航天测控信号处理平台的现状与发展趋势*

2021-05-31

电讯技术 2021年5期

(中国电子科学研究所，北京 100041)

0 引言

航天测控信号处理平台适用于卫星及多种航空飞行器Mb/s速率级的中低速测控信号和Gb/s速率级的高速数传信号处理。航天测控信号处理平台具备多通道信号采集、发射、分析处理以及存储等功能。近年来，由于需求的增长，更高的信号带宽、速率、调制方式等多种通信模式的不断涌现,对航天测控信号处理平台的系统灵活性、功能复杂性等方面提出了更高的要求。传统的航天测控信号处理平台大多采用FPGA+DSP的独立机箱处理架构,依托高性能的处理器件和高速接口来满足测控、数传等业务需求。自2000年以来，航天测控信号处理平台先后经历了可重组紧凑型外设部件互连(Compact Peripheral Component Interconnect,CPCI)架构、PCIE(PCI-Express)架构、VPX总线(VITA46)标准架构、综合化基带池架构以及多波束阵列信号与数据统一处理平台架构。本文对以上平台的功能和性能进行了系统分析，总结并梳理了航天测控信号处理平台的现状与发展趋势。

1 联合式系统平台

1.1 CPCI架构的信号处理平台

CPCI是全球 PCI 工业计算机制造组织(PCI Industrial Computer Manufacturers Group,PICMG)1994年提出的一种高性能工业总线。1999年10月，PICMG组织发布的PICMG2.0规范是CPCI的核心标准。如图1所示，CPCI架构的信号处理平台由CPCI板卡(信号处理板、基带接口板、基带计算机)和CPCI机箱组成，信号处理板包括基带上行接口板、上行信号处理板、基带下行接口板和下行信号处理板。

图1 CPCI架构的信号处理平台

基带上行接口板和上行信号处理板一起构成调制器，完成上行调制、遥控、小环接收、测距音产生、模拟源、噪声源、测试接口。基带下行接口板和下行信号处理板一起构成接收机，完成测距/遥测中频接收、跟踪接收机、遥测、测距、时间码解码器、测试接口。上行信号处理板包括测距/遥测接收、跟踪接收、遥测、测距三个主要功能。基带计算机(工控机主板)主要完成对应功能硬件的配置下载，完成本设备状态监视和工作参数的控制，处理数据信息，并通过网络完成与系统监控台或操作控制中心的快速信息交换。

CPCI架构的信号处理平台具有硬件可靠度高、系统抗震性强、支持热插拔等特点，但是存在功耗比高、总线速率低的缺点，不能满足高速测控及高速数传的带宽需求[1]。

1.2 PIGMG1.3的PCIE信号处理平台

为了解决在处理高速测控信号与测控数据中的大数据量收发与存储问题，基于PIGMG1.3的PCIE信号处理平台应运而生。如图2所示，该平台由满足PIGMG1.3规范的信号处理板卡、PCIE主板、定制背板以及机箱组成，每个机箱可支持6块信号处理板。中频信号通过同轴线缆与调制、解调数字卡连接。解调数据通过PCIE2.0与相应的驱动程序进入上位机操作系统，并通过万兆网卡发送到数据通信管控中心。调制数据来自数据通信管控中心，通过万兆网卡进入操作系统，再经过PCIE发送到机箱中的调制板卡。由于采用了PCIE 2.0总线和万兆网卡，PIGMG1.3信号处理平台的X4 PCIE理论单向最大支持速率为16 Gb/s。

图2 基于PIGMG1.3的PCIE信号处理平台

相比上一代的CPCI架构的信号与数据处理平台，PIGMG1.3的PCIE信号处理平台单板卡可支持更多的信号处理板卡，板间连线支持GTX高速串行总线，单路串行总线可达10 Gb/s，在信息处理能力和数据传输能力上得到了大幅度的提升[2]。

1.3 VPX架构的信号处理平台

VPX是国际贸易协会(VME International Trade Association,VME)组织于2007年颁布的高速串行总线标准，用于替代上一代曾广泛应用于军用加固嵌入式平台的VME总线。 VPX定义了3U和6U两种板卡，尺寸分别为160 mm×100 mm和160 mm×233.35 mm 。3U板卡有P0、P1和P2共3个连接器，其中P0是56芯的连接器，包括电源、复位和时钟等信号;P1和P2均为112芯的连接器，P1为高速差分信号，由VITA46的系列子规范定义，P2为可定义为差分信号或者单端信号，由用户根据需求决定。6U板卡在3U板卡基础上增加了P3～P6共4个112引脚的连接器，可定义为差分或者单端信号。

图3为典型VPX架构的信号处理平台结构图。由于VPX总线标准具有抗恶劣环境的优势并VPX提供了更多的板间互联信号，基于VPX架构的PCIE信号处理平台具有强大稳定的数据处理能力、I/O能力和高性能网络交换能力[3]。

图3 典型VPX架构的信号处理平台结构图

VPX高速信号采集处理卡具有较高的数据传输带宽，能满足背板PCIe通道和扩展数据通道的高速数据互连。根据图3所示平台背板的拓扑架构，板卡通过一个X4的PCIe连接与背板相连，此数据通道采用PCIe 3.0协议，单个通道传输速率可达7.877 Gb/s，X4总数据传输带宽可达31.5 Gb/s。

VPX架构的信号处理平台及其配套软件的开发，使得只要通过相关的配置就能够很好地自适应于各种型号的地面测控。此平台已经应用到型号研制中，测试和实验结果表明该平台稳定可靠，可配置性非常强，灵活方便，能够很好地满足智能化地面的应用要求[4]。

2 综合化系统平台

第1节所述的三种航天测控信号处理平台均以独立设备为基本单元构建系统，称为传统的联合式系统平台。联合式系统平台不具备功能扩展、升级，一旦建成，很难加入新的功能。而综合化系统平台通过构建开放式体系架构，通过软件升级或扩展硬件模块的方式可实现系统的功能升级、扩展、重构。

2.1 综合化基带池架构的信号处理平台

2017年，针对中继卫星系统地面终端站数传设备套量种类多、专用性强、互替性弱等应用现状，文献[5-7]提出了综合化基带池架构的信号处理平台，采用开放式的处理平台架构，简称基带池[9-11]。基于基带池的数据处理平台支持完成中低速数传、高速数传和多目标数传等高速、实时信号处理，显著提升了地面终端站数传设备快速响应能力及机动部属能力。

综合化基带池架构的信号处理平台采用软件定义一切(Software Defined X,SDX)的设计思想，支持多任务、多功能线程并发同时工作，并支持任务重构，其内部结构如图4所示。

图4 综合化基带池架构的信号处理平台

综合化基带池架构的信号处理平台完成中频信号的AD/DA、扩频、捕获、调制、解调、编码、译码、协议分析和转发等主要功能。基带池里面的通用信号/数据处理模块采用N+K的备份方式，在模块发生故障的情况下，通过软件加载和重构的方式实现资源的备份，而专用的模块则采用1+1的方式实现备份。

综合化基带池架构的信号处理平台模块间的信息连接关系如图5所示,通用信号处理模块、通用数据处理模块之间采用串行RapidIO互联。

图5 综合化基带池架构的信号处理平台信息流

2.2 多波束阵列信号处理平台

航天阵列[8]测控信号数据统一处理平台技术为相控阵测控体制的多目标测控通信系统提供先进的统一综合化处理平台，主要包含高性能通用平台架构、基于国产操作系统的自主可控平台软件、超高速数据传输网络设计和全生命周期健康管理等模块。

如图6所示，数字阵列测控信号与数据统一处理平台包括阵列天线及射频分系统、基带分系统、站级管理与控制分系统和时频通信分系统，具备可扩展性和兼容性，实时测控目标数大于20个，平台内部网络节点规模可达700个，节点交换速率可达2.8 Tb/s，能够满足航天数字相控阵测控系统高精度、实时多目标测控需求。

图6 数字阵列测控信号与数据统一处理平台

2.3 CPU-GPU信号处理平台

近几年，由于图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU)性能的大幅提升，适用于高速数传解调的CPU-GPU软解调平台逐步成为信号处理平台的发展趋势[9-12]。

如图7所示的CPU-GPU 平台信号解调机框架，CPU 完成信号流分割，将信号块填充到信号池；进程管理器创建多个解调进程，将信号块传入 GPU 进行处理，将不同信号块的解调结果再加工合并为最终解调结果。

图7 CPU-GPU 平台信号解调机框架

CPU-GPU平台高速解调算法与传统的FPGA平台相比并没有明显优势，但CPU-GPU平台具有可扩展性，通过扩展 GPU计算资源就能方便地增加解调进程数目，进而提高系统解调速率。对于一般速率的信号处理算法来说，使用多核流水线方法可在不改变算法的基础上实现并行处理。常用的两种软件无线电平台Gnuradio和SORA就是使用此方法。对于高速率的信号处理算法，多核流水线可能无法实现实时处理，需要并行化程度更高的并行方法。