基于通用计算机的基带信号处理系统实时性分析

刘燕都，郑海昕，王希阔

(1.装备学院 研究生院，北京 101416；2.石家庄陆军指挥学院 20队，河北 石家庄 050084)



基于通用计算机的基带信号处理系统实时性分析

刘燕都1，郑海昕1，王希阔2

(1.装备学院 研究生院，北京 101416；2.石家庄陆军指挥学院 20队，河北 石家庄 050084)

摘要航天测控系统是一类强实时系统，实时性是系统设计和实现过程中必须考虑的主要因素。当前基于通用计算机的基带信号处理系统因其灵活性、易扩展性，已经逐步由原理验证阶段过渡到工程实现阶段，但系统由通用计算机搭建，因软硬件的异步特性，系统的实时性还不能很好地满足测控任务需求。研究了航天测控系统中的实时性，分析了不同类型航天测控任务对实时性的需求，提出了基于通用计算机的测控基带信号处理系统实现方案，并在平台上开展实验。仿真结果表明，基于通用计算机的航天测控基带信号处理系统可以满足实时性要求。

关键词航天测控；基带信号；系统结构；实时性

0引言

航天测控系统是各类航天任务中不可或缺的重要组成部分。近年来，随着高性能计算技术、信号处理技术的不断发展，以通用计算机为硬件平台构建的测控系统由理论验证阶段逐渐过渡到工程实现阶段。航天测控系统是强实时系统，计算结果的正确性不仅依赖信号处理的逻辑正确，还取决计算结果的时间正确[1-2]。当前，基于通用计算机的测控系统更强调实现测控功能，对于一些非功能性问题研究较少。本文综合分析了航天测控任务中对实时性的需求，提出了提高系统实时性的设计方法，同时在自主研发的综合化扩频测控基带信号处理平台上进行了仿真与分析，为测控软基带的工程实现提供了一定理论和实验基础。

1航天测控系统中的实时性

1.1航天测控任务的时间特征

实时，一般指信号处理的过程在短时间内完成。但实时不完全等同于快速，无论处理器计算速度有多快或传输时延有多小，只要在规定的时隙内系统产生正确的响应，则称系统具有实时性。因此，实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功能并对外部的异步事件做出响应的能力[3]。

航天测控系统是一个具有严格时限的强实时处理系统，时间是一种重要的资源和要素，因此，航天测控系统具有以下几个重要特征：

① 可预知性。航天任务一般按预先制定的方案执行，航天器的飞行轨道、飞行姿态、机动动作和测控操作执行的时间是确定的，这一点是航天测控系统最重要的特征。

② 及时性。航天测控系统具有精准的时限要求，这个精度一般能达到ms级，甚至要求μs级，而快速并不能对这种要求做出保证。因此，航天测控任务在规定的时间点及时地运行任务比快速更为重要。

③ 并行性。航天测控中无论是分离体制还是统一体制，跟踪测量在时间逻辑上都是并行的，各个测量系统独立运行和计算。由此可以看出，航天测控系统具有并行性特征。

④ 定向性。因为测控任务本质上是分布的，所以测控任务的完成依赖多个子系统相互协同，因此测控系统中的时间约束具有定向的传递性。

1.2航天测控任务的实时性分析

不同航天任务有其自身固有的特点和测控需求。测控任务的实时性分析就是指根据不同航天任务的特点，分析任务的实时性需求；分析测控网的信息处理能力能否满足实时性要求；分析能否在可测控弧段内安排所要求的各测控事件，分析测控系统能否实时完成所需的测控任务。

典型的航天任务及任务特点可参见文献[4-5]。运载火箭发射任务测控时间短、距离近，测控实时性要求高，重点在弹道测量，要求测控系统能够及时提供运载火箭的飞行弹道及各类参数，作为发射场安控的依据，要求从捕获目标、输出测量信息到监视显示，一般在数百ms内完成[6]。近地轨道卫星测控任务和载人航天任务中，单站的可测控时间只有几分钟到十几分钟，可观测窗口极短，但测定轨要求高，遥测数据率高，测控的实时性要求极高。同步轨道卫星的工作轨道相对地面静止，卫星入轨段控制复杂，但卫星入轨后轨道参数相对固定，不需要强实时跟踪，单站可按照时分的方式测控多颗卫星。深空测控距离比常规测控距离有了明显增加，信号传输时延也较大，因其物理限制，对深空测控任务要求较强的实时性是没有必要的，可采用复杂的算法，提高测量的精度。

根据以上分析，测控系统搭建过程中应依据不同的任务类型合理调配资源，采取合理的平台和算法，以达到资源最优化。

2测控基带信号处理中的实时性

当前，航天测控信号处理依赖测控综合基带设备，综合基带设备依靠严格的硬件时钟控制，其时间同步性和实时性均能得到保证。测控系统基带信号处理的主要时间指标可参见文献[7]。

目前，通用计算机主要用来处理文档、多媒体以及非实时的数学计算和分析，如何客观地评估数字信号处理方法在通用计算机中的处理时长，最常用的方法是利用指令计时，但因为处理器的分时运行，这种方法并不准确。工程中通常将完成一个处理过程的时间Ti描述为计算得到每个输出yi(n)时所需的时长不超过对yi(n)有影响的下一组输入xi+1(m)到达的时间，以此来描述信号计算中的时延。

3测控系统实时性的保障方案

传统的实时计算规模通常较小，但在航天测控任务中，信号多样、数据复杂，计算规模较大。目前，在用的设备依赖软件无线电的硬件体系结构和定制的专有测控软件。这类系统的设计和开发与某一种数字信号处理器件的内部结构与工作模式紧密相关，虽然可以靠加载不同程序实现不同功能，但系统硬件结构不可重组，程序不易修改，多种功能不易整合集成。利用通用计算机搭建的测控系统，可以减少系统硬件费用，缩短设计和改造时间，充分提高系统的通用性和灵活性。

3.1相关技术

随着实时信号处理应用的发展，为保证测控系统实时计算的研究也逐步形成。实时信号处理相关技术如图1所示，主要包括系统体系结构、软件设计和处理器。

图1　实时信号处理相关技术

高性能分布式计算最初为科学计算设计，如今被广泛应用于气象仿真、生物分子模拟和环境科学等各行各业。从分布式计算的发展趋势来看，分布式并行计算是高性能计算的发展方向。尤其近年来将GPU作为协处理器提高运行效率的应用越来越广泛，CUDA的低开发门槛为高性能计算的“平民化”提供了很好的平台。因此，采用分布式异构并行的硬件体系结构，能够在计算能力上保证系统的实时性。同时，基于现场可编程逻辑门(FPGAs)的可重构技术、MCP封装技术和云计算技术为解决通用计算机的实时性问题提供了多种发展方向。

为了带来更高的稳定性和重用性，中间件技术被广泛采用。CORBA[8]是一个分布式的面向对象的应用结构规范，针对工程应用领域的特点，通常在中间件技术的基础上，形成专用的软总线软件开发技术，配置系统的计算资源、存储资源和通信资源，从软件体系结构保证系统的实时性。

面向对象的编程技术是现在主流的编程技术，但其编程模式在处理实时性方面还缺乏对时间的准确描述和合理的调度机制。当前最常用的实时对象模型是基于Client/Server的计算模型，如图2所示。

图2　Client/Server编程模型

该模型公共部分定义了对象收发的外部操作，私有部分定义了对象可实现的功能。这些功能均以线程的形式体现，并聚集在线程池中，Client/Server模型将常见的对象间的调用操作转变为对象内部线程的优先级操作，对象响应外部操作的过程转变为私有部分的线程调用。这样，对象调用的时间特性描述变为了线程调度策略和优先级策略，从而不受其他操作的影响，在编程技术上保证算法的实时性。

3.2系统模型

基于通用计算机[9]的测控系统可以用一个分层模型来表示，并在每一层的设计中提出实时性保障方案，如图3所示。

物理层是系统的基础，利用前置高性能工作站、高速互联模块和高速存储模块等保障。内核层由操作系统构成，是系统硬件平台和应用软件之间的中介，直接与物理层中的各种计算资源交互，利用多任务I/O访问、实时多线程调度等保障系统实时性。链路层和传输层分别采用优化信号路由和数据封装、标准化接口协议的方法优化系统实时性。在传输层，利用测控帧结构中的时间同步信息标识，实现系统内并行数据流间的时间同步。功能实现层和应用层通过搭建“积木”的软总线的方式，完成高效的软件重组和人机交互，构成完整的实时性系统。

图3　基带信号处理系统层次结构

3.3设计原则和实现思路

基于上述技术，可以预见基于通用计算机的航天测控系统将是开放的，绝大多数硬件是可以购买到的标准组件(COTS)，而软件则是采用软总线技术构成的软件体系结构。不过，因为航天测控信号的特殊性，综合化处理平台仍然需要部分定制的硬件，使系统成为一个混合的分布式信号处理系统，如图4所示。

图4　基带信号处理系统硬件构成

由于测控系统功能十分复杂，因此，信号处理集群采用组件化的设计方法，将计算复杂性分散到各个处理终端中。对于计算密集度较高的功能组件，采用GPU作为协处理器加速，保证计算的实时性。

如1.2节分析，在实际的航天测控系统中，并不是每项任务都需要保证较强的实时性，因此，对于不同任务，实时性是可选的，例如对于实时性要求不高的深空测控任务，通过加载更为复杂的信号处理算法，实现更高的精度。

4测试结果分析

基于通用计算机的测控系统由多台高性能工作站通过网络连接而成，高性能计算机以千兆以太网卡作为网络接口，通过双绞线(6类UTP线)与千兆以太网交换机实现网络连接。基于Windows操作系统和TCP/IP协议可以达到千兆以太网的最大有效带宽，采用基于端口汇聚式交换机的星形网络拓扑结构，系统工作在全双工模式下，同时进行数据的发送和接收，如图5所示。

图5　系统工作模式示意

核心的计算硬件为高性能工作站，惠普Z820(E5-2620/4 GB/1 TB/Q2000)采用英特尔E5-2620六核处理器，4 GB DDR3 1 333 GHz内存，1 000 GB SATA3硬盘，NVIDA Q2000 1 GB 专业图形显卡，可通过机架安装的系统提供7个扩展槽、7个扩展托架和4通道集成DDR3内存(带有16个插槽，支持的内存容量高达512 GB)。

系统搭建后，采用“CPU+GPU”异构全并行的方式设计扩频测控信号捕获模块，将原有典型的二维串行搜索转变为大规模多线程并行搜索，并对不同扩频系数的500 ms测控信号进行仿真测试。经过100次测试统计平均后的测试结构如表1所示，测试结果表明捕获的相位精度均可达到1/4。

表1　基于GPU的扩频信号并行捕获时间测试

利用软件锁相环设计信号跟踪模块，输入1 ms数据，对环路整体执行时间经过100次测试统计平均，串行执行时长9.6 ms，并行执行时长0.78 ms，加速比达到12.3，实时性可达到1∶0.78。

经过仿真测试，基于通用计算机的测控系统，能够在规定的时隙内完成计算，并具备较强的系统重组能力。

5结束语

对比文献[10]中的测控信号处理系统，基于通用计算机的测控系统能够完成现阶段的大部分测控功能，并保证系统实时性，且具有更强的功能重组能力、更低的成本和更强的扩展能力，能够根据不同实时性任务需求，动态地调整系统的软硬件结构，使系统保持相对较优，是测控设备发展的重要方向之一。后续将继续完善系统功能，考虑向自主可控平台过渡。

参考文献

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.09

收稿日期：2016-03-16

基金项目：武器装备预研基金资助项目(9140A24070509KG02)。

中图分类号TN914.3

文献标志码A

文章编号1003-3106(2016)07-0034-04

作者简介

刘燕都男，(1986—)，硕士研究生。主要研究方向：高速数字信号处理、航天测控技术。

郑海昕女，(1974—)，硕士，副教授。主要研究方向：航天测控技术、空间数据传输。

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：刘燕都,郑海昕,王希阔.基于通用计算机的基带信号处理系统实时性分析[J].无线电工程,2016,46(7):34-37.