（控制理论与控制工程专业论文）高速大容量卫星数传系统地面信息处理技术研究.pdf

摘要 舅i 霸蘩豢饕豢鬻鬻麟懑鬻骥攀攀攀然囊蘩樊蒸鬻辫纂攀攀爨繁 卫星技术的迅猛发展，信道容量的扩大，要求数传系统能够高速有效的对数 据进行实时处理、转发，另外极轨太阳同步气象卫星还具备存储大量信息的固态 存储器，即具有延时信息存储、处理和转发功能。由于卫星通信系统能量与带宽 受限，采用数字卫星通信信道的特点决定了采用f e c 差错控制技术更能有效的保 证高效率、高传输码率、低误码率的信息传输。而f e c 差错控制技术的关键，也 是其最困难实现的，在于如何实现有力的纠错编、译码器。 而目前的空间技术的发展也是一个与地面通信系统相一致的发展趋势，即必 须基于一定的空间数据通信协议。目前这一标准化的组织是由n a s a 、e s a 和许多 其他国家的空间局成立的空间数据系统咨询委员会( c c s d s ) ，并推出c c s d s 建议 的宇航标准。c c s d s 标准协议对数据进行高速率打包、多路合成、纠错编码；同 时建立了虚拟信道方法，以时分制为基础实现多用户共享信道。另一方面，空间 数据通信协议的标准也不是一成不变的。随着通信、计算机以及电子设计与制造 新技术在空间方面的不断进步，这些协议也处在不断的发展中。往往因为协议的 变化设计就会重新修改，故在设计中就必须有为以后系统升级和改变设计所做的 考虑。本论文的设计就是遵循了这样的设计思路，使用的r e e d _ s o l o m o n 纠错编 译码是c c s d s 推荐的r s 2 5 5 ，2 2 3 码，通过高性能f p g a 的硬件描述来实现， 提高了处理的速度。把地面信息处理系统或某些部分转移到软件( 这里的软件是 指d s p 、a s i c 、f p g a 里的软件) 上来，使系统升级或功能改变基于软件，这样灵 活性高且代价小。 数传系统地面处理部分执行的功能基本上是卫星信息处理的反过程，主要完 成信息的恢复。在i d a t l a b 环境下可以建立整个系统的数学模型进行功能性仿真。 r e e d s o l o m o n 码( 简称r s 码) 是一种重要的循环码，是分组码中纠错能力 最强的纠错码，在通信系统和计算机存储系统中应用很广泛。虽然r s 码有很多 优越的性能，但它的译码过程比较复杂。无论是用硬件方案还是用软件方案， r s 码的译码都要占用相对而言较多的资源，因此寻找一种经济实用的译码方案 成为纠错编码领域的一个重要课题。r s 码的硬件译码器在过去都是用a s i c 实 现的，研究开发的成本很高。随着可编程器件( f p g a ，c p l d ) 的发展，其性能 不断提高而价格不断下降。a l t r e a 公司的a p e x 2 0 k e 系列可编程器件的性能已 经达到s o p c ( 片上可编程系统) 的性能，是基于查找表、乘积项、嵌入式存储 器的多核结构的第一个p l d 器件。本论文用一片3 0 0 ，0 0 0 门的e p 2 0 k 3 0 0 e 实现 了可纠1 6 个符号错误的8 进制的 2 5 5 ，2 2 3 r s 码译码器，并详细讨论了解扰和 r s 码的译码理论及硬件译码器在a p e x 2 0 k e 系列f p g a 可编程器件上的实现过 程 基于p l d 的设计在目前的数字信号处理设计中逐渐成为主流的一种设计技 术，在数据的处理的前端尽量采用可编程的硬件来实现一些复杂的算法。这样可 以起到使整个信息处理的负荷比较平均，提高了信息处理的效率。 卫星信息处理技术，数传系统，c c s d s ，同步与加解扰，r s 编译码 囊 ；：i 童囊誊蠢薹鬻蘩霾l l 黼骥鬻耀鬟黼i 慧 x 蓑i l 蒸鬻! ；l i 鬻纂；嚣鬻l 鋈饕誊警* i 攀i t h pd e v e l o p m e n to fs a t e l l i t ea n dt h er a p i di n c r e a s eo fc o m m u n i c a t i o n c a p a b i l 】t i e sd e m a n dd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mh a st h ea b i l i t yo fh i g hs p e e d a n de f f l i c i e n td a t ap r o c e s s i n ga n df o r w a r di na d d i t i o nt h ep o l et r a c ks u n s y n c h r o n i z a t i o nw e a t h e rs a t e l l i t es t i l lr e q u i r ei t s e l fh a v et h es o l i d m e m o r yu s i n gt os t o r a g et h eb i gv o l u m ei n f o r m a t i o n ，n a m e l yi tp r o v i d et h e d e l a yi n f o r m a t i o ns t o r a g e 、p r o c e s sa n df o r w a r df u n c t i o n l i m i t e db yt h e p o w e ra n dt h eb a n d w i d t ho fs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ec h a r a c t e r s o ft h ec h a n n e lo fs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o nd e t e r m i n et h a tt h et e c h n i q u e i ff o r w a r de r r o rc o r r e c t i o nc a r lm o r ee f f jc i e n t l y p r o v i d eb e t t e r t r a n s m i s s i o nb i tr a t ea n dl o w e rb i te r r o rr a t e h o w e v e rt h ek e yo ff e c t e c h n i q u ei sh o wt op r a c t i c a l l yi m p l e m e n tt h ee r r o rc o r r e c t i o nc o d e c ， w h i c hi sa l s ot h em o s td i f f i c u l tt om a t e r i a l l yr e a l i z e h o w e v e rt h ea c t u a ld e v e l o p m e n td i r e c t i o no fs p a c et e c h n i q u ea l s oi s e o n s i s t e n tw i t hg r o u n dc o m m u n i e a t i o nt e c h n i q u e ，n a m e l yi tm u s tb a s e do n ac e r t a jnd a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ft h es p a c e a tp r e s e n tt h e s t a n d a r d i z a t i o no r g a n i z ei sn a s a 、e s aa n dt h em a n yc o u n t r y ss p a c eb u r e a u f o u n dt h ec c s d s ( c o n s u l t a t i v ec o m m i t r e ef o rs p a c ed a t as y s t e m ) ，a n d r e c o m m e n dt h ec c s d sp r e p o s i t i o n a is p a c en a v i g a t i o ns t a n d a r d t h ec c s d s s t a n d a idp r o t o c o lm a k e st h ed a t ai n t oh i g hs p e e dp a c k e t 、m u l t i p l e x i n ga n d t h ee r r o rc o r r e c t i o nc o d e c ：a tt h es a m et i m ee s t a b l i s ht h ev i r t u a lc h a n n e l m e t h o d ，i m p l e m e n tt h em u l t i u s e rs h a r ec h a n n e lb a s e do nt h et d m o nt h e o t h e rh a n d ，t h es t a n d a r do fd a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ft h es p a c ei s n o tu n a i t e r a b l e a st h ec o r a m u n i c a t i o t l 、c o m p u t e ra n dt h ed e wt e c h n i q u eo f e l e c t r o n i cd e s i g na n dm a n u f a c t u r eu s i n gi nt h es p a c ef i e l d ，t h o s ep r o t o c o l a 1s ol o c a t ei nc e a s e l e s sd e v e l o p m e n t o f t e nt h ed e s i g nm u s tr e w o r kb e c a u s e o f t h ec h a n g eo fp r o t o c o l ，h e n c ew em u s th a v et h ec o n s i d e r a t i o nf o rt h e t h e r e a f t e rs y s t e mu p g r a d ea n dc h a n g e t h ed e s i g no ft h i sp a p e rf o l l o ws u c h d e s i g nt h o u g h t s ，u s i n gt h er e e d s o l o m o ne r r o rc o r r e c t i o nc o d e ci st h e r e c o m m e n d a t o r y c c s d sr s 2 5 5 ，2 2 3 c o d e ，i m p l e m e n ti tv i a t h eh i g h p e r f o r m a n c ef p g a sv h s i ch a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，e n h a n c et h e p r o c e s ss p e e d ，i tc a nw o r ka tt h es p e e do f9 3 m b p s t h u si tt r a n s f e rt h e g r o u n di n f o r m a t i e np r o c e s ss y s t e mo rs o m ep o r tt os o f t ( t h es o f ti st h e s o f tb ei nd s p 、a s i ca n df p g a ) i tm a k e st h es y s t e mb a s eo nt h es o f t ，i t h a st h eh i g hf l e x i b i l i t ya n dc o s ts m a l l t h ef u n c t i o no ft h eg r o u n di n f o r m a t i o np r o c e s sp a r to ft h ed a t a t r a n s m i s s i o ns y s t e mi st h er e v e r s ep r o c e s so fi n f o r m e r i o nd r o o e s s i n go r t h es a t e l l i t e m a i n l yf u l f i l lt h er e s t o r eo fi n f o r m a t i o n ，t h em a t h sm o d e l o ft h iss y s t e mc a nb ef o u n d e di nt h ee n v i r o n m e n to fi 雌t l a ba n ds i m u l a t e i ti nf u n c t i o n r e e d s o l o m o nc o d e ( f o rs h o r t ：r sc o d e ) i sak i n do fi m p o r t a n tc y c l e c o d e ，a n di st h eb e s te r r o rc o r r e c t i o nc o d e co fg r o u pc o d e ，i tu s e dw i d e l y i nc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dc o m p u t e rs t o r a g e a 1 t h o u g hr sc o d e ch a sm a n y i i a b s t r a c t p r e d o m i n a n tp e r f o r m a n c e ，i t sd e c o d i n gisc o m p a r a t i v ec o m p l e x i t y w h e t h e r u s l n gt l eh a r d w a r es c h e m eo rs o f t w a r e t h er sc o d e ca l s oe n g r o s sm o r e r e s o u r c ( c 0 1 r e s p o n d i n g l y ，t h u ss e a r c h i n gak i n do fe c o n o m i ca n da p p ii e d d e c o d es c h e m ei sa ni m p o r t a n tt a s ki nt h ef i e l do ft h ee r r o rc o f f e e i o n c o d e c f h e r sh a r d w a r ed e c o d ew a si m p l e m e n t e du s in gt h ea s i cp a s t ，b u t t h er & d sc o s ti sv e r yh i g h b u tt h ed e v e l o p m e n to fp l di sf a s ta tp r e s e n t 。 t h ep e r io r m a n c ei sc o n t i n u a l l yi m p r o v e da n dt h ep r i c ei sc o n t i n u a l l v d e c l i n e t h ef p g ao fa 1 t r e a sa p e x 2 0 k es e r i e sh a v et h es a m ep e r f o r m a n c e a st h es o p c ，t h e ya r et h ef i r s tm u l t i c o r ep l db a s e do nt h el o o k u pt a b e 、 p r o d u c t t e r ma n de m b e d d e ds t o r a g eb l o c k iu s e dac h i pe p 2 0 k 3 0 0 eh a v i n g t h e3 0 0 ，0 0 0g a t ei m p l e m e n t e dt h er sd e c o d ec a nc o r r e c t1 6s y m b o le r r o r 1 2 5 5 ，2 2 3 t h i sp a p e ri nd e t a i ld i s c u s s e dt h ei m p l e m e n t p r o c e s so f d e s c r a m b l l n ga n dr sd e c o d i n gi nt h ea p e x 2 0 k es e r i e sf p g a t h ed e s i g nt e c h n i q u eb a s e do nt h ep l dg r a d u a l l yb e c o m e st h em a i n s t r e a m i nt h ed i g i t a ls i g n a l sp r o c e s s i n gd e s i g n ，u s i n gt h ep r o g r a m m i n gh a r d w a r e t oi m p l e m e n ts o m ec o m p l i c a t e da r i t h m e t i ci nt h ef o r w a r do fd a t ap r o c e s s t h i sc a nm a k et h el o a dc o m p a r a t i v e l ya v e r a g eo fw h o l es i g n a lp r o c e s s ，a n d i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fi n f o r m a t i o np r o c e s s s a t e l l i r ei n f o r m a t i o np r o c e s st e c h n o l o g y ，c c s d s ，s y n c h r o n o u s ，s c r a m b l i n g a n dd e s c r a m b li n g ，r e e d _ s o l o m ne n c o d ea n dd e c o d e i i i ! ! ! ! ! 曼! ! ! ! 竺竺! 塑! ! 璧! ! ! ! ! g ：塑! 垒! 塑竺! ! ! ! ! 堕! ! ! 型! ! ! 旦! 墨! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! 堡! 堡 麟麟鬈赣黧辫繁鬻l 藜黎鬻耀蘩誊j 薰； 卜l卫星信息处理技术的研究现状 新一代的极轨气象卫星，其主要目的是： 三维大气热力、湿度结构的全球探测，以及云和降水参数的探测，以支 持全球数值天气预报； 全球成像，以监视大范围气象、水文灾害、全球天气系统及全球生态环 境异常； 提供重要的地球物理参数，以支持全球气候变化研究和气候监测； 其主要特点是多载荷、不同码速率的数据流，以及符合c c s d s ( c o n s u l t a t i v ec o m m i t t e ef o rs p a c ed a t as y s t e m s ) 建议的高级在轨系统 ( a o s ) 信息处理器。a o s 属于复杂的、网络化的空间任务范畴，包括载人 或无人照料的空间站、无人空间平台、自由飞行航天器和新的空间运输系统， 其中很多需要能在空一地和空空数据通道内同时传送多种数据类型的业务 ( 包括音频和视频) 。c c s d sa o s 建议书的目的是建立一个关于空地或空一 空的数据管理系统。其主要技术特征是面向由小容量、低速率到大容量、高 速率的宽带数据通信需求，着眼于通过专用空间数据链路和与之相联系的接 口网络进行数据传输，提供动态的数据包自动路由和多用户联网能力，从而 在不同空间局之间以及在空间系统与地面系统之间建立起广泛的立体化的全 球数据网络，把大家熟知的i n t e m e t 思想扩展到空间领域，开发商用开放式 系统互连( o s i ) ，构建空间信息高速公路。由于空间网络环境不同于地面， 在数据网络和通信协议设计中应考虑传输时延大、信号电平弱、信道噪声大、 多普勒频移大、空一地通信频繁中断等问题。 1 1 1c c s d s 主网 ( 1 ) c p n 结构 c c s d s 主网( c p n ：c c s d sp r i n c i p a ln e t w o r k ) 起空间计划数据管理网 的作用，提供端到端的数据流通，以支持空间任务用户。该主网的主要任务 是完成空地或空空之间的数字信息传输。遥测、遥控的数字信息和数字话 音、图像等信息构成统一的数字信息流，对载波进行一次调制，通过空一地链 路传输。 c p n 的结构是：一个轨道段中的“星载网”通过c c s d s “空间链路子网” 与一个“地面网”或另一个轨道区段中的“星载网”相连接。 ( 2 ) p n 业务 竺! ! ! ! 壁! ! 里! 竺! 生! ! ! ! ! ! ! ! ! 型! 塑垒! ! ! 竺! ! ! ! ! ! ! ：! ! 型! ! ! ! ! 丝! ! 塑- ! 型! ! ! ! ! ! 坚! a o s 数传系统引入了地面计算机网络数据传输的重要概念虚拟信 道，英际上就是将一条高速数传通道在时间上按需动态划分，供不同的用户 或应用进程使用。 a o s 建议规定了多种为不同用户服务的通信业务。各用户部门对数传业 务要求的差别反映了工作模式的不同， 备配置的稳定程度、需要的交互程度、 即正常工作时间、信息传输时延、设 需发往地面的数据总量及速率、动态 调度能力、对所传信息的可靠性及保密程度等方面的差异。a o s 建议规定了 8 种数传业务，其中，在网络层提供网间业务( i n t e m e ts e r v i c e ) 和路径业务 ( p a t hs e r v i c e ) ，这两种业务在整个c p n 上以端到端方式工作：在空间链路 层提供其余6 种业务，包括封装业务( e n c a p s u l a t i o ns e r v i c e ) 、复用业务 ( m u l t i p l e x i n gs e r v i c e ) 、位流业务( b i ts t r e a ms e r v i c e ) 、插入业务( i n s e r t s e r v i c e ) 、虚拟信道接入业务( v c a ：v i r t u a lc h a n n e la c c e s ss e r v i c e ) 和虚拟 信道数据单元业务( v i r u a | c h a n n e l d a t a u n i ts e r v i c e ) ，以支持上两种端到端 业务，或是满足话音和视频信息传输等特殊要求，各种业务基本上都有自己 的数传业务数据协议和数据单元。 1 1 2c c s d s 在包含业务 信息处理系统是卫星的主要分系统之一，主要完成对星上多种遥感仪器 获得的探测数据和卫星工程遥测数据( 含g p s 信号) 进行复接、格式化、存 储、编码及射频传输等功能。主要是进行v c d u 格式化。它对遥感仪器输出的 科学数据源包、卫星工程遥测数据源包进行实时的格式编排并对传输的数据 流进行信源编码。 为了研究和提出一整套国际标准化空间数据通信协议，1 9 8 2 年n a s a 、e s a 和许多其他国家的空间局成立了空问数据系统咨询委员会( c c s d s ) ，并推出 c c s d s 建议的宇航标准。近年来c c s d 8 采用自由号空间站作为需求模型，提 出了一整套针对9 0 年代的高级在轨系统( a o s ) 所要求的标准通信结构体系建 议。自出号空间站计划、地球观测系统、m e t o p 、n p o e s s 都计划采用符合c c s d s 建议的高级在轨系统的信息处理技术。 c c s d s 的设想是通过领导国际性的标准化活动，促进和提高空间飞行任 务信息系统的交互操作能力，并将这些系统与全球信息基础设施( g i i ) 相结合。 c c s d s 的使命是为各空间组织通过标准化解决共同问题，并自愿达成一致意 见而提供各种方法。这些共同问题是与可交互操作的空间飞行任务信息系统 设计有关的。形成一致意见的成果可以按照新的国际标准的形式在所有空间 团体里加以利用。这些新的国际标准与硬件和软件相一致，以便于它们被采 用。 college o f c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o no f t i a n j i np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y 其标准化范围包括以下三个方面： ( 1 ) 空间数据通信业务( s p a c e d a t ac o m m u n i c a t i o n ss e r v i c e s 、 允许用户通过工作系统空间段和地面段相互连接的数据网络交换信息。 这些业务将考虑应用于空间部署，其功能等效于全球信息基础设旋中的相应 部分，因此，“空间的独特性”将限于空间段。 ( 2 ) 空间关口业务( s p a c eg a t e w a ys e r v i c e s ) 它是空间数据通信业务与工作系统地面段接口所需要的业务。考虑到协 议书的紧凑和有效，之所以需要这些业务，是因为原始的空间通信业务常常 设计为不是独立地经过地面段。 ( 3 ) 空间信息交换业务( s p a c e i n f o r m a t i o ni n t e r c h a n g es e r v i c e s l 它能够长期保留与空间飞行任务有关的信息，并易于接入和交换整个全球 信息基础设施( g i i ) 和空间飞行任务信息系统基础设施中的信息。这些业务能 够通过信息基础设施的现有和将来用户的明显使用，增强从空间所采集信息 的价值。 某卫星数传系统的信息处理器件采用c c s d s 建议的a o s 通信结构体系标 准，应用其部分业务，完成多载荷信息的交织、合路。以适应将来卫星载荷 增减、变化、发展的需要。 c c s c s ( 空间数据系统咨询委员会) 是一个多国空问组织共同组成的国际 性标准化组织，它主要为空间数据系统制定标准化的通信体系结构、通信协 议与业务。 a o s 是采用c c s d s 标准建设的国际空间数据系统网的重要核心。高级在轨 系统( a o s ) ，主要面向先进的空间运输系统，其主要技术特征是面向e h d , 容量、 低速率到大容量、高速率的宽带数据通信需求，采用c c s d s 标准协议对数据 进行高速率打包、多路合成、纠错编码：同时建立了虚拟信道机制，以时分 制为基础实现多用户共享信道，从而提供动态的数据包自动路由和多用户联 网能力。 卫星系统的迅猛发展，通信容量的迅速扩展，要求高速有效地进行数据 传输。由于卫星系统能量与带宽受限，采用数字卫星系统可以节约能量与带 宽，同时保证大容量的、高质量的信息传输。卫星通信系统的特点决定了采 用f e c 差错控制技术更能有效的保证高速率、高传输码率、低误码率的信息 传输。而f e c 差错控制技术的关键，也是最困难实现的，在于如何实现有力 的纠错码编译码器。 c o 1 1 e g e o f c o m p u t e r t e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i o no f t i a n j i np o l y t e c h n i c u n i v e r s i t y 卜2 卫星数传系统地面信息处理技术 ：i ! 星应用水平的提高不仅在于卫星本身的技术的提高，其支撑的应用平 台技术也需要新技术的融入。在这个意义上说，卫星数传系统地面信息处理 系统就是一个非常重要的部分。目前的应用研究是在卫星测试平台上进行的。 即通过测试手段来模拟卫星地面信息处理的实现。 随着卫星系统功能的不断完善以及性能要求的不断提高，作为阶段性的 检验：卫星性能和可靠性的卫星测试提出了新的要求和难度。在信息处理通路 上必须能够分段进行功能测试，以验证其信息处理通路上关键节点的性能指 标。主要需要进行信号模拟和信号接收处理分析的工作。 随着系统性能的要求，对其的测试要求尽量的能与实际的系统状态一致， 测试接收到的数据能够实时的处理分析。这要求能够在功能相同的情况下为 解决实时性，部分功能实现采用硬件来完成。其中的接收处理部分就可以作 为地面信息处理的原型来设计。 以下是l 波段实时信息处理地面分解简图，处理过程基本上是信息处理 器信息处理的逆过程。 - - - - _ _ _ 物理信道 图1 2 1l 波段实时信息处理地面分解简图 c o l l e g eo f c o m p u t e rt e c h n o l o g y a n d a u t o m a t i o n o f t i a n j i n p o l y t e c h n i c u n i v e r s i t y 卜3 本文主要研究工作 ：巳星数传系统共有三条下传的物理链路。根据三条链路所传输的信息种 类及工作模式上的差异，信息处理器也需对应分成相互独立的三个模块，即 l 波段实时信息处理模块、x 波段延时信息处理模块及x 波段实时信息处理模 块。其功能是实现信息加扰和信道的纠错编码。纠错编码是用来检测或纠正 传输过程中的误码，它是一种编码变换，纠、检错用在数字卫星通信中有着 非常好的效果，是提高通信系统传输质量的重要技术。作为其地面处理系统 则要求能够对下传的数据进行同步解扰以及纠错译码处理。本论文主要在这 一方面进行了研究和探索。 首先是要了解各种不同特性信号源，即进入信息处理器所需要的各种信 号以及大概的信息处理流程。 在卫星上的处理过程如下描述，各种传感仪器的数字比特流( 这里用信 号源模块来代替) 首先被送入输入缓存，在这里被接收并存储。然后根据各 种信号的输入速率进行调度，构成帧数据，同时为保证大容量的、高质量的 信息传输，卫星通信信道采用r e e d s o l o m o n 差错控制技术既r s 编码技术 ”。 然后对帧数据及r s 开销比特进行加扰。最后增加同步头后送给发射机进行数 据发射。在地面，接收机接收到数据后，首先根据同步头进行同步，然后进 行解扰运算，并进行r s 纠错译码，最后根据标识将数据分解并转发。 从卫星数据传输原理框图可见，在卫星通信系统中，加扰、解扰、r s 编 码、r s 译码的算法实现很关键，尤其是在地面接收处理中，解扰和r s 译码 是主要的瓶颈之一。 要先同步处理，解扰以及r s 译码。由于这些工作要求实时处理，软件处 理由于对其运行计算机的性能的要求一般无法保证实时性要求，故采用硬件 实现。由于p l d 技术和硬件描述语言( h d l ) 的发展，完全可以将以前通过软 件算法实现的功能通过f p g a 或c p l d 来实现。这样一般可以得到比较理想的 实时性和处理效果。本文主要介绍将解扰功能和r s 译码功能通过f p g a 实现 的具体方法和实现过程以及仿真结果分析。另外还有几个技术难点：有一路 从信息处理器出来的数据具有延时特性，即有时有数据有时无数据( 用f l a g 来标志) 。而且由于r s 译码的数据格式是8 位按字来处理，扰码要求串行按 字节来处理。其中有数据在不同时钟域的处理问题。本设计通过运用异步 f i f o 来实现。 c o 1 1 e g e o f c o m p u t e r t e c h n o 。1 o g y a n d a u 。t o m a t i o no f t i a n j i np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y 一l 定时l 定时f 恢复j 剿缓存h - j 一降 髓至陬十 涉 纠错编码 微波 帧同步 一? 一i “。l 信道 ， 扰码解扰；、_缓存睁肇 、一 ，7 同步标识纠错译码 | 堂料 、 一网信掣 图1 3 1 卫星数据传输原理框图 c o l l e g e o f c o m p u t e r t e c h n o l o g y a n d a u t o m a t i o n o f t i a o j i n p o l y t e c h n i c u n i v e r s i t y 2 一lc c s d s 2 1 1 a o s 简介 c c s c s ( 空间数据系统咨询委员会) 是一个多国空间组织共同组成的国际 性标准化组织，它主要为空间数据系统制定标准化的通信体系结构、通信协 议与业务。 a o s 是采用c c s b s 标准建设的国际空间数据系统网的重要核心。9 0 年代 初，c c s d s 提出了高级在轨系统( a o s ) ，主要面向先进的空间运输系统，其主 要技术特征是面向由小容量、低速率到大容量、高速率的宽带数据通信需求， 采用c c s d s 标准协议对数据进行高速率打包、多路合成、纠错编码；同时建 立了虚拟信道机制，以时分制为基础实现多用户共享信道，从而提供动态的 数据包自动路由和多用户联网能力。 2 1 2 国内外现状 目前在c c s d s 注册的空间任务己达1 5 0 多项，包括卫星、航天飞机、轨 道空间站和运载火箭等。其中有多国合作的自由号空间站计划( s s f p ) 、n a s a 的e o s ( 地球观测系统) 和s m e x ( 小型探测器计划) 等。 我国从1 9 8 2 年开始跟踪研究c c s d s 的情况和标准。实际工程中实践5 号 小卫星的下行数据采用了c c s d s 标准通信数据格式，并进行了虚拟信道的多 路复用j 但下行速率较低。 面临着越来越激烈的外层空间的争夺形势，建立我国自己的高级在轨系 统，从长远目标出发即建立起一个将空一空链路、空一地链路与地面网络都连 成一体的立体交叉数据网，这在军事战略上具有重大意义。因为a o s 不仅将 大大拓展了空间网络的范围，使对航天器无缝测控管理和数据传输成为现实， 极大地提高了航天器的效益；而且把各类型( 通信、遥感、气象、测控等) 的地面站( 含网关站) 都可以统一为种仅仅在数据的用途与用户上存在差 异的数据包通信，这种状态的改变同样大大提高了地面站和航天器的效益。 从近期目标出发应该研究建立适合我国国情的a o s 系统，并在此基础上采 用部分a o s 业务标准，从而能够促进空间数据通信体系结构及通信协议、业 务的标准化，从而使未来的空间任务能以标准化的方式进行数据交换与处理。 由此可带来明显的有效成果：减少空间任务的投资及地面站的改造成本、缩 短卫星研制周期、增加航天器的1 9 主管理能力、降低星上射频功率、提高信 道利用率等。 表2 1 1c c s d s 科学数据源包基本格式 包主导头( 6 字节)包副 用户 包标识包序包长度导头数据 控制6 字节 2 字节2 字节2 字节可变 版类包应分包时间辅应 本 型 副用组序标志助用 号指导过标列数过 j 、头程志计据程 符标标数数 记识据 符 3 1 l1 121 41 64 8 比特比特 比比比比比比可可 “0 0 ”“o ”特特特特特特变变 表2 1 2 包主导头各元素含义 元素 含义 版本号置为“0 0 ”，版本1c c s d s 包 类型指示符置为0 ，a o s 中没有使用 副导头标志置为l ，表示存在副导头；萱为0 衣不发有剐导头， 或闲置包，或加密源包 应用过程标置为o - 2 0 1 5 ，表明信息的逻辑路径，并可暗示链路 识符优先级： 闲置包置为全1 “o l ”：包组的第个源包； 分组标志“o o ”：包组的相连源包； “l o ”：包组的最后一个源包； “1 1 ”：不属于包组的源包。 包序列计数 一个应用过程每个源包的二进制计数，模1 6 3 8 4 ： 闲置包不计入计数。 包数据长度包副导头和数据域字节数减i 表2 i 3 位流规约数据单元( b p d u ) 格式 c o l l e g e o f c o m p u t e r t e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i o n o f t i a n j i n p o l y t e c h n i c u n i v e r s i t y b - p d u 导头 旧 位流 b - p d u 位流数据区 数据 指针 位流数据区暂无填充数据，因此位流数据指针为全“l ”。v c d u 数据区( 长 度定为8 , 8 4 字节) 内是位流规约数据单元，所以位流数据区的长度为8 8 2 字 节。 表2 1 4v c d u 主导头中的含义 兀素含义 版本号置为“o l ”，表示版本2c c s d s 结构。 航天器标识符与v c 标识符一起组成v c d u - i d ，可向c c s d s 秘 书处申请。 v c i d虚拟信道标识符，填充c a d u 置为全“1 ” 对每个v c 上传输的v c d u 的总数的顺序计数( 模 v c d u 计数1 6 7 7 7 2 1 6 ) ，与v c i d 域一起用来对每个v c 维持 单独的计数，填充c a d u 置为全“0 ” 在c c s d s 建议的解释中，回放标志置为0 代 回放标志备用表实时物理信道的v c d u ；置为“1 ”，代表延时 物理信道的v c d u ：备用置为全“0 ”。 插入区 用以加密控制 v c d u ( 虚拟信道数据单元) 格式如下 卜8 1 9 2 b i t s ；柚1 0 2 u 4 0 c t e t s ， i () 7 同步 “1 a c f f c l d ” 3 2 ， c v c d i ， h 8 1 6 0 b i 忸( 1 0 2 0 0 c t e t s ) 。! d y 主导誊 - 4 8 b i t s ( 6 0 c t e t s ) 版v c d u i dv c d u信号域 太 计数 1 l 行 v c - i d回放 备用 “0 r ， 器标志 861 22 4 j 数据区r s 校验号 7 0 8 8 1 0 2 4 插入区数据 1 67 0 7 2 v c d u 的v c i d 为全“l ”，v c d u 计数为全“0 ”，填充数据区为全“o ”。 1 0 - c o l l e g eo f c o m p u t e r t e c h n o l o g yandautomationo f t i a n j i np o l y t e c h n i c u n i v e r s i t y 2 - 2 同步加解扰 2 2 1 j 司步 在信息传输系统中，同步是一个十分重要的问题，通常包括载波同步、 位同步和帧同步三种类型。 频带信号的相干解调要求接收端必须能提供一个与所接收到的载波信号 同频同相的本地载波信号。通常把这种本地载波信号的获取称为载波同步。 在数字通信系统中，基带信号传输的是有节律的码元序列，每个码元持 续一定的时间，接收端只有在恰当的时刻对数字基带信号进行采样判决，才 能接收码元序列。因此在接收端产生与所接收的数字基带信号码速率和相位 致的定时采样脉冲序列。通常把这种码元定时脉冲序列的获取称为码元同 步或位同步。 数字信号传输的码元序列是有结构的，称之为帧结构。时分多路信号按 帧结构进行多路复合和分离；只有从所接收的码元序列中正确识别一帧的起 止，才能保证所传输信息的复原。通常把与帧起止时刻相一致的定时脉冲序 列的获取称为帧同步或群同步。 不论哪种同步，都解决信号传输的时间基准问题，从而使收发两端同步 工作。因此，同步信号所包含的是一种时间信息。这种时间同步信息，可以 借助于外加的专门同步信号来传输，也可以从所传输的信息信号中直接提取。 前一种方法称为外同步法，后一种方法称为内同步法或自同步法。 在时分复接系统中，要保证接收端分路系统能和发送端一致，必须要有 一个同步系统，以实现发送端与接收端的帧同步。 实现帧同步的基本方法是发送端预先规定的时隙，即帧同步码时隙，插 入一组特殊码型的帧同步码组。帧同步系统是由发送端的帧同步码产生电路 和插入电路以及接收端的帧同步电路所组成，而帧同步电路的结构对同步