基于“太空篱笆”系统的大规模高速数据传输设计

2018-02-05张海江田之俊

无线电工程 2018年2期

张海江，田之俊

(1.中国人民解放军92941部队，辽宁葫芦岛 125001；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081)

0 引言

“太空篱笆”系统为美国计划研制的新一代空间目标监视雷达——电磁篱笆系统，是现有的NAVSPASUR系统的升级改造，期望通过该系统大幅提升跟踪太空垃圾和较小其他物体的能力[1-2]。该系统采用相控阵天线以数字波束形成方式控制波束方向，同时搜索和测量不同方向的多个波束，在空间形成一道拦截屏，对空间碎片进行发现、探测和跟踪编目[3]。据资料显示[4]，系统接收站工作带宽1 MHz，阵列天线增益高达58 dB，采用高达512×512个阵元的面阵方式，规模庞大。初步估算，系统总体数据量高达16 000 Gbps，其同步稳定传输是系统设计的难点。

针对“太空篱笆”系统如此大规模的数据量，创新性地提出了基于数字光纤的高速数据分发传输架构，采用数字光纤、FPGA集成收发器和数据同步机制等多种设计方法保证数据传输的稳定、可靠。

1 数据传输架构

系统大规模高速数据传输架构如图1所示[5-6]。接收组件完成4×8子阵32个天线阵元的数据接收与传输。天线阵元数据经由32通道的ADC采样及数据预处理后，进行数据拼接与组帧，最后由同步信号控制，将数据由数字光纤进行同步传输。系统阵元总数512×512，故共需要8 192个接收组件。

图1 系统数据传输架构

波束形成终端对光纤数据进行同步接收、再生、检测、解帧和对齐等操作，将对齐后的各通道数据进行同时数字多波束形成，完成大规模高速数据的传输流程。

由于系统工作带宽1 MHz[7]，根据奈奎斯特采样定理要求，暂定采样率为3 MHz。假设AD量化位数12 bits，32个阵元的量化数据由一根光纤进行传输，根据高速数据传输8B/10B编码要求，每路数据扩展成16 bits进行传输，编码后数据率32×20×3 MHz=1.92 Gbps，其中20表示16 bits数据经8B/10B编码后变为20 bits。考虑传输中数据帧结构带来的传输冗余，取数据传输速率为2 Gbps。故整个系统高速数据传输量为512×512/32×2 Gbps=16 384 Gbps[8]。

2 数据传输稳定性设计

2.1 数字光纤传输

传统的金属线传输方式，系统规模庞大，数据速率低，信号间电磁兼容性问题突出，且传输距离有限。与之相比，光纤传输优势在于：频带宽，通信容量大；传输损耗低，距离远；绝缘、抗电磁干扰能力强，保证数据传输稳定可靠；另外其重量轻，抗腐蚀、抗辐射能力强，泄露小[9-10]。

光纤传输可分为模拟光纤传输和数字光纤传输。数字光纤传输技术将光纤传输技术与数字技术相结合，比模拟传输相比具有更好的抗干扰性能，大大提高了高速数据传输的稳定性[11-12]。另外随着制造工艺不断发展，各种光缆的集成度不断提高，单根光缆可包含几十上百芯，为超大规模数据传输提供了有利条件，降低了系统规模和重量[13]。

2.2 FPGA集成收发器

随着集成电路工艺的发展，FPGA自身功能逐步提升，为高速数据传输提供了良好的平台。目前多个系列的FPGA内部都集成了专用的高速收发器，支持数据速率高达28 Gbps，收发器带宽825 Gbps，兼容PCI Express、Serial RapidIO、万兆以太网(XAUI)和千兆以太网等多种协议[14]。

专用高速收发器的原理结构框图如图2所示。

图2 专用收发通道结构

其中几个关键部分描述如下[15]：

CDR：时钟数据恢复单元，接收高速串行数据，并从数据中恢复出高速时钟，作为后续处理时钟；

Serializer/Deserializer：串行/解串器，完成高速串行数据和并行数据之间的相互转换，并行数据可根据情况配置成8 bits、16 bits或者32 bits位宽；

Word Aligner：样式字检测，检测数据流中预设置的样式字，并按照该样式字将串行数据转换成并行数据。根据8B/10B编码规则，样式字一般设置为控制码K28.5，对应的数据为0xBC[16]；

8B/10B Encoder/Decoder：8B/10B编解码，为高速数据传输中的一种直流平衡编码，保证传输稳定，降低数据传输误码率，但也带来传输冗余，占用数据传输带宽；

Phase Compensation FIFO：相位补偿FIFO，完成数据在不同时钟域之间的转换，包括本地处理时钟、数据传输处理时钟和高速数据恢复时钟等，保证数据传输连续、稳定。

FPGA的专用收发器集成度高，性能稳定可靠，各个参数可灵活配置，使用方便，大大简化了系统设计，提高了系统数据传输的稳定性。

2.3 数据同步机制

各个阵列天线数据必须被同步采集、传输和接收，才能保证系统的合成精度，否则会引起通道的相位不一致，造成数字波束合成误差，降低空间合成效率，从而影响整个系统的威力[17]。因此采取了如下的数据同步机制。

一方面，所有接收组件与波束形成终端都受同一个外部同步信号控制。接收组件按照同步信号进行同步采样，并将同时刻数据打包发送；由于接收组件高达8 000多个，为了防止个别组件异常引起的误操作，波束形成终端也根据同步信号，同时接收数据，保证数据同步。需要注意的是该外部同步信号，尤其是其上升沿必须足够陡，并且同步信号的分配网络时延也必须保证一致，以保证所有组件与终端的同步[18]。另一方面，数据按照如图3所示的帧结构进行打包传输。

图3 数据帧结构

其中帧长为实际的帧数据长度，取值N+16个字节；时标表征时间信息，为每秒内采样点的计数值。波束形成终端对数据接收解帧后，根据时标将数据进行对齐，发送给数字波束形成模块进行波束形成。在空闲状态时，发送数据同步控制码来维持链路同步状态，根据8B/10B编码规则，同步码取为K28.5，即数据0xBC[19-20]。

2.4 数据检测与保护机制

为了防止误码等异常引起的数据传输错误，保证数据接收端在异常时的自恢复，进一步保证数据传输稳定，波束形成终端对接收的数据采取了实时检测与保护机制，处理流程如图4所示[21-22]。

① 系统初始化完成后，首先检测帧数据中的空闲同步码0xBC，若不存在则继续等待检测，存在则开始检测帧头；

② 检测帧头时，判定第一组非0xBC的数据是否是帧头，正确则继续下一步，不正确则丢弃该帧数据，返回步骤①；

③ 帧头找到后启动帧计数器，以便识别帧尾位置，检测帧尾；

④ 同检测帧头类似，判定帧尾位置数据，正确则继续下一步，不正确则丢弃该帧数据，返回步骤①；

⑤ 帧数据检测全部正确的帧数据输出给数字波束形成模块进行波束形成。

图4 数据检测与保护流程

3 测试及结果分析

利用ALTERA公司的官方测试工具SignalTap II对整个数据传输进行了测试。测试源发送测试帧，帧内容填充固定变化的数据，接收端进行数据接收、解帧和比对。数据接收结果如图5所示。

其中error_flag为帧数据检测标志，1表示帧数据正常；datain为接收到的16 bit数据，可见空闲时填充控制码0xBCBC，帧头为0xEB90，帧长为0x4654，时标固定填充0x1111，后续为固定变化的帧数据；error_counter为错误计数器，当接收到的16 bit据与预设的数据不符时，该计数器加1，用来统计误码率。

为了测试数据同步以及检测保护机制的作用，将传输光缆断开，此时接收结果如图6所示。

由于光缆断开，datain变成随机的杂乱数据，error_flag也变为0，表示接收异常，相应的error_counter也一直增加。

光纤恢复后数据接收结果如图7所示，error_flag与datain都恢复正常，错误计数器error_counter也固定不再变化。需要注意的是，由于计数器采用了固定的32 bit，按照2 Gbps计算，大概30 s左右就会溢出，故光缆恢复后计数器停留到了一个较小值16 004。

另外，利用该机制对数据传输误码率进行了24 h拷机测试，发现数据传输稳定，无误码出现。数据传输速率2 Gbps，据此估算，传输误码率小于10-14。