d s 電平標準。并且在這兩款f p g a 的l o b 中，還包含了一個l v d s 電流式驅(qū) 動和數(shù)字控制阻抗( d i g i t a l l yc o n t r o l l e di m p e d a n c e ) 模塊，使得在l v d s 點對點傳 輸時，不需要外部匹配電阻，方便了p c b 設(shè)計。 如下圖所示為x i l i n x 提供的支持l v d s 的輸入數(shù)據(jù)或時鐘的硬件原語。 j a l j 圖4 10i b u f d s i b u f g s 和o b u f d s o b u f g s 由于在輸入時要求有1 0 0 q 的終端匹配電阻，且在v i r t e x i ip r o 系列f p g a 中 在差分輸入b u f f e r 上提供1 0 0q 的差分終端( d i f f e r e n t i a lt e r m i n a t i o nd t ) 因此，選用 m u f d sl v d s2 5d t 作為數(shù)據(jù)輸入b u f f e r ，i b u f g d sl v d s2 5d t 作為時鐘輸 入b u f f e r 。采用o b u f d sl v d s2 5 作為輸出b u f f e r 。在使用時將對應(yīng)的硬件原語 直接例化到程序中即可。 圖4 1 1f p g a 中差分信號傳輸示意圖 例化時要指明i o 電平標準i o s t a n d a r d ( “l(fā) v d s 一2 5 d t ，) 。 第四章硬件仿真平臺中數(shù)據(jù)通路設(shè)計與實現(xiàn) 3 1 4 4 2 鏈路口數(shù)據(jù)傳輸時序 鏈路口的通信通過每個傳輸方向( 發(fā)送或接收) 上1 或4 組數(shù)據(jù)線以及3 根 控制線，在時鐘的節(jié)拍下完成。在l b i t 寬度模式下，l x d a t i o p n 和l x d a t o o p n 用于數(shù)據(jù)傳輸。每個鏈路口通道使用l x c l k o u t p n ，l x a c k i ，l x c l k i n p n 和 l x a c k o 控制數(shù)據(jù)傳輸，l x b c m p i 和l x b c m p o 信號用于標志當前緩沖區(qū)的傳輸 是否完成。 在鏈路口數(shù)據(jù)傳輸中，有3 個固定的要求： ( 1 ) 第一組數(shù)據(jù)( 1 b i t 或4 b i t s ) 總是在鏈路口時鐘的上升沿傳輸。 ( 2 ) 最后一組數(shù)據(jù)( 1 b i t 或4 b i t ) 總是在鏈路口時鐘的下降沿傳輸。 ( 3 ) 當鏈路口空閑時，l x c l k o u t p 被拉低。 最小的數(shù)據(jù)傳輸單位為1 個四字( q u a dw o r d ，1 2 8 b i t s ) 。當采用4 位寬傳輸時， 一個四字只需1 6 個時鐘周期傳完，當采用1 位寬傳輸時，需要6 4 個時鐘周期。 如圖4 1 2 所示為4 字寬度下的數(shù)據(jù)傳輸： 卜l b u f r x x l b u f t x xd 1 2 7 07 習(xí) b 州 i ：? i ? # ? 糍a l x d a t a 0 3 - 0 圖4 1 24 b i t 寬度鏈路口數(shù)據(jù)傳輸 當檢測到l x a c k i 信號為高時，當前接收b u f f e r 為空，發(fā)送端將發(fā)起傳輸。 在l x c l k o u t p 的第一個上升沿到來前，第一個數(shù)據(jù)單元已經(jīng)準備好，即接收端 可以在上升沿到來時檢測到穩(wěn)定的l x d a t a 0 3 0 上的數(shù)據(jù)。在l x c l k o u t p 最后 ( 在一次傳輸中) 一個下降沿到來時，最后一個數(shù)據(jù)單元以已經(jīng)準備好，保證接 收端可以在該沿采到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。 鏈路口傳輸協(xié)議支持數(shù)據(jù)傳輸校驗。當l r c t l x 寄存器中r v e r e 位和 l t c t l x 寄存器中的t v e r e 位都置位時，在一個四字傳輸結(jié)束后會傳輸一個校驗 和( c h e c k s u m ) 字。 當數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的2 個處理器之間傳輸時，數(shù)據(jù)塊的長度往往是不確定的。 在鏈路口傳輸時，在一些情況下接收端無法預(yù)知發(fā)送端將要發(fā)送的數(shù)據(jù)包的長度。 因此，發(fā)送端通過l x b c m p o 信號通知接收端當前數(shù)據(jù)塊是否已經(jīng)傳輸結(jié)束。在 正常使用時，l x b c m p o 信號應(yīng)該接到接收端的l x b c m p i 輸入信號上，當接收端 收到該信號有效時，標志著塊傳輸?shù)慕Y(jié)束。此時，即使d m a 通道的傳輸數(shù)據(jù)長度 3 2 深空通信仿真系統(tǒng)硬件平臺研究與實現(xiàn) 計數(shù)器沒有計完，當前傳輸也要結(jié)束。l x b c m p o 信號在塊結(jié)束時的最后一個四字 傳輸?shù)牡谝粋€l x c l k o u t 的上升沿置為有效( 0 ) ，在這個四字傳輸?shù)淖詈笠粋€時 鐘的下降沿置為無效( 1 ) 。如圖4 1 3 所示。 l a s tq u a dw o r di nt h ec u r r e n tb l o c k l x c l k o u t 幾幾瓢幾n l x d a t a 0 3 - 0 l x b c m p o 廠 圖4 1 3l x b c m p o 置位 4 4 3f p g a 發(fā)送接收模塊設(shè)計 在本系統(tǒng)中，需要完成a d s p t s 2 0 1 的鏈路口與v i r t e x i if p g a 之間的接口。 需要設(shè)計相應(yīng)的口核完成鏈路口數(shù)據(jù)的收發(fā)。p 核的時序必須符合鏈路口傳輸協(xié) 議的要求。 ( 1 ) 接收器p 的設(shè)計： 由于鏈路口信號均為差分信號，因此需要使用i b u f d sl v d s2 5 將差分信號 轉(zhuǎn)換成單端信號。將所有的數(shù)據(jù)線和時鐘線都經(jīng)過i b u f d sl v d s2 5 的轉(zhuǎn)換( 單 端的控制信號，包括l x b c m p o ，l x a c k o 等不需要轉(zhuǎn)換) 后，在f p g a 內(nèi)部將 鏈路口信號全部作為單端信號處理。 鏈路口數(shù)據(jù)傳輸采用的雙倍數(shù)據(jù)速率( d o u b l ed a t ar a t ed d r ) ，即在時鐘的 上升沿和下降沿均采數(shù)據(jù)。因此，設(shè)計的接收器d 的框架圖如圖4 1 4 所示。 在系統(tǒng)中用到2 個4 位寬的異步f i f o ，深度根據(jù)系統(tǒng)時鐘頻率和鏈路口時鐘頻 率調(diào)整。其中f i f 0 0 用于接收并緩存在l x c l k i n 的上升沿打出來的數(shù)據(jù)，寫時鐘 為l x c l k i n ，讀時鐘為系統(tǒng)時鐘( 頻率應(yīng)與l x c l k i n 相同或更高) 。f i f 0 1 用于 接收并緩存在l x c l k i n 的下降沿打出來的數(shù)據(jù)，寫入時鐘為l x c l k i n 的反向時 鐘，讀時鐘為系統(tǒng)時鐘。控制邏輯用于控制整個系統(tǒng)的狀態(tài)，包括l x a c k o 與 l x b c m p i 信號狀態(tài)的檢測，f i f o 的讀寫使能控制，f i f o 的滿空等標志的檢測。 c o m b i n eb u f f e r 用于將f i f 0 0 和f i f 0 1 兩個緩存的數(shù)據(jù)( 分別對應(yīng)鏈路口時鐘的上 升沿和下降沿打出的數(shù)據(jù)) 拼接成一個8 位的b y t e 。在讀取f i f 0 0 和f i f 0 1 時應(yīng) 按照如下規(guī)則讀?。寒攦蓚€f i f o 的空信號都為無效時，才能從這兩個f i f o 中同 時讀取數(shù)據(jù)，每讀取其中一個f i f 0 0 中的數(shù)，必須要同時讀取一個f i f 0 1 中的數(shù)。 第四章硬件仿真平臺中數(shù)據(jù)通路設(shè)計與實現(xiàn) 3 3 l x a c k o 警，一 f l a g s l x b c 口i 。 l c j l x c l k f n pk l l x c l k d 仆i戶 i l d i n l ，s y a f l l 曼 l t j ：l 1 嗣 s v 3 i c n 【 d o u t 。j 。，j ，j 、象 x d a t a l 3 ：0 p j “。 e 川她 。7 。 d a t a 伽 - - - 上 x d a t a l 3 ：0 n少 秈l 廠 ；，爭j ： k f v一* d ” ，7 伽盤噸 l 、r ，da f ；r 、t t l r 。一“”一| 圖4 1 4 鏈路口接收器p ： 的寫入數(shù)據(jù)總線寬度為8 ，讀出數(shù)據(jù)總線的寬度為3 2 寫入 的字節(jié)數(shù)據(jù)自動拼接成3 2 位的字。使用開發(fā)環(huán)境集成的 生成，設(shè)置參數(shù)滿足位寬和速率的要求。寫入的8 位寬 數(shù)據(jù)自動在內(nèi)部完成拼接。在讀時，讀出的數(shù)據(jù)既為恢復(fù)出來的 鏈路口發(fā)送數(shù)據(jù)。 ( 2 ) 發(fā)送器p 的設(shè)計 接收器口設(shè)計需要用到寄存器。在 的 中有專用的輸入，輸出和三態(tài)寄存器，在發(fā)送器p 設(shè)計中，需要使用輸出 寄存器。輸出寄存器由2 個普通寄存器組成，這兩個寄存器分別在2 條通路上，被一對相差。的時鐘驅(qū)動。相差 。的時鐘由生成。如圖 4 1 5 為輸出d d r 觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和波形。 圖4 1 5 輸出結(jié)構(gòu)圖及其波形 和為一組相差為18 0 。的時鐘， 和 為的2 路輸入數(shù)據(jù)( 上升沿和下降沿) 。為使能端， 為置位端， 為復(fù)位清端。選擇q 2 或q 1 作為的輸出。 在開發(fā)環(huán)境中集成的庫中，我們選用原語作為 輸出觸發(fā)器。需要利用輸出寄存器設(shè)計時序，使之滿足如圖4 1 2 和圖4 1 3 的要求，首先，需要采用生成3 個時鐘，相位如圖4 1 6 所示： 3 4 深空通信仿真系統(tǒng)硬件平臺研究與實現(xiàn) 出8 0 l 廠 廠 廠 廠 c l k 9 0 。一廠 廠 廠_ 廠 一 圖4 1 6d d r 所需時鐘相位關(guān)系 要使發(fā)送器所生成的時序滿足鏈路口傳輸協(xié)議，首先必須滿足( 1 ) 第一組數(shù) 據(jù)總是在鏈路口時鐘的上升沿傳輸，( 2 ) 最后一組數(shù)據(jù)總是在鏈路口時鐘的下降 沿傳輸，( 3 ) 當鏈路口空閑時，l x c l k o u t p 被拉低。 條件1 ，2 可以由d d r 觸發(fā)器完成，只要給入的數(shù)據(jù)為1 2 8 位寬，保證第一 個l x c l k o u t p 傳輸?shù)谝粋€數(shù)據(jù)單元，在一個4 字傳輸過程中不中斷，即可滿足 條件1 ，2 對于條件3 ，由于我們使用e l k 9 0 作為l x c l k o u t p l x c l k o u t n c l k 9 0 為 d c m 生成，一直有效，因此，需要加入門控時鐘。如圖4 1 7 所示為門控時鐘的門 控信號示意圖。 c i k o 廠 廠 l 廠廠 c l k 9 0 廠廠一一一 廠 l x d a t a ( 二至三三二二) ( 二二三三三 圈三至三三三弓三至三三三9 三 c l kg a t e jl 圖4 1 7 門控信號e l kg a t e 示意圖 e l kg a t e 信號與e l k 9 0 信號下降沿同步，并用e l kg a t e 門控e l k 9 0 ，生成 l x c l