基于TLK2711的遙感衛星高速串行載荷數據接口設計

張媚 杜輝 關暉 潘騰

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

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基于TLK2711的遙感衛星高速串行載荷數據接口設計

張媚 杜輝 關暉 潘騰

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

高分辨率遙感衛星星上載荷原始數據率不斷提高，如何將高速載荷數據傳輸至后端數據處理設備已成為遙感衛星載荷接口設計的關鍵。在研究高速串行/解串(SerDes)收發器件TLK2711工作原理的基礎上，提出了高速串行載荷數據傳輸接口的設計方案。通過在某衛星星載數據傳輸系統中的首次應用，實現了星上2 Gbit/s的高速串行數據傳輸，工程試驗和在軌驗證表明了接口設計的正確性和可靠性，可為其它星載高速數據傳輸接口設計提供借鑒。

TLK2711；高速串行數據接口；數據傳輸；遙感衛星

1 引言

近年來，衛星遙感數據的獲取方式出現多樣化，遙感數據源也呈現出高時間分辨率、高空間分辨率和高光譜分辨率的發展趨勢，遙感衛星載荷數據的類型越來越多，數據量越來越大，導致了載荷實時輸出的數據率急劇增大。我國遙感衛星的載荷數據率已經從早先“資源”系列衛星的幾百兆比特每秒發展到目前的數個吉比特每秒，同時還繼續向數十吉比特每秒甚至數百吉比特每秒發展，數據率增長了近百倍[1]。如何將高速的載荷原始觀測數據送往后端數傳分系統壓縮及數據處理等設備，已經成為遙感衛星設計的關鍵問題。

遙感衛星載荷與數傳分系統之間的數據接口類型有同步接口和異步接口，接口電平的選擇一般有晶體管邏輯(TTL)電平、發射極耦合邏輯(ECL)電平、RS422電平、低壓差分信號(LVDS)電平、電壓型邏輯(VML)電平等。其中，TTL電平的抗干擾能力較差，電纜線長度不宜超過3 m，對星載設備布局要求和限制較多；后幾種電平均為差分工作方式，抗干擾能力強，可以有效抑制引線串擾的影響。但ECL接口的最大缺點就是直流功耗較大，RS422接口的最大傳輸速率僅為10 Mbit/s[2]，這兩種接口在速度、噪聲、功耗、成本等方面的固有缺陷使其難以勝任實際應用；而LVDS接口因其具有傳輸速率高、功耗小、抗共模干擾抑制能力強等優點，在傳統遙感衛星載荷數據接口設計中得到廣泛應用。LVDS接口由于接口時鐘頻率的限制，推薦使用的每路最高速率約為100 Mbit/s左右[3]，通常采用多路信號并行的方式進行傳輸[4]。在單路最高速率的限制下，如果采用LVDS接口，為了滿足高速數據傳輸需求，只能單純地依靠增加并行路數來提高接口速率。然而，并行路數的增加將導致設備內部附屬電路、設備面板電連接器以及設備之間傳輸電纜數量的顯著增加，設備尺寸和重量及電纜重量隨之增加，不利于設備的研制和系統的集成。同時，LVDS接口采用時鐘同步信號，傳輸過程中時鐘與數據分別發送，各信號的瞬時抖動不一致必將導致傳輸質量的下降，因而對收發設備及傳輸電纜的鐘碼對齊關系提出了嚴格要求。因此，隨著載荷數據傳輸速率的進一步提升，必須尋求一種傳輸速率更高、時鐘數據對齊要求低、電纜設計簡單的通信接口。

TLK2711是一種基于串行/解串 (SERializer/DESerializer，SerDes) 技術的高速收發器件，單路串行傳輸速率高達2.5 Gbit/s[5]。TLK2711采用VML差分信號，具有較好的抗干擾能力[6]；同時TLK2711采用自同步通信方式，利用時鐘和數據恢復技術代替同步傳輸數據和時鐘，有效解決了信號和時鐘偏移問題；此外，串行通信技術充分利用傳輸媒體的信道容量，減少所需的連接器引腳數目，降低芯片外圍引腳數，設備及電纜布線更為簡單，系統抗干擾能力更強。可見，不管從傳輸速率，還是從線纜復雜度、時鐘數據關系等方面，高速串行傳輸接口相比傳統LVDS并行接口均具有較大優勢。

本文在研究SerDes收發器件TLK2711工作原理的基礎上，提出了高速串行數據傳輸接口設計方案，并根據衛星載荷數據傳輸需求設計了點對點單工通信協議。同時結合衛星工程實踐情況，對TLK2711高速串行數據傳輸接口在某衛星中的應用及驗證情況進行了分析和探討。

2 TLK2711工作原理

TLK2711是千兆高速收發器件，支持1.6 Gbit/s到2.5 Gbit/s的串行數據率(航天級)，提供超過2.16 Gbit/s的信號帶寬，可應用于超高速、點對點的雙向傳輸系統中。TLK2711作為高速傳輸鏈路中的核心器件，實現數據的串行/解串功能，即在發送端多路低速并行信號被轉換成高速串行信號，在接收端高速串行信號被轉換成低速的并行信號，因此也被稱為SerDes收發器。TLK2711具有如下特點[5,7]：

(1)串行傳輸速率為1.6 Gbit/s ～ 2.5 Gbit/s，支持背板、銅線和光纖轉換器接口；

(2)采用68芯陶瓷絕緣封裝，支持熱插拔保護；

(3)采用2.5V供電，低處理功耗；

(4)串行輸出可編程預加重控制；

(5)支持片內8B/10B編碼解碼，芯片自帶逗點檢測功能(進行數據同步)；

(6)輸入低速參考時鐘，提供片內PLL時鐘合成功能(時鐘倍頻)；

(7)滿足工業溫度范圍，具有高等級宇航級器件。

TLK2711接口的工作原理如圖1所示。圖中，TKLSB和TKMSB為K碼發生器的發送控制信號，分別表示發送數據的低8 bit和高8 bit是數據還是K碼，通常兩者配合使用；RKLSB和RKMSB為K碼指示標識，這兩個信號是接收狀態信號，分別表示低8 bit和高8 bit接收到的是數據還是K碼；TXCLK為發送端外部參考輸入時鐘；RXCLK為接收端恢復的時鐘信號。

從圖1可以看出，TLK2711發送接口包括編碼器、串行器、發送器，接收接口包括解碼器、解串器、接收器。在發送端，TLK2711將輸入的16 bit并行有效數據分成兩個字節，并與控制碼TKLSB和TKMSB同時送入兩個8 bit/10 bit編碼器進行編碼，每個編碼器產生的10 bit有效數據經多路復用器送入串行器，完成并行數據到串行數據的轉換，最后通過帶有預加重功能的發送器輸出串行差分數據信號。在接收端，TLK2711接收到經8 bit/10 bit編碼后的串行差分數據，通過恢復時鐘對輸入數據流進行同步，將串行數據經解串器完成串行數據到并行數據的轉換，再通過兩個獨立的逗點檢測(Comma Detect)和8 bit/10 bit解碼器，完成數據解碼和字節排列對齊，最后輸出16 bit并行有效數據。TLK2711發送接口和接收接口可獨立使用(單工通信)，也可同時使用(雙工通信)。

圖1 TLK2711原理框圖Fig.1 Block diagram of TLK2711

3 星載高速串行數據傳輸接口設計

3.1 設計方案

本文研究的基于TLK2711的高速串行數據傳輸技術，主要用于衛星有效載荷和后端數據處理設備之間的通信接口，將衛星有效載荷采集到的高分辨率圖像數據傳輸至后端數據處理模塊，處理后的數據經信號調制、放大后經星地數傳鏈路下傳至地面接收站。

基于TLK2711的高速串行數據傳輸接口由三部分組成，包括發送端、傳輸電纜和接收端。數據傳輸接口框圖如圖2所示。其中，發送端包括發端數據處理電路、TLK2711發送電路、晶振、DC/DC電路、電連接器等部分；接收端包括收端數據處理電路、TLK2711接收電路、晶振、DC/DC電路、電連接器等部分；發送端和接收端之間通過同軸或差分等高速串行信號傳輸電纜進行連接。

3.2 系統工作流程

基于TLK2711的高速串行數據傳輸接口的工作流程如下：

(1)發送端將實時采集到的多路并行載荷圖像數據、外部輸入時鐘、使能信號送入TLK2711發送電路轉換成一路串行差分信號；串行差分信號作為有效數據單元結合幀頭、幀尾組成一個數據幀，以數據幀的形式進行串行傳輸；幀頭、幀尾為按照8 bit/10 bit編碼規則形成的控制K碼。

(2)接收端TLK2711接收電路根據對齊字符對接收到的數據幀進行數據提取，去掉幀頭、幀尾得到有效數據單元。

(3)將有效數據單元中的串行數據進行解串，恢復出多路并行圖像數據、并行時鐘和使能信號送入FPGA內部，由FPGA做進一步處理。

3.3 串行通信協議設計

本文所提出的TLK2711高速串行數據接口采用的是點對點單工通信，數據在通道上以數據幀的形式傳遞。為保證數據幀在協議通道中正確傳輸，必須在通道中傳輸一些控制字符，并設計一定的傳輸協議[8]。TLK2711通信協議設計主要包括協議控制字符定義、數據幀結構定義、協議工作機制等。

1)協議控制字符定義

TLK2711收發接口是基于8 bit/10 bit編碼的，因此利用8 bit/10 bit編碼中的特殊字符(K字符和D字符)來定義協議控制信息。本協議定義的協議控制字符如表1所示，包括數據幀幀頭、幀尾以及同步字符。由于TLK2711是以16 bit為一個基本的傳輸單位，因此每一個控制字符都定義成2 byte，分別由D碼和K碼組成。

表1 控制字符

2)協議數據幀結構

約定發送端和接收端之間通過一定的數據幀格式進行數據傳輸。本協議規定數據幀包括幀頭(/SF/)、幀尾(/EF/)和數據(DATA)三部分組成，如圖3所示。傳輸時幀與幀之間發送同步字符/SP/來保證傳輸鏈路的同步。

(1)幀頭：/K28.2/K27.7/；16進制為/5C/FB/，占用2 byte；

(2)幀尾：/K29.7/K30.7/；16進制為/FD/FE/，占用2 byte；

(3)數據單元：發送雙方約定的數據，16 bit數據長度不大于16 Kbyte。

圖3 數據幀的定義Fig.3 Definition of data frame

3)協議工作過程

為保證發送數據有效接收，收發雙方必須建立一定的協議工作機制。本協議約定的工作機制如圖4所示，系統上電或復位后收發雙方處于失步狀態(要求在發送端復位后，接收端要保證已處于接收狀態)，發送端發送同步字符/SP/，時間長度為1 ms，1 ms結束后認為系統完成同步過程，發送端開始數據幀的發送。在每一幀數據發送結束后和下一數據幀開始發送前，發送端要發送不少于一定數量的同步字符，然后發送下一個數據幀，依此循環直至相機停止工作。接收端如果在數據幀傳輸過程中失步，依靠數據幀間的同步字符重新建立收發間同步關系。

圖4 協議工作過程Fig.4 Protocol working procedure

TLK2711收發雙方在同步狀態建立后，接收端不斷檢測輸出接收控制信號RKLSB和 RKMSB(分別表示低8 bit和高8 bit接收到的是數據還是K碼)，如果在發送數據過程中控制信號出現高電平即認為出現失步。接收端如果在數據幀傳輸過程中失步，本協議約定收發雙方依靠數據幀間的同步字符重新建立起收發間的同步關系；同步關系建立后，立刻轉入正常數據接收狀態。

3.4 設計難點分析

TLK2711接口采用串行傳輸方式，而傳統LVDS并行數據接口則采用時鐘、門控、多路數據并行傳輸方式，兩者在設計上有較大差別。相比傳統并行接口，TLK2711串行收發接口設計中需特別注意對時鐘信號和門控信號使用。

1)時鐘信號

TLK2711對參考時鐘的要求為：時鐘頻率80 MHz～125 MHz，時鐘頻率準確度優于1×10-5，時鐘抖動(峰-峰值)優于40 ps，時鐘信號的占空比范圍為0.4～0.6。與并行接口相比，TLK2711芯片對時鐘信號的抖動有著明確且十分嚴格的要求，即抖動峰-峰值需小于40 ps。此要求一般的時鐘電路無法達到，需采用專用的高等級晶振器件。由于晶振信號經過時鐘處理電路后抖動值會有惡化，為了保證抖動值滿足要求，建議TLK2711芯片所使用參考時鐘信號為晶振直接提供的，未經過其他倍頻或分頻處理，且發送端和接收端應配備獨立的時鐘晶振。

2)門控信號

TLK2711屬于異步串口芯片，其內置有可靠的數據協議。傳統的并行接口中使用的門控信號來區分有效數據和無效數據。在基于TLK2711芯片的異步傳輸接口中則無需使用門控信號。因為按照TLK2711推薦的協議，在不發送有效數據時，需發送K碼。接收端再監測到K碼后即可認為傳輸的是無效數據。此外，LSB和MSB信號提供K碼指示功能，可以利用LSB和MSB信號在接收端恢復行同步信號。而在發送端，在按照數據協議生成K碼后無需保留門控信號，即無需向TLK2711芯片發送門控信號。

4 TLK2711高速串行數據接口在某衛星中的測試與驗證

某衛星相機輸出的圖像原始數據率高達6.7 Gbit/s，為提高信號傳輸速率，簡化接口設計，某衛星載荷數據傳輸接口設計中首次采用了基于TLK2711的高速串行數據接口，用于相機分系統視頻處理器與數傳分系統壓縮編碼器之間的原始圖像數據傳輸。TLK2711設計過程中，選用100 MHz參考時鐘，每路TLK2711的有效數據率可達1.6 Gbit/s，經過8B/10B編碼后單路信號速率可高達2 Gbit/s。

針對相機與數傳分系統間的TLK2711高速串行接口，某衛星在研制過程中進行了充分的測試和驗證，主要包括接口選型驗證、電性能驗證、空間環境適應性驗證等方面。

1)接口選型驗證試驗

設計初期，某衛星開展了相機與數傳載荷接口選型驗證試驗。利用數據發送試驗板和數據接收試驗板進行了TLK2711接口傳輸性能測試。同時開展了高速電纜傳輸性能驗證，為傳輸電纜選型和接口配置提供了有力的數據支撐。

試驗參試設備連接關系如圖5所示。試驗挑選了3組不同類型的電纜(含接插件)，包括國產同軸電纜、Airborn微同軸電纜和Airborn差分電纜。試驗結果表明：TLK2711可以實現穩定的高速數據傳輸，傳輸速率可以滿足某衛星數據傳輸需求；使用長度為2.5 m、阻抗為50 Ω的同軸電纜，采用手冊推薦的接口電路形式，收發使用非同源的時鐘，TLK2711高速接口速率可達到2.5 Gbit/s(參考時鐘選用125 MHz)。Airborn微同軸電纜在同步特性、時鐘適應性等綜合性能方面表現優異，故某衛星最終選擇Airborn微同軸電纜。

2)電性能驗證

初樣研制階段，利用相機和數傳的相關電性產品的單板進行了TLK2711接口誤碼和圖像測試。共測試了PN碼和圖像數據兩種狀態。對于16路數據，每路均進行15 min誤碼測試。在15 min統計時間內，誤碼均為0。試驗證明，基于TLK2711的高速串口誤碼率滿足使用要求。同時，某衛星在相機和數傳分系統電性件、鑒定件、正樣件上開展的單機、分系統以及整星測試中，均對接口電性能進行了充分的驗證。

3)空間環境適應性驗證

某衛星中使用TLK2711芯片來發送高速數據的相機視頻處理器和使用TLK2711芯片來接收高速數據的數傳壓縮編碼器均投產了鑒定件。在視頻處理器和壓縮編碼器鑒定產品上開展的環境試驗項目，包括力學試驗、熱真空試驗、熱循環試驗、熱平衡試驗、電磁兼容性(EMC)試驗。在產品鑒定試驗過程中，沒有出現質量問題。

為了進一步充分驗證TLK2711接口在高低溫條件下的適應性，2012年12月，某衛星利用視頻處理器和壓縮編碼器鑒定件開展了相機與數傳間接口的高低溫聯試。分別在高溫(+65℃)和低溫(-30℃)條件下進行接口數據傳輸考核，在高溫和低溫平衡狀態下保持8 h。在每個狀態下完成全色實傳、多光譜實傳各8次，每次成像15 min。試驗過程中測試數據均正確。經過鑒定件專項環境試驗，驗證了溫度拉偏條件下TLK2711接口傳輸的可靠性。

4)在軌驗證情況

目前，某衛星自發射成功后在軌已進行了數千次相機成像作業，載荷數據接口工作時長累計數百小時，所有成像數據傳輸均正確、無誤碼。

通過地面及在軌一系列的驗證表明，TLK2711串行數據傳輸接口設計正確、合理，可以滿足某衛星高速載荷數據的傳輸需求。

圖5 某衛星TLK2711接口選型試驗參試設備連接示意圖Fig.5 Block diagram of TLK2711 interface testing for a satellite

5 結束語

本文針對遙感衛星海量載荷原始數據與后端處理設備之間的高速數據傳輸問題，提出了一種基于TLK2711芯片的高速串行數據傳輸接口，給出了接口設計總體方案、系統工作流程、串行通信協議設計，并對設計難點進行了分析。通過某衛星地面及在軌測試及驗證，表明TLK2711高速串行數據接口可以實現星上2 Gbit/s的串行信號傳輸。

目前，TLK2711高速串行數據接口以其傳輸速率高、接口簡單、抗干擾能力強等優點，已逐步應用于我國后續高分辨遙感衛星中，同時該接口也由載荷與數據處理設備之間的應用逐步推廣至數據處理與數據存儲、調制等基帶處理設備之間。結合某衛星工程研制經驗，對后續衛星TLK2711高速串行接口的設計和測試驗證提出如下建議：

(1)增加接口校驗設計。由于接口電路與數據源構成完整的系統后，接口測試僅能依靠數據源的收發正確性來驗證，某衛星在數傳與相機接口測試中，是利用輔助數據的正確性及圖像的正確性來判斷接口的正確性。由于相機發送的圖像數據內容不固定，此種判斷方法并不可靠。為了增加接口驗證的完整性，建議后續設計中在相機發送的圖像數據后面增加校驗碼，接收端依據校驗碼判斷數據收發的正確性并將判斷結果隨載荷數據下傳至地面。

(2)嚴格選用晶振，規范參考時鐘源設計方法。TLK2711高速串行數據接口要求有高穩定性和高精度的時鐘源，頻偏和抖動是衡量時鐘源的兩個重要指標。TLK271l內部對輸入參考時鐘進行20倍頻，同時要求TLK2711的時鐘穩定度小于±1×10-5，抖動值優于40 ps(峰峰值)。因此，在設計時需選用性能指標好的晶振，同時在時鐘源設計過程中，不建議使用FPGA內部帶有倍頻或分頻功能的數字鎖相環(DLL)模塊或數字時鐘管理(DCM)模塊來生成參考時鐘。因為經過內部模塊倍頻的時鐘容易引起比較大的抖動，導致TLK2711接收鎖相環無法穩定地鎖定發送時鐘從而產生誤碼。

(3)為了保證高速差分信號的傳輸質量，差分線對的兩根線應盡可能靠近并且遠離其他信號，在進行PCB布線時，TLK271l的16 bit并行總線與伴隨時鐘也要進行等長處理，以保證輸入數據的同步和一致性。

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(編輯：李多)

Design of Satellite High-speed Serial Data Interface Based on TLK2711

ZHANG Mei DU Hui GUAN Hui PAN Teng

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

The payload data of high-resolution remote sensing satellite is increasing rapidly,and how to transmit the high-speed data to the posterior processor is of the first importance in the design.According to the technique specifications and characteristics of SerDes TLK2711,a design of high-speed serial data transmission interface is proposed.The high-speed serial transmission interface is first applied in a 2Gbit/s on-board data transmission system.The results of the engineering experiments and on-orbit test indicate that the design is correct and the transmission of the payload data is reliable.The experience can provide a reference for the design of other high-speed data transmission interfaces.

TLK2711;high-speed serial data interface;data transmission;remote sensing satellite

2015-10-08；

2015-11-09

國家重大航天工程

張媚，女，碩士，工程師，研究方向為航天器總體設計。Email:prettykitty1125@126.com。

TP302

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.06.003