統一測控系統新一代綜合基帶設計研究

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(1.北京跟蹤與通信技術研究所， 北京 100094；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所， 河北石家莊 050081)

0 引言

微波統一測控系統是我國航天測控網的重要組成部分，經過50余年的發展，其技術體制由分離走向統一，信號形式由標準走向擴頻，工作頻段由低頻段走向高頻段，目標數量由單站單目標走向單站多目標，作用距離由低軌走向深空[1-2]。在綜合基帶技術領域，設備的數字化、軟件化程度不斷提高，操作的便捷性和可重構能力越來越強。

然而，目前我國的綜合基帶普遍采用以DSP與FPGA為代表的專用硬件平臺進行設備研制。在系統層面，由于專用硬件平臺缺乏統一標準，軟硬件功能無法分離，造成產品升級與維護成本較高，功能擴展性與靈活性較差。在應用層面，缺乏多個基帶設備綜合化技術手段，當測控體制類型或任務數量超出單一設備處理能力時，無法實現多個基帶設備綜合調度，研制費效比較低。因此，本文在研究國內外同類技術發展現狀的基礎上，提出了新一代測控綜合基帶的體系框架和關鍵技術，以適應未來航天測控系統任務復雜化、體制多樣化、信息綜合化和測控通信一體化等特征趨勢，滿足系統在彈性服務、按需保障、靈活接入等方面的應用需求。

圖1 基于開放式體系結構的遙測接收機結構示意圖

1 國內外同類技術發展現狀

目前，測控綜合基帶的主流發展趨勢是：通過前端設備的數字化處理，在后端靈活使用不同基帶處理資源，完成跟蹤測量、遙測、遙控等功能。典型代表如下。

1.1 基于通用化硬件的遙測接收機

美國林肯實驗室提出了基于開放式體系結構的遙測接收機[3]，如圖1所示。在天線接收信號后，由模擬接收機將射頻信號下變頻至通用中頻，然后由前端處理分系統進行ADC采樣、數字下變頻、濾波，最后通過數字分發鏈路，遙測接收機按需處理數字化后的遙測信號。從遙測接收機實現上看，與常規設備的顯著不同在于：一是采用通用化的硬件和軟件替換了目前遙測接收機中許多的專用硬件，把處理功能分解為更小的模塊，便于系統快速升級和縮短研制周期；二是完全去掉了遙測接收機中的專用頻率硬件，通過軟件控制進行相應的配置，簡化了操作和維護；三是由于模塊化硬件的采用以及軟硬件的去耦特性，使得硬件和軟件的開發周期幾乎不關聯，為采用先進技術和算法提供了極大的靈活性和選擇性。

1.2 基于資源池結構的地面終端站

美國NASA提出了“天基網地面部分維護計劃”(SGSS)[4]，通過引入數字光纖、基帶池、虛擬機等新概念和技術，提供一個可靈活擴展和升級的開放式地面測控系統，如圖2所示。SGSS與已有系統相比，雖然基本功能一致，但結構變化明顯：SGSS采用“池”式設備結構，當地面天線接收信號并下變頻后，立即數字化整個下行接收信號；用戶星和中繼星的遙測數據以VITA 49數據包的形式傳送給數字解調器，然后再通過光纖無損分發給采用ATCA(Advanced Telecom Computing Arc- hitecture)開放標準的基帶池，并挑選池中空閑資源執行相應的測控任務，任務完成后再把占用資源返回池中。SGSS的基帶基于虛擬化技術，將應用程序、操作系統與物理平臺分隔開來，顯著減少了測控專用設備的數量，大幅提高了設備的靈活性和可重構性。

圖2 SGSS的開放式地面測控系統結構示意圖

1.3 基于高速串行總線技術的數據處理終端

在雷達、聲納、視頻圖像處理、智能信號處理等應用領域，由于受到傳輸帶寬的限制，系統性能難以進一步提升，在此背景下基于VPX(Verstatile Protocol Switch)標準的通用信號處理平臺應運而生[5]。VPX總線作為新一代的高速串行總線標準，由VME總線發展而來，同時兼容多種異構處理板卡，在惡劣環境下嵌入式系統之間的高速互聯方面取得了較好應用，目前國內諸多研究單位利用VPX平臺研制了多類數字信號處理設備[6-7]。與現有測控綜合基帶大量使用的CPCI平臺相比，VPX平臺因采用了高速串行交互式總線而非主控式總線，使其在數據傳輸帶寬和結構性能方面有較大優勢，更加適應現代雷達領域處理功能繁多、運算復雜、數據量大及高速實時處理的要求。

圖3 面向新一代測控綜合基帶的測控系統架構

2 新一代測控綜合基帶設計

根據我國統一測控系統應用需求以及國內外同類技術發展現狀，新一代測控綜合基帶設計需求、體系架構與總體設計如下所述。

2.1 設計需求

1)彈性服務：服務規模可快速伸縮，以自動適應各類測控通信業務負載的動態變化，避免因為處理資源性能過載或冗余而導致的服務質量下降或資源浪費。

2)按需保障：資源以共享資源池的方式統一管理，利用虛擬化技術，將資源按需提供給不同用戶，資源的調度、管理與分配策略對用戶透明。

3) 靈活接入：具備不同測控體制的各種類型飛行器用戶隨遇接入，虛擬化測控基帶池具備處理多體制、多用戶、多頻段測控通信業務的能力。

2.2 體系架構與總體設計

根據設計需求，新一代測控綜合基帶必須以系統前端的數字化接收分發為基礎，以高效的網絡互聯和調度管理為支撐，對應的統一測控系統架構如圖3所示。基于該架構，測控綜合基帶采用兼顧技術可行與工程可達的虛擬化技術，將處理資源以統一的軟硬件架構進行部署，作為彈性化的測控云節點，按需為整個測控網提供測控服務。基本工作流程為：系統上行發射時，由虛擬測控基帶產生上行信息數據流，并完成編碼、調制、數字上變頻等處理后，經過高速交換網絡或光纖送至信號采集與分發模塊中，通過D/A板直接調制到工作頻段；系統下行接收時，利用信號采集與分發模塊將接收的射頻信號進行A/D數字化，然后將數據流通過交換網絡或光纖送至測控綜合基帶，站間測控云節點管理平臺根據任務需求分配處理資源組成虛擬基帶，完成捕獲、跟蹤、測量、譯碼等處理。當任務需求超過本地基帶處理能力時，利用云服務由管理平臺調用其他測控站處理資源，保證整個測控網的正常運行。

基于上述設計，新一代綜合測控基帶體系架構將以云計算架構為基礎，以資源“池化”技術為核心，如圖4所示。其中，應用層通過友好的人機交互服務，為用戶提供各種體制和要求的測控服務；支持層是為實現用戶需求開發部署的各類基礎軟件及應用接口，并通過資源調度與安全管理保證綜合測控基帶穩定可靠運行；資源層是綜合基帶的物理實體，為各類應用及軟件提供處理、存儲和傳輸等保障。

圖4 新一代測控綜合基帶的邏輯設計架構

在具體物理實現上，新一代測控綜合基帶采用基于Vita 65 OPEN VPX標準的高速串行總線，將FPGA、DSP、GPU、存儲、交換等各功能板塊進行集成，如圖5所示。其中，機箱內部包括3類接口：采用RapidIO接口，完成信號處理板與總線之間的信號、信息高速互聯；采用PCIE接口，完成GPU處理板、存儲板、計算機主板與總線之間的信號、信息高速互聯；采用萬兆以太網接口，完成計算機主板與其他各功能板卡之間的監視與控制互聯，配合站間測控云節點管理平臺保障系統的可靠運行。機箱外部包括兩類接口：1)光纖接口，完成信號處理板與接收前端之間高速數字信號流的輸入輸出；2)萬兆以太網接口，完成各功能板卡和站間測控云節點管理平臺的服務器集群互聯。

通過在服務器集群上部署云管理系統，按需構建虛擬機，部署對應模式的基帶監控軟件，通過基帶監控軟件實現對各功能板卡的軟件動態加載、動態配置，形成功能可定義的測控基帶，并通過高速串行總線保證信號、信息在不同功能板塊之間實時I/O，最終使通用服務器資源與專用處理資源解耦合，機箱內部各功能板卡有機整合為一個測控資源池，測控任務按需調用池中的處理資源。

圖5 新一代測控綜合基帶物理實現架構

3 關鍵技術與研究思路

從目前研究進展來看，新一代綜合基帶體系架構所涉及的云計算架構、資源“池”化技術等已經比較成熟，但結合統一測控系統實際應用需求，還應在以下相關技術領域開展重點研究。

3.1 寬帶射頻信號采集技術

為實現測控綜合基帶的虛擬化設計，首要工作是完成接收信號的數字化采樣。常用的S頻段測控系統工作帶寬可達100 MHz，直接利用ADC芯片采樣時，受限于芯片的采樣頻率、工作頻段、數據精度等，將會面臨數據精度低、通道間采樣同步誤差大等問題。

直接射頻采樣[8]是解決上述問題的可行思路，如圖6所示，主要流程為：首先對射頻信號進行帶通濾波和無量化采樣，然后經過連續時間低通或帶通濾波后，得到中頻或零中頻信號，最后采用常規ADC進行量化。該方案的優點在于利用采樣中的混疊效應，將信號下變頻到奈奎斯特頻帶內，降低了對ADC的射頻輸入帶寬、時鐘抖動和采樣率的要求。此外，由于避免使用了混頻器和本振信號發生器，不僅簡化了硬件設計，還可通過調整采樣速率適應不同的輸入信號。

圖6 直接射頻采樣原理圖

3.2 海量數字信號I/O技術

測控系統前端數字化后，產生了海量的數字信號數據，必須通過高帶寬、低延遲、靈活拓撲的高速I/O，保證任意測控信號按需由綜合基帶接收和處理。采用光纖傳輸技術可實現接收前端與綜合基帶間的海量數字信號傳輸，但在基帶設備內部，由于受并行總線傳輸能力限制，傳統基帶使用的CPCI機箱難以實現海量數據高速I/O。

VPX作為下一代串行總線標準，提供了10 Gbit/s的I/O傳輸接口，支持多種串行傳輸協議[5-7]，是解決上述問題的可行思路，如圖7所示。該結構采用了6U背板、5插槽的單星拓撲連接，在第5槽位提供了機箱內部的管理平面、控制平面及數據平面的高速互連，而交換設備可以為網絡交換機，也可以為RapidIO交換設備，既能提供機箱間互連，也能提供與CPU服務器間的互連。由于機箱內部各個板卡功能可定義，單個機箱即可組成一個基帶池。當然各測控站之間亦可通過100 Gbit/s以上高速光纖互連，由各個站內基帶池組成一個更大的基帶池。

圖7 基于VPX總線的基帶池互連

3.3 零中頻接收機技術

統一測控系統接收機一般采用傳統的超外差結構，射頻信號先變頻到中頻,再由中頻下變頻到基帶，由于使用高Q值的鏡頻抑制濾波器和信道選擇濾波器，使得該類接收機電路成本較高、難以芯片集成。

零中頻接收機是解決上述問題的可行思路，如圖8所示，主要工作流程為：射頻信號經過低噪聲放大器，分別與兩路正交的本振信號進行混頻得到I,Q兩路模擬信號，然后經過模擬低通濾波器送入ADC得到I, Q兩路數字信號，最后送給基帶處理器進行數字信號處理。該類接收機去掉了中頻級，不存在鏡像信號，避免鏡像抑制濾波器的使用，使用的低通濾波器也易于集成，同時對于低頻信號的ADC，選用成本低廉的器件即可獲得較好的性能指標，因此與超外差式接收機相比，集成度更高、功耗更小、成本更低，并且為數字化處理提供了靈活的I/Q通道。

圖8 零中頻接收機結構框圖

需要說明的是，在采樣保持精度、高性能濾波器小型化等直接射頻采樣涉及關鍵技術尚未完全解決的情況下，零中頻接收機不失為一種較好的接收前端數字化方案，其小型化、芯片化的特性保證了車載、星載等惡劣測控環境中的基本應用。

3.4 信號處理硬件加速技術

隨著測控系統對基帶功能和處理精度的提高，處理算法的復雜性和實時性也隨之越高，通常采用硬件加速技術滿足算法對處理能力的要求。目前，常用的GPU硬件加速卡需根據GPU特性進行大量優化[9-10]，且反饋式處理能力較低、功耗較高，使其在功能擴展上存在瓶頸。FPGA作為專用協處理器，雖然在性能、功耗、實時性、與傳統基帶的繼承性等方面具有較強的優勢，但工程開發極為復雜，需要大量考慮物理底層問題，設計門檻很高。

將OpenCL(Open Computing Language)標準[11-12]引入到FPGA中，是解決上述問題的可行思路。OpenCL應用程序由主機程序和內核程序組成，內核程序采用類C語言的OpenCL語言進行編寫，通過編譯平臺轉換成FPGA上的邏輯電路，并將其作為FPGA的配置數據輸出；運行時，主機程序通過 OpenCL調用運行庫，調用寫入配置數據的FPGA進行內核處理，從而使程序員集中精力定義算法，大幅縮短開發周期。基于OpenCL實現FPGA邏輯的系統模塊框圖如圖9所示，系統中的每個內核流水線可以同時應用于多個執行通路，即通過算法級的描述進行流水線復制，形成多流水線架構。

圖9 基于OpenCL實現FPGA邏輯的系統模塊框圖

4 結束語

目前，我國的微波統一測控系統綜合基帶設備具有多功能、體積小、接口標準、信號形式可靈活變換、測控模式可動態加載等諸多特點，但面對新的航天測控應用需求，愈發暴露出在開放性、可擴展性與可重構性等方面的不足。因此，本文順應航天測控系統發展趨勢，按照彈性服務、按需保障、靈活接入的應用需求，提出了基于云計算架構以及虛擬化技術的新一代測控綜合基帶體系架構，并結合當前同類技術發展現狀，梳理了關鍵技術研究方向與發展建議，為推動相關技術在航天測控系統中的推廣應用提供了理論支撐。

[1] 于志堅. 我國航天測控系統的現狀與發展[J] . 中國工程科學, 2006, 8(10):42-46.

[2] 雷厲,朱勤專. 飛行器測控通信技術發展趨勢與建議[J] .飛行器測控學報, 2014, 33(6):463-468.

[3] KING D, ROTSOS C, AGUADO A, et al. Network-Based Telemetry to Facilitate the Programmable Management Plane for Optical Transport Infrastructure[C]∥18th International Conference on Transparent Optical Networks, Trento: IEEE, 2016:1.

[4] Goddard Space Flight Center. Space Network Users’ Guide[M]. Greenbelt, Maryland: GSFC, 2007.

[5] VPX: VMEbus for the 21st Century[DB/OL]. [2017-05-21]. www.gefanucembedded.com.

[6] 宋敏,張亞玎. VPX總線模塊結構設計規范研究[J]. 電子機械工程, 2016, 32(1):24-27.

[7] 王銳,翟剛毅,許樹軍,等. 一種基于VPX標準的偵測雷達信號處理系統設計方法[J]. 雷達與對抗, 2016, 36(2):22-25.

[8] 馬利祥,向海生,盧玉杰. 基于超寬帶采樣保持器的數字接收機設計[J]. 雷達科學與技術, 2015, 13(3):320-323.

MA Lixiang, XIANG Haisheng, LU Yujie. Design of a Digital Receiver Based on Ultra-Wide Waveband SHA[J]. Radar Science and Technology,2015,13(3):320-323.(in Chinese)

[9] 商哲然,譚賢四,曲智國,等. 基于GPU的RFT算法并行化[J]. 雷達科學與技術, 2016, 14(5):505-509.

[10] 張堅,萬顯榮,劉玉琪. 外輻射源雷達滑窗擴展相消算法并行實現[J]. 雷達科學與技術, 2017, 15(2):115-119.

[11] TATSUMI S, HARIYAMA M, MIURA M, et al. OpenCL-Based Design of an FPGA Accelerator for Phase-Based Correspondence Matching[C]∥International Conference on Parallel and Distributed Processing Techniques and Applications, Las Vegas:[s.n.],2015:90-95.

[12] SUDA N, CHANDRA V, DASIKA G, et al.Throughput-Optimized OpenCL-Based FPGA Accelerator for Large-Scale Convolutional Neural Networks[C]∥2016 ACM/SIGDA International Symposium on Field-Programmable Gate Arrays, Monterey, CA:ACM, 2016:16-25.