（通信與信息系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)論文）深空通信仿真系統(tǒng)硬件平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn).pdf

摘要 本文主要研究了深空通信仿真系統(tǒng)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。首先介紹了深空 通信的特點(diǎn)以及若干關(guān)鍵技術(shù)，著重介紹了圖像信源編碼，信道糾錯(cuò)編碼，調(diào)制 解調(diào)以及通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)。在此基礎(chǔ)上給出了深空通信綜合仿真平臺(tái)的總體框架， 包括計(jì)算機(jī)軟件仿真和硬件平臺(tái)仿真。提出了一種適于進(jìn)行圖像信源編碼，信道 糾錯(cuò)編碼以及調(diào)制解調(diào)等3 個(gè)關(guān)鍵模塊仿真的硬件平臺(tái)框架。 采用a d s p t s 2 0 1 處理器和v i r t e x i ip r of p g a 作為系統(tǒng)核心，采用主板+ 子 板架構(gòu)，完成了可重配置的硬件仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)。給出了包括計(jì)算機(jī)與硬件平臺(tái)間 數(shù)據(jù)傳輸，f p g a 與d s p 鏈路口接口p 在內(nèi)的全系統(tǒng)數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)以及具體實(shí) 現(xiàn)方案。最終完成了硬件仿真平臺(tái)全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試。 關(guān)鍵詞g 深空通信仿真平臺(tái)a d s p t s 2 0 1f p g a a b s t r a c t t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fh a r d w a r ep l a t f o r mf o rd e e ps p a c ec o m m u n i c a t i o n s i m u l a t i o na r er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r f i r s t ，t h ec h a r a c t e r i s t i ca n ds e v e r a lc r i t i c a l t e c h n i q u e ss u c ha si m a g es o u r c ee n c o d i n g ，c h a n n e le r r o r - c o r r e c t i n gc o d i n g ，m o d u l a t i o n & d e m o d u l a t i o na n dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki nd e e ps p a c ec o m m u n i c a t i o na r e p r e s e n t e d s e c o n d ，af r a m e w o r ko fc o m p r e h e n s i v ed e e ps p a c es i m u l a t i o np l a t f o r m w h i c hi n c l u d e sc o m p u t e r - b a s e ds o f t w a r es i m u l a t i o na n dh a r d w a r e - b a s e ds i m u l a t i o ni s p r o p o s e d t h i r d ah a r d w a r es i m u l a t i o np l a t f o r ma r c h i t e c t u r es u i t a b l ef o rt h es i m u l a t i o n o fi m a g es o u r c ee n c o d i n g ，c h a n n e le r r o r - c o r r e c t i n gc o d i n g ，a n d m o d u l a t i o n & d e m o d u l a t i o nm o d u l e si sp r o p o s e d t h i sp l a t f o r m ，f e a t u r e dr e c o n f i g u r a b l e ，i sc e n t e r e do na d s p - t s 2 0 1d s pp r o c e s s o r a n dv i r t e x i ip r of p g aa n di sa r r a n g e di nam a i nb o a r d + d a u g h t e rb o a r da r c h i t e c t u r e t h eo v e r a l ld e s i g na n dd e t a i l e dr e a l i z a t i o nm e t h o d s ，i n c l u d i n gt h ed a t ap a t hb e t w e e nt h e c o m p u t e ra n dh a r d w a r ep l a t f o r m ，l i n kp o r ti n t e r f a c ei pb e t w e e nf p g a a n dd s p , a r e p r e s e n t e d f i n a l l y , t h ed e s i g na n dd e b u go f t h ew h o l eh a r d w a r es i m u l a t i o np l a t f o r ma r e f i n i s h e d k e y w o r d ：d e e ps p a c ec o m m u n i c a t i o n s i m u l a t i o np l a t f o r m a d s p t s 2 0 1 f p g a 創(chuàng)新性聲明 秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)和優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的論文是我個(gè) 人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中 特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其它人已經(jīng)發(fā)表或 撰寫(xiě)過(guò)的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué) 位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文 中做了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 申請(qǐng)學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。 本人簽名： 日期： 關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即： 研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬西安電子科技大學(xué)。本 人保證畢業(yè)離校后，發(fā)表論文或使用論文工作成果時(shí)署名單位仍然為西安電 子科技大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文；學(xué)校 可以公布論文的全部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印、或其它復(fù)制手 段保存論文。( 保密的論文在解密后遵守此規(guī)定) 本人簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期：地2 ：f ：z 日期：遞望：蘭2 第一章緒論 第一章緒論 1 1 引言 2 0 0 8 年1 0 月2 4 日，我國(guó)嫦娥一號(hào)探月衛(wèi)星成功發(fā)射，采集到大量的月球表 面圖像數(shù)據(jù)并傳回地面。美國(guó)于2 0 0 3 年發(fā)射的“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”火星探測(cè) 器，2 0 0 7 年發(fā)射的“鳳凰號(hào)”火星探測(cè)器，均成功降落火星，并采集大量火星表 面數(shù)據(jù)。在深空探測(cè)工程中，探測(cè)器與地面之間需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)及控制信號(hào)的 傳輸，因此，除探測(cè)器發(fā)射、控制等技術(shù)外，深空通信技術(shù)也起著至關(guān)重要的作 用。 眾所周知，月球與地球平均距離3 8 萬(wàn)公里，火星與地球距離在6 0 0 0 萬(wàn)公里 以上，因此深空通信的傳輸距離極長(zhǎng)，而且由月球，火星等星體到地球的無(wú)線(xiàn)信 道要面對(duì)諸如太陽(yáng)帶電粒子活動(dòng)，空間輻射，穿越大氣層等復(fù)雜的電磁環(huán)境的挑 戰(zhàn)。深空通信所面臨的問(wèn)題，與其他通信系統(tǒng)，如衛(wèi)星通信( 人造地球衛(wèi)星距地 球數(shù)百至數(shù)萬(wàn)公里) ，無(wú)線(xiàn)個(gè)人通信( 終端與基站距離一般在幾公里以?xún)?nèi)) 等都有 著很大的不同。 目前世界各國(guó)對(duì)深空探測(cè)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。各國(guó)對(duì)木星，火星，金星，水星， 土星等行星以及月球都進(jìn)行了探測(cè)。美國(guó)與歐空局合作于1 9 9 7 年1 0 月向相距約 為1 5 億公里的土星發(fā)射“卡西尼一惠更斯號(hào)土星探測(cè)器。惠更斯探測(cè)器于2 0 0 5 年1 月1 4 日在土衛(wèi)六上降落，1 月1 5 日向地球傳回約3 0 0 幅土衛(wèi)六有關(guān)星貌的清 晰圖像，其圖像尺寸為1 0 2 4 1 0 2 4 像素，分辨率為4 0 米。美國(guó)于2 0 0 3 年相繼向 火星發(fā)射勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)探測(cè)器，并分別于2 0 0 4 年1 月4 日和2 5 日到達(dá)火星， 向地球傳送回了清晰度很高的圖像，2 0 0 7 年，美國(guó)發(fā)射鳳凰號(hào)火星探測(cè)器，并于 2 0 0 8 年5 月2 5 日成功在火星著陸。2 0 0 8 年1 0 月2 4 日，我國(guó)嫦娥一號(hào)探月衛(wèi)星 發(fā)射升空并成功采集大量數(shù)據(jù)傳回地面。預(yù)計(jì)于2 0 1 0 年我國(guó)將實(shí)現(xiàn)月球著陸與月 球探測(cè)，2 0 2 0 年實(shí)現(xiàn)月球探測(cè)并采樣返回，經(jīng)過(guò)繞、落、回三個(gè)步驟，達(dá)到月球 探測(cè)的研究目標(biāo)。 1 2 深空通信的特點(diǎn) 深空通信與地面通信和衛(wèi)星通信相比，有著顯著的特點(diǎn)。 1 傳輸距離遠(yuǎn)。月球距地球約3 8 萬(wàn)公里，火星距地球最近約有6 0 0 0 萬(wàn)公里， 由于地球與火星均繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，火星與地球間的距離是變化的，當(dāng)?shù)厍蚺c火星處 于太陽(yáng)的不同側(cè)時(shí)，該距離遠(yuǎn)至4 億公里。2 0 0 4 年美國(guó)火星探測(cè)器m a r se x p l o r a t i o n 2 深空通信仿真系統(tǒng)硬件平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn) r o v e r ( m e r ) 通信系統(tǒng)的性能滿(mǎn)足在這樣遙遠(yuǎn)距離下進(jìn)行通信的要求。其它行星 距地球大都在幾億公里以上。信號(hào)傳輸距離越大，信噪比越低。 2 信道具有衰落特性。深空通信信道實(shí)際上是一個(gè)具有時(shí)變衰落特性的信道。 3 時(shí)延大。地球到火星的距離在6 0 0 0 萬(wàn)公里以上，信號(hào)的傳輸至少需要4 分 鐘( 距離最遠(yuǎn)時(shí)需要2 2 分鐘) 。 4 復(fù)雜的通信環(huán)境。在月球和其它行星上，其溫度、輻射等環(huán)境比地面惡劣和 復(fù)雜得多。例如月球表面的溫度變化大，最低可達(dá)1 8 3 0 c ，而最高可達(dá)1 2 7 0 c 。火 星的最低溫度為1 3 2 0 c ，木星1 4 0 。c 。而其他因素，諸如太陽(yáng)黑子活動(dòng)，空間輻射 等，都將對(duì)無(wú)線(xiàn)信道構(gòu)成影響。 5 工作頻率高，可用頻帶寬。以往的深空通信系統(tǒng)工作于s 和x 波段，為了提 高通信系統(tǒng)的增益和減小天線(xiàn)尺寸，新的系統(tǒng)將提高到k a 波段。我國(guó)的探月衛(wèi)星 采用s 波段。m e r 火星探測(cè)器通信系統(tǒng)采用x 波段進(jìn)行火星與地球的通信( 下行 8 4 3 9 g ，上行7 1 8 3 g ) 。 6 對(duì)探測(cè)器的功率要求很?chē)?yán)格。由于探測(cè)器的能源主要是太陽(yáng)能帆板提供的幾 十瓦的功率，因而所采用的通信技術(shù)應(yīng)考慮低功耗。 1 3 深空通信中的關(guān)鍵技術(shù)概述 在深空通信系統(tǒng)中，除了增大地面天線(xiàn)面積和精確控制天線(xiàn)波束，提高接收 機(jī)的本振穩(wěn)定度和相位調(diào)整精度，提高接收機(jī)低噪聲放大器的增益以及發(fā)射機(jī)功 放的性能外，通信系統(tǒng)中圖像信源壓縮編碼、信道糾錯(cuò)編碼、調(diào)制解調(diào)、通信網(wǎng) 絡(luò)系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)仿真平臺(tái)等關(guān)鍵技術(shù)都具有很大的研究?jī)r(jià)值。 1 圖像信源編碼。在深空通信系統(tǒng)中，圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸占據(jù)了系統(tǒng)的大 部分存儲(chǔ)資源和傳輸帶寬。然而由于深空通信距離遠(yuǎn)和功耗要求嚴(yán)格等特點(diǎn)，通 信系統(tǒng)只能提供極為有限的存儲(chǔ)能力和有限的信道帶寬；另外，為了充分獲取遙 遠(yuǎn)星球的地形地貌以及資源分布等有用信息，又希望能實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和有效傳輸高分 辨率的圖像數(shù)據(jù)，這樣就造成了原始圖像數(shù)據(jù)量大和星上存儲(chǔ)能力以及數(shù)據(jù)傳輸 能力有限的矛盾。只有采用高效的圖像壓縮技術(shù)才能在有限的時(shí)間內(nèi)和較窄的信 道帶寬條件下，傳輸如此大量的圖像數(shù)據(jù)。因此，高效的圖像信源編碼技術(shù)是一 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。 2 信道糾錯(cuò)編碼。深空通信的信道特征是接收信噪比很低，而可用的信道帶寬 相對(duì)較寬。采用信道編碼技術(shù)是提高在這種功率受限信道上進(jìn)行深空通信的可靠 性和有效性的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。我們知道，當(dāng)數(shù)字信號(hào)采用相干調(diào)制解調(diào)技術(shù)，無(wú) 信道編譯碼時(shí)，滿(mǎn)足誤碼率p e 為1 0 一，e 。理論值為1 0 5 d b ，若采用( 2 5 5 ， 2 3 3 ) r s 碼與( 1 5 ，1 4 ) 卷積碼級(jí)聯(lián)( 伽利略號(hào)探測(cè)器) 就可以獲得約9 6 d b 的 第一章緒論 增益，這充分表明研究性能高和功率消耗小的糾錯(cuò)編碼系統(tǒng)是非常必要的。 3 調(diào)制解調(diào)技術(shù)。調(diào)制是為了使發(fā)送信號(hào)特性與信道特性相匹配，因此調(diào)制方 式的選擇是由系統(tǒng)的信道特性決定的。在深空通信中，為了有效地利用空間飛行 器的功率，發(fā)送信號(hào)功率放大器通常采用高功率非線(xiàn)性放大器( ) a ) 。這樣，由 于深空信道的非線(xiàn)性及a m p m 效應(yīng)，要求調(diào)制后的信號(hào)波形的瞬時(shí)幅度波動(dòng)要盡 量小，因而應(yīng)該采用具有恒定包絡(luò)( 或準(zhǔn)恒定包絡(luò)) 結(jié)構(gòu)的調(diào)制方式，如p s k ， f s k 以及以此為基礎(chǔ)的其它調(diào)制方式。b p s k 調(diào)制以其較高的功率效率特性在早期 的深空通信系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用。另一方面，隨著空間探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，深空 探測(cè)任務(wù)變得越來(lái)越復(fù)雜，需要將大量的數(shù)據(jù)與圖像信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛?，這樣 就要求越來(lái)越高的星( 或其它航天器) 上數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的傳輸速率，從而使射頻 頻譜變得越來(lái)越擁擠。信息理論研究表明，使用恒包絡(luò)信號(hào)，當(dāng)對(duì)其功率譜密度 有約束時(shí)，系統(tǒng)的容量會(huì)減小。因此，需要研究新的帶寬有效調(diào)制技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足日 益增長(zhǎng)的對(duì)高數(shù)據(jù)速率的需求。具有較多小包絡(luò)波動(dòng)的帶寬有效t c m 技術(shù)為此提 供了一條有效的解決途徑，它配合高性能糾錯(cuò)編碼技術(shù)，可以同時(shí)提供較大的編 碼增益和帶寬效率。 4 通信網(wǎng)絡(luò)。在深空通信中，由于行星間距離極大，造成信噪比低、傳輸時(shí)延 大和抖動(dòng)劇烈，傳統(tǒng)的t c p i p 協(xié)議在這種環(huán)境下的性能會(huì)急劇下降，丟包率大大 增加；深空通信的非對(duì)稱(chēng)甚至單向信道特性，也會(huì)給包含反饋機(jī)制的通信協(xié)議的 實(shí)現(xiàn)帶來(lái)困難；由于深空通信硬件分布和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的高代價(jià)性，所研究的網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)和協(xié)議應(yīng)適應(yīng)今后網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展。雖然空間數(shù)據(jù)咨詢(xún)委員會(huì)( c c s d s ) 研究 并制定了在深空通信中可使用的深空網(wǎng)絡(luò)d s n 協(xié)議，但隨著深空通信的發(fā)展，d s n 協(xié)議已不能滿(mǎn)足需求，且應(yīng)用層文件傳輸協(xié)議c f d p 對(duì)深空通信網(wǎng)絡(luò)仍不是最優(yōu) 化的。因而我們有必要研究具有集束協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，并將c f d p 協(xié)議整合到此網(wǎng)絡(luò) 中，獲得更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能和服務(wù)質(zhì)量。 5 仿真平臺(tái)。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，在計(jì)算機(jī)上建立通信系統(tǒng)的模型，通過(guò)模擬 系統(tǒng)的工作過(guò)程和狀態(tài)來(lái)分析和評(píng)估系統(tǒng)的性能，在通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程中 已起著越來(lái)越重要的作用。特別是與實(shí)際通信系統(tǒng)的建立與性能評(píng)估相比較，深 空通信系統(tǒng)的建立與性能評(píng)估更加耗時(shí)、耗資，因此迫切需要建立一個(gè)仿真平臺(tái)， 為我國(guó)深空通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論研究和性能評(píng)估提供支持。國(guó)外在通信系統(tǒng)仿真 這一領(lǐng)域已進(jìn)行了大量的研究，形成了一個(gè)較專(zhuān)門(mén)的研究領(lǐng)域，并產(chǎn)生了大量的通 信系統(tǒng)仿真軟件包。我國(guó)也有一些這方面的專(zhuān)著和文章。由于深空通信具有自身 的一些特點(diǎn)，目前對(duì)其的仿真研究很少，迫切需要建立一套相應(yīng)的仿真平臺(tái)。為 了更可靠地驗(yàn)證通信系統(tǒng)的性能，還必須對(duì)其中的若干關(guān)鍵模塊：圖像信源編碼、 信道糾錯(cuò)編碼和調(diào)制解調(diào)進(jìn)行硬件仿真。通信系統(tǒng)仿真包括2 部分：鏈路級(jí)仿真 和網(wǎng)絡(luò)級(jí)仿真。鏈路級(jí)仿真面向傳輸系統(tǒng)的編、譯碼、調(diào)制解調(diào)、信道等；而網(wǎng)絡(luò) 4 深空通信仿真系統(tǒng)硬件平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn) 級(jí)仿真包括信息格式、協(xié)議、交換、路由、流量控制和網(wǎng)絡(luò)控制等問(wèn)題。 1 4 本文研究?jī)?nèi)容及主要貢獻(xiàn) 本文在介紹了深空通信的基本特點(diǎn)及仿真平臺(tái)總體框架基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了 深空通信仿真系統(tǒng)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。給出了一種基于a d s p t s 2 0 1d s p 和 v i r t e xi if p g a 的可重配置的通用硬件仿真平臺(tái)框架，并對(duì)硬件框架中的若干關(guān) 鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。 作者對(duì)整個(gè)硬件平臺(tái)的數(shù)據(jù)流傳輸，包括d s p 之間高速鏈路口通信，多d s p 之間共享存儲(chǔ)器，及d s p 與f p g a 之間數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行了深入研究，并給出了數(shù)據(jù) 傳輸模塊的底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)及硬件平臺(tái)與計(jì)算機(jī)接口的接口框架及具體實(shí)現(xiàn)。研究 了a d s p t s 2 0 1 鏈路口的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序及協(xié)議，并給出了f p g a 與d s p 之間的高 速鏈路口數(shù)據(jù)傳輸?shù)膇 p 核設(shè)計(jì)。 本文結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章：緒論。簡(jiǎn)要介紹了深空通信的特點(diǎn)以及若干關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上 給出了本文的研究對(duì)象及主要貢獻(xiàn)。 第二章：綜合仿真平臺(tái)及硬件仿真平臺(tái)框架。介紹了綜合仿真平臺(tái)的整體框 架，給出了深空通信系統(tǒng)鏈路級(jí)，網(wǎng)絡(luò)級(jí)以及軟硬件協(xié)同仿真的框架和仿真對(duì)象。 在此基礎(chǔ)上給出了硬件仿真平臺(tái)的仿真對(duì)象及系統(tǒng)框架。 第三章：硬件仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)要介紹了a d s p t s 2 0 1 的結(jié)構(gòu)及性 能指標(biāo)，并描述了硬件仿真平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)及子板和母板的具體設(shè)計(jì)方案。 第四章：硬件仿真平臺(tái)數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)與具體實(shí)現(xiàn)。在第三章基礎(chǔ)上，給出了 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)，包括p c 接口，d s p 之間數(shù)據(jù)通路，d s p 與f p g a 之間的數(shù) 據(jù)通路以及對(duì)應(yīng)接收發(fā)送器口設(shè)計(jì)。 第二章綜合仿真平臺(tái)及硬件仿真平臺(tái)框架 5 第二章綜合仿真平臺(tái)及硬件仿真平臺(tái)框架 2 1 引言 隨著通信技術(shù)的發(fā)展，在計(jì)算機(jī)上建立通信系統(tǒng)的模型，通過(guò)模擬系統(tǒng)的工 作過(guò)程和狀態(tài)來(lái)分析和評(píng)價(jià)系統(tǒng)的性能，在通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程中已起著 越來(lái)越重要的作用。而由于深空通信場(chǎng)景的特殊性，建立一個(gè)仿真平臺(tái)是進(jìn)行深 空通信技術(shù)研究的必要條件。目前國(guó)外在通信系統(tǒng)仿真領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究， 并形成了一個(gè)專(zhuān)門(mén)的研究領(lǐng)域。目前已有很多通信系統(tǒng)仿真平臺(tái)和仿真軟件包， 例如s p w ，c o s s a p ，c c s s ，o p n e t ，n s 2 ，v c c ，c o m 卜厄t ，m a r s ，n e t s i m ， r e a l 等。 針對(duì)地球與火星間通信這一典型應(yīng)用背景，分別建立基于鏈路和網(wǎng)絡(luò)的仿真 數(shù)據(jù)庫(kù)，并建立一個(gè)深空通信系統(tǒng)軟件仿真平臺(tái)。同時(shí)，為保證可靠地驗(yàn)證通信 系統(tǒng)的性能，還需要搭建硬件仿真平臺(tái)，對(duì)圖像信源編碼，信道糾錯(cuò)編碼以及調(diào) 制解調(diào)進(jìn)行軟硬件協(xié)同仿真。 2 2 1 系統(tǒng)概述 2 2 綜合仿真平臺(tái)總體框架 綜合仿真平臺(tái)包含2 部分：鏈路級(jí)仿真和網(wǎng)絡(luò)級(jí)仿真。鏈路級(jí)仿真描述傳輸 系統(tǒng)的編解碼，調(diào)制解調(diào)，信道模型等；網(wǎng)絡(luò)級(jí)仿真包括信息格式，傳輸協(xié)議， 交換，路由，流量控制及網(wǎng)絡(luò)控制等問(wèn)題。 將深空通信各關(guān)鍵部分( 即信源編解碼、信道編解碼和調(diào)制解調(diào)部分) 模塊 化，通過(guò)提供各部分的仿真數(shù)據(jù)模型庫(kù)以及多種參數(shù)設(shè)置和接口設(shè)置，使整個(gè)仿 真平臺(tái)具有很強(qiáng)的靈活性。在仿真平臺(tái)的建立過(guò)程中，針對(duì)地球與火星間通信這 一典型應(yīng)用背景，使用c 語(yǔ)言和n s 2 ( t c l ) 編程，分別建立基于鏈路和網(wǎng)絡(luò)的仿 真數(shù)據(jù)庫(kù)，并將各模塊通過(guò)軟件連接構(gòu)成深空通信系統(tǒng)。進(jìn)一步，用深空通信系 統(tǒng)中各關(guān)鍵部分的硬件模塊來(lái)替代軟件中的對(duì)應(yīng)模塊，構(gòu)成綜合仿真演示平臺(tái)， 以便更可靠地驗(yàn)證系統(tǒng)的性能。在仿真平臺(tái)的使用過(guò)程中，通過(guò)對(duì)多種方法進(jìn)行 比較、研究和測(cè)試，得到綜合性能最優(yōu)的方法。同時(shí)通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來(lái) 評(píng)估系統(tǒng)方案的實(shí)際性能。還可通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的理論解釋和分析來(lái)保證其可靠 性，爭(zhēng)取進(jìn)一步獲取系統(tǒng)優(yōu)化的空間，最終使系統(tǒng)的整體有效性和可靠性得到提 高。 6 深空通信仿真系統(tǒng)硬件平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn) 2 2 2 深空通信系統(tǒng)的鏈路級(jí)仿真 深空通信系統(tǒng)的鏈路級(jí)仿真平臺(tái)原理框圖如圖2 1 所示。 圖2 1 深空通信系統(tǒng)中的鏈路級(jí)仿真 深空通信系統(tǒng)的鏈路級(jí)仿真主要包括四部分，分別為：圖像信源編解碼模塊、 信道編解碼模塊、調(diào)制解調(diào)模塊以及信道模塊。每個(gè)模塊具有自己的參數(shù)，在仿 真平臺(tái)中可由用戶(hù)設(shè)置。同時(shí)每個(gè)模塊具有輸入、輸出接口，確保數(shù)據(jù)的正確傳 輸。 圖像信源編、解碼模塊主要仿真基于干涉多光譜圖像的壓縮編、解碼。其中 基于內(nèi)嵌的幀內(nèi)圖像編碼包括壓縮比、小波基類(lèi)型、小波變換級(jí)數(shù)等參數(shù)；基于 小波域模板匹配的幀間編碼包括模板的塊尺寸參數(shù)。r o i 編碼包括感興趣區(qū)域的 坐標(biāo)和提升系數(shù)等參數(shù)。 信道編、譯碼模塊包括t u r b o 碼和l d p c 碼的編、譯碼模塊，其中t u r b o 碼參 數(shù)包括交織器參數(shù)、分量碼參數(shù)和刪余矩陣參數(shù)。l d p c 碼包括h 矩陣設(shè)計(jì)參數(shù)。 調(diào)制、解調(diào)模塊包括s r r cb p s k 、網(wǎng)格編碼o q p s k 、c p m 以及多層t c m 調(diào)制解調(diào)方法。可調(diào)參數(shù)包括脈沖波形類(lèi)型、信號(hào)星座類(lèi)型、碼率分配參數(shù)。 信道模塊包括建立理論信道模型，以及根據(jù)已有美國(guó)m e r 、m r o 等數(shù)據(jù)和 將從國(guó)內(nèi)外收集到的深空通信接收信號(hào)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到理論模型的參數(shù) ( 包括衰落因子、損耗、多普勒頻移等) 。 對(duì)于地球與火星間通信這一典型應(yīng)用的信道模型，我們通過(guò)對(duì)m e r 通信系統(tǒng) 的分析和對(duì)若干實(shí)際信號(hào)的觀察與分析，可定義為具有衰落特性的變參a w g n 信 道模型( a w g n ) 。 在v p a w g n 信道下，接收信號(hào)可以表示為： r m r f 、 1 r ( f ) = r e 口月( f ) 掰玎( f ) x p f 胛( f ) k 弘m 付也o 卜b o 刀 式( 2 1 ) ln = oj 其中a 。( ，) 是衰落因子，m 。( r ) 是損耗( 路徑損耗) ，f v ( f ) 是多普勒頻移。，l 為n 接收信號(hào)的多徑數(shù)目。 第二章綜合仿真平臺(tái)及硬件仿真平臺(tái)框架 其復(fù)基帶等效信號(hào)為： n ( n y ( f ) = 。( f ) p 嘶巾x ( t r 。( f ) ) 式( 2 - 2 ) n = 0 其中尾( f ) 是依賴(lài)于損耗，t p ( t ) 依賴(lài)于時(shí)延和多普勒頻移。 由于地球和火星都是太陽(yáng)的行星，因此地球和火星間進(jìn)行通信的信道會(huì)受到 太陽(yáng)帶電粒子的影響，地球上的接收信號(hào)會(huì)出現(xiàn)幅度衰落和信號(hào)頻譜展寬現(xiàn)象。 地球與火星之間的距離越遠(yuǎn)( 即信道中帶電粒子的密度越大) ，這種現(xiàn)象越嚴(yán)重。 考慮多普勒頻移后，接收信號(hào)表現(xiàn)為時(shí)變衰落。 為了抵抗太陽(yáng)帶電粒子造成的這種影響，需要采用分集接收技術(shù)( 包括空間、 頻率、時(shí)間、極化分集) 。美國(guó)m e r 通信系統(tǒng)中就分別采用了這些分集接收技術(shù)。 其中空間分集是利用多個(gè)地面天線(xiàn)來(lái)達(dá)到的，時(shí)間分集通過(guò)糾錯(cuò)編碼與交織技術(shù) 來(lái)達(dá)到。 2 2 3 深空通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)級(jí)仿真 深空通信系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)級(jí)仿真建立在鏈路級(jí)仿真基礎(chǔ)上，在相同的情況下針 對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行仿真。深空通信的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)模型框圖如圖 2 2 所示。 磊磊n 磊i 1 匿：乩竺! 竺。土于叫。二二。竺! 竺。：jl ；i 。：二二二。二_ l ：。二。二：二_ 圖2 2 深空通信系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)級(jí)仿真 如圖2 2 所示，深空通信系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)級(jí)仿真主要包括：傳統(tǒng)t c p i p 的性能 分析；集束層協(xié)議模塊；應(yīng)用層協(xié)議( f d p ) 模塊和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠K。每個(gè)協(xié)議模塊 都有自己的參數(shù)，在仿真平臺(tái)中可自由配置。重點(diǎn)對(duì)集束層協(xié)議的集束路由、集 束托管傳輸、集束端到端可靠連接等多種服務(wù)協(xié)議進(jìn)行仿真，并對(duì)應(yīng)用層協(xié)議 深空通信仿真系統(tǒng)硬件平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn) ( f d p ) 的性能進(jìn)行仿真。 以火星至地球表面的通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為倒，如圖2 3 所示，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型 時(shí)應(yīng)注意以下三個(gè)方面問(wèn)題： 1 地球和火星表面本地網(wǎng)絡(luò)的靜止或相對(duì)運(yùn)動(dòng) 2 火星探測(cè)器與火星低軌衛(wèi)星之間的短時(shí)延中繼通信 3地球和深空骨干網(wǎng)中的長(zhǎng)時(shí)延傳輸 _ 2 、_ 、a e 圈、 圖2 3 火星至地球通信阿絡(luò)結(jié)構(gòu) 2 2 4 深空通信系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同仿真 在軟硬件協(xié)同仿真系統(tǒng)中，硬件仿真平臺(tái)將進(jìn)行包括圖像信源編解碼，信道 糾錯(cuò)編解碼，調(diào)制解調(diào)器等模塊的仿真。 冒些心 # * * ) = 叁q 目* 口* * 日#m m “镕* 目# * 月$ q 圖24綜合仿真演示平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖 整個(gè)仿真流程為：原始圖像數(shù)據(jù)首先從數(shù)據(jù)源( 計(jì)算機(jī)或相機(jī)) 進(jìn)入圖像信 源編碼器，得到編碼后的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘，送入信道糾錯(cuò)編碼器，再經(jīng)過(guò)調(diào)制器得到 7 0 m i - l z 的已調(diào)中頻信號(hào)，在進(jìn)行鏈路級(jí)仿真時(shí)，直接送入信道模擬器( 它模擬深 空信道并加入噪聲) ：進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)級(jí)仿真時(shí)，該己調(diào)中頻信號(hào)通過(guò)采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī) a ， p - c “嘲 s o c i n t r f e o o j 值g p o r t i n l m r u p t s i 日雌 k - b u m 培鶘 $ 國(guó)哺 八 l l 目 l 篇警 - f ：微 i ) “ pc寫(xiě)。蠶mpu“黧locksnfwgera l u s u n o a - u 。0 卜 e il ik = = ：= ：= ： j q n r r 叼i _ b m 圖4 6 鏈路口的s o c 總線(xiàn)連接 由圖中可知，對(duì)鏈路口寄存器的訪(fǎng)問(wèn)是跨時(shí)鐘域的操作。 每個(gè)鏈路口都有2 個(gè)獨(dú)立的端口，發(fā)送端和接收端。發(fā)送端通道的緩沖寄存 器深度為2 ，接收端的緩沖寄存器深度為3 l b u f t x x 和l b u f r x x 有效位寬2 8 b i t ， 是映射在d s p 地址空間中的通用寄存器。移位寄存器( s h i f tr e g i s t e r ) 不能被用戶(hù) 直接訪(fǎng)問(wèn)。如圖4 7 為鏈路口的結(jié)構(gòu)。 深空通信仿真系統(tǒng)硬件平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn) s o cb u s 圖4 7 鏈路口結(jié)構(gòu) 鏈路口的端口信號(hào)： l x d a l d 3 0 p - 數(shù)據(jù)發(fā)送l s 信號(hào)的p 端 l x d a t 0 3 0 n - 數(shù)據(jù)發(fā)送l v d s 信號(hào)的n 端 l x c l k o u t p ：輸出時(shí)鐘l v d s 信號(hào)的p 端 l x c l k o u t n ：輸出時(shí)鐘l v d s 信號(hào)的n 端 l x a c k i ：傳輸應(yīng)答信號(hào)，接收端通過(guò)這個(gè)信號(hào)通知發(fā)送端可以發(fā)送數(shù)據(jù) l x b c m o ：數(shù)據(jù)塊完成信號(hào)。 l x d a t l 3 o p ：數(shù)據(jù)接收l(shuí) v d s 信號(hào)的p 端 l x d a t l 3 o n 數(shù)據(jù)接收l(shuí) v d s 信號(hào)的n 端 l x c l k 小m ：輸入時(shí)鐘l v d s 信號(hào)的p 端 l x c l k i n n ：輸入時(shí)鐘l v d s 信號(hào)的n 端 l x a c k o - 接收應(yīng)答信號(hào)。接收端通過(guò)這個(gè)信號(hào)通知發(fā)送端傳輸繼續(xù)進(jìn)行 l x b c m p i ：接收塊完成信號(hào) 每條鏈路都支持全雙工通信。發(fā)送和接收通道最大并行寬度為4 b i t s 。l x a c k i ， l x c l k o 為握手信號(hào)，控制數(shù)據(jù)傳輸。l x b c m p i 和l x b c m p o 用于標(biāo)志當(dāng)前傳輸 是否完成。鏈路口連接關(guān)系為 4 #。螄 j ，jl x d a t o o p l x d a t i o p 煮 il ) d a t o o n ， l x d 氏飛、q 媳j ， ；： ；l x c l k o u t pl x c l k i n pi l ： l x c l k o u 即嗨l x c l k i n n ； # 。 ；lxackil x a , c k o ； ：+ l x b c n 嬋ol x b c i 。； 圖4 8 鏈路口連接關(guān)系 第四章硬件仿真平臺(tái)中數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2 9 4 3 2 鏈路口的數(shù)據(jù)傳輸 鏈路口的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)讀寫(xiě)傳輸緩沖寄存器完成。鏈路口的發(fā)送接收緩沖寄 存器為l b u f t x x 和l b u f r x x ，狀態(tài)和控制寄存器為l r c t l x ，l t c t l x ， l r s t a t x ，l t s t a t x ，l r s t a t c x ，l t s t a t c x ( 以上寄存器名中x 代表o ，1 ，2 ， 3 。 在傳輸過(guò)程中，在一個(gè)字的傳輸完成，移位寄存器為空時(shí)，用戶(hù)寫(xiě)入到傳輸 緩沖寄存器的數(shù)據(jù)被復(fù)制到移位寄存器中，依次被發(fā)送到鏈路口上。接收端的移 位寄存器接收由發(fā)送端發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并自動(dòng)完成拼接。當(dāng)接收到一個(gè)完整的 字后，將移位寄存器中的數(shù)據(jù)復(fù)制到接收緩沖存儲(chǔ)器。 鏈路口數(shù)據(jù)傳輸有2 種方式。( 1 ) 通過(guò)檢測(cè)狀態(tài)寄存器，并配置控制寄存器， 程序手動(dòng)裝載和讀取數(shù)據(jù)傳輸緩沖寄存器。( 2 ) 通過(guò)鏈路口d m a 實(shí)現(xiàn)。后一種方 式使用方便，且效率高，本系統(tǒng)中主要采用d m a 方式的鏈路口傳輸。 每一路鏈路口都有2 個(gè)d m a 通道，一個(gè)通道用于發(fā)送，另一個(gè)通道用于接收。 d m a 通道能夠與內(nèi)部存儲(chǔ)器，外部存儲(chǔ)器，其他鏈路口或映射于地址空間的外設(shè) 相連接。當(dāng)l b u f t x x 寄存器空，d m a 被使能時(shí)，鏈路口向發(fā)送d m a 提出發(fā)送 服務(wù)請(qǐng)求。當(dāng)一個(gè)1 2 8 位的字被接收，即當(dāng)l b u f r x x 寄存器滿(mǎn)時(shí)，鏈路口向接 收d m a 發(fā)出接收請(qǐng)求。 d m a 傳輸配置通過(guò)對(duì)傳輸控制塊( t r a n s f e rc o n t r o lb l o c kt c b ) 寫(xiě)入相應(yīng)的 值完成。t c b 由4 個(gè)字( w o r d ，3 2 b i t ) 組成，分別是d i ，d x ，d y ，d p 。發(fā)送 t c b 中包含以下信息：源數(shù)據(jù)的地址d i ，需要傳輸?shù)淖值膫€(gè)數(shù)( d x d y ) ，地址增 量( d x d y ) 以及控制位( d p ) 。接收t c b 包含數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康牡刂? d i ) ，接 收字的個(gè)數(shù)( d x d y ) ，地址增量( d ) ( 7 d y ) 以及控制位( d p ) 。 4 4f p g a 與a d s p t s 2 0 1 之間數(shù)據(jù)通路 4 4 1l v d s 電平標(biāo)準(zhǔn)和f p g a 專(zhuān)用差分信號(hào)接口 a d s p t s 2 0 1 的鏈路口采用l v d s 電平標(biāo)準(zhǔn)。l v d s 是一種低擺幅的差分信號(hào)， 通過(guò)平衡互聯(lián)線(xiàn)( p c b 走線(xiàn)或電纜) 傳輸，具有強(qiáng)的共模噪聲抑制能力和低功耗。 l v d s 的傳輸包含3 部分，發(fā)送模塊，接收模塊，互聯(lián)線(xiàn)( 包括匹配電阻) 。如圖 4 9 所示為l ) s 傳輸結(jié)構(gòu)圖。 l v d s 發(fā)送模塊由一個(gè)3 6 m a 的差分電流源組成，接收器具有高阻抗，需要 在接收端口上接一個(gè)1 0 0 q 的匹配電阻，因此在接收端上電壓擺幅大約為3 5 0 m v 。 3 0 深空通信仿真系統(tǒng)硬件平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn) t r a n s h 盯r 1 1 m 肛位 v l m i x d a t 0 3 - 4 1 p l x d a t l 3 - 0 p i n k d a m o u t p u t 炎享霉 l x d a t 0 3 - o n l x d a t l 3 - 0 n 圖4 9l v d s 信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)圖 a d s p t s 2 0 1 的鏈路口的接收端有內(nèi)置1 0 0q 的匹配電阻，因此在d s p 之間 互聯(lián)時(shí)不需要額外掛接匹配電阻r t 。但是在d s p 與f p g a 或其他器件相接時(shí)，器 件內(nèi)部不一定有終端匹配電阻，因此在本系統(tǒng)中，需要在f p g a 的差分信號(hào)接收 端引腳附近放置1 0 0 q 的匹配電阻。 在本系統(tǒng)所采用的x i l i n x 公司的f p g a ：x c 2 v p 4 和x c 2 v p 4 0 都直接支持 l v d s 電平標(biāo)準(zhǔn)。并且在這兩款f p g a 的l o b 中，還包含了一個(gè)l v d s 電流式驅(qū) 動(dòng)和數(shù)字控制阻抗( d i g i t a l l yc o n t r o l l e di m p e d a n c e ) 模塊，使得在l v d s 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳 輸時(shí)，不需要外部匹配電阻，方便了p c b 設(shè)計(jì)。 如下圖所示為x i l i n x 提供的支持l v d s 的輸入數(shù)據(jù)或時(shí)鐘的硬件原語(yǔ)。 j a l j 圖4 10i b u f d s i b u f g s 和o b u f d s o b u f g s 由于在輸入時(shí)要求有1 0 0 q 的終端匹配電阻，且在v i r t e x i ip r o 系列f p g a 中 在差分輸入b u f f e r 上提供1 0 0q 的差分終端( d i f f e r e n t i a lt e r m i n a t i o nd t ) 因此，選用 m u f d sl v d s2 5d t 作為數(shù)據(jù)輸入b u f f e r ，i b u f g d sl v d s2 5d t 作為時(shí)鐘輸 入b u f f e r 。采用o b u f d sl v d s2 5 作為輸出b u f f e r 。在使用時(shí)將對(duì)應(yīng)的硬件原語(yǔ) 直接例化到程序中即可。 圖4 1 1f p g a 中差分信號(hào)傳輸示意圖 例化時(shí)要指明i o 電平標(biāo)準(zhǔn)i o s t a n d a r d ( “l(fā) v d s 一2 5 d t ，) 。 第四章硬件仿真平臺(tái)中數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 3 1 4 4 2 鏈路口數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序 鏈路口的通信通過(guò)每個(gè)傳輸方向( 發(fā)送或接收) 上1 或4 組數(shù)據(jù)線(xiàn)以及3 根 控制線(xiàn)，在時(shí)鐘的節(jié)拍下完成。在l b i t 寬度模式下，l x d a t i o p n 和l x d a t o o p n 用于數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)鏈路口通道使用l x c l k o u t p n ，l x a c k i ，l x c l k i n p n 和 l x a c k o 控制數(shù)據(jù)傳輸，l x b c m p i 和l x b c m p o 信號(hào)用于標(biāo)志當(dāng)前緩沖區(qū)的傳輸 是否完成。 在鏈路口數(shù)據(jù)傳輸中，有3 個(gè)固定的要求： ( 1 ) 第一組數(shù)據(jù)( 1 b i t 或4 b i t s ) 總是在鏈路口時(shí)鐘的上升沿傳輸。 ( 2 ) 最后一組數(shù)據(jù)( 1 b i t 或4 b i t ) 總是在鏈路口時(shí)鐘的下降沿傳輸。 ( 3 ) 當(dāng)鏈路口空閑時(shí)，l x c l k o u t p 被拉低。 最小的數(shù)據(jù)傳輸單位為1 個(gè)四字( q u a dw o r d ，1 2 8 b i t s ) 。當(dāng)采用4 位寬傳輸時(shí)， 一個(gè)四字只需1 6 個(gè)時(shí)鐘周期傳完，當(dāng)采用1 位寬傳輸時(shí)，需要6 4 個(gè)時(shí)鐘周期。 如圖4 1 2 所示為4 字寬度下的數(shù)據(jù)傳輸： 卜l b u f r x x l b u f t x xd 1 2 7 07 習(xí) b 州 i ：? i ? # ? 糍a l x d a t a 0 3 - 0 圖4 1 24 b i t 寬度鏈路口數(shù)據(jù)傳輸 當(dāng)檢測(cè)到l x a c k i 信號(hào)為高時(shí)，當(dāng)前接收b u f f e r 為空，發(fā)送端將發(fā)起傳輸。 在l x c l k o u t p 的第一個(gè)上升沿到來(lái)前，第一個(gè)數(shù)據(jù)單元已經(jīng)準(zhǔn)備好，即接收端 可以在上升沿到來(lái)時(shí)檢測(cè)到穩(wěn)定的l x d a t a 0 3 0 上的數(shù)據(jù)。在l x c l k o u t p 最后 ( 在一次傳輸中) 一個(gè)下降沿到來(lái)時(shí)，最后一個(gè)數(shù)據(jù)單元以已經(jīng)準(zhǔn)備好，保證接 收端可以在該沿采到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。 鏈路口傳輸協(xié)議支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)。當(dāng)l r c t l x 寄存器中r v e r e 位和 l t c t l x 寄存器中的t v e r e 位都置位時(shí)，在一個(gè)四字傳輸結(jié)束后會(huì)傳輸一個(gè)校驗(yàn) 和( c h e c k s u m ) 字。 當(dāng)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的2 個(gè)處理器之間傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度往往是不確定的。 在鏈路口傳輸時(shí)，在一些情況下接收端無(wú)法預(yù)知發(fā)送端將要發(fā)送的數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度。 因此，發(fā)送端通過(guò)l x b c m p o 信號(hào)通知接收端當(dāng)前數(shù)據(jù)塊是否已經(jīng)傳輸結(jié)束。在 正常使用時(shí)，l x b c m p o 信號(hào)應(yīng)該接到接收端的l x b c m p i 輸入信號(hào)上，當(dāng)接收端 收到該信號(hào)有效時(shí)，標(biāo)志著塊傳輸?shù)慕Y(jié)束。此時(shí)，即使d m a 通道的傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 3 2 深空通信仿真系統(tǒng)硬件平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn) 計(jì)數(shù)器沒(méi)有計(jì)完，當(dāng)前傳輸也要結(jié)束。l x b c m p o 信號(hào)在塊結(jié)束時(shí)的最后一個(gè)四字 傳輸?shù)牡谝粋€(gè)l x c l k o u t 的上升沿置為有效( 0 ) ，在這個(gè)四字傳輸?shù)淖詈笠粋€(gè)時(shí) 鐘的下降沿置為無(wú)效( 1 ) 。如圖4 1 3 所示。 l a s tq u a dw o r di nt h ec u r r e n tb l o c k l x c l k o u t 幾幾瓢幾n l x d a t a 0 3 - 0 l x b c m p o 廠(chǎng) 圖4 1 3l x b c m p o 置位 4 4 3f p g a 發(fā)送接收模塊設(shè)計(jì) 在本系統(tǒng)中，需要完成a d s p t s 2 0 1 的鏈路口與v i r t e x i if p g a 之間的接口。 需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的口核完成鏈路口數(shù)據(jù)的收發(fā)。p 核的時(shí)序必須符合鏈路口傳輸協(xié) 議的要求。 ( 1 ) 接收器p 的設(shè)計(jì)： 由于鏈路口信號(hào)均為差分信號(hào)，因此需要使用i b u f d sl v d s2 5 將差分信號(hào) 轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)。將所有的數(shù)據(jù)線(xiàn)和時(shí)鐘線(xiàn)都經(jīng)過(guò)i b u f d sl v d s2 5 的轉(zhuǎn)換( 單 端的控制信號(hào)，包括l x b c m p o ，l x a c k o 等不需要轉(zhuǎn)換) 后，在f p g a 內(nèi)部將 鏈路口信號(hào)全部作為單端信號(hào)處理。 鏈路口數(shù)據(jù)傳輸采用的雙倍數(shù)據(jù)速率( d o u b l ed a t ar a t ed d r ) ，即在時(shí)鐘的 上升沿和下降沿均采數(shù)據(jù)。因此，設(shè)計(jì)的接收器d 的框架圖如圖4 1 4 所示。 在系統(tǒng)中用到2 個(gè)4 位寬的異步f i f o ，深度根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和鏈路口時(shí)鐘頻 率調(diào)整。其中f i f 0 0 用于接收并緩存在l x c l k i n 的上升沿打出來(lái)的數(shù)據(jù)，寫(xiě)時(shí)鐘 為l x c l k i n ，讀時(shí)鐘為系統(tǒng)時(shí)鐘( 頻率應(yīng)與l x c l k i n 相同或更高) 。f i f 0 1 用于 接收并緩存在l x c l k i n 的下降沿打出來(lái)的數(shù)據(jù)，寫(xiě)入時(shí)鐘為l x c l k i n 的反向時(shí) 鐘，讀時(shí)鐘為系統(tǒng)時(shí)鐘?？刂七壿嬘糜诳刂普麄€(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)，包括l x a c k o 與 l x b c m p i 信號(hào)狀態(tài)的檢測(cè)，f i f o 的讀寫(xiě)使能控制，f i f o 的滿(mǎn)空等標(biāo)志的檢測(cè)。 c o m b i n eb u f f e r 用于將f i f 0 0 和f i f 0 1 兩個(gè)緩存的數(shù)據(jù)( 分別對(duì)應(yīng)鏈路口時(shí)鐘的上 升沿和下降沿打出的數(shù)據(jù)) 拼接成一個(gè)8 位的b y t e 。在讀取f i f 0 0 和f i f 0 1 時(shí)應(yīng) 按照如下規(guī)則讀取：當(dāng)兩個(gè)f i f o 的空信號(hào)都為無(wú)效時(shí)，才能從這兩個(gè)f i f o 中同 時(shí)讀取數(shù)據(jù)，每讀取其中一個(gè)f i f 0 0 中的數(shù)，必須要同時(shí)讀取一個(gè)f i f 0 1 中的數(shù)。 第四章硬件仿真平臺(tái)中數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 3 3 l x a c k o 警，一 f l a g s l x b c 口i 。 l c j l x c l k f n pk l l x c l k d 仆i戶(hù) i l d i n l ，s y a f l l 曼 l t j ：l 1 嗣 s v 3 i c n 【 d o u t 。j 。，j ，j 、象 x d a t a l 3 ：0 p j “。 e 川她 。7 。 d a t a 伽 - - - 上 x d a t a l 3 ：0 n少 秈l 廠(chǎng) ；，爭(zhēng)j ： k f v一* d ” ，7 伽盤(pán)噸 l 、r ，da f ；r 、t t l r 。一“”一| 圖4 1 4 鏈路口接收器p ： 的寫(xiě)入數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度為8 ，讀出數(shù)據(jù)總線(xiàn)的寬度為3 2 寫(xiě)入 的字節(jié)數(shù)據(jù)自動(dòng)拼接成3 2 位的字。使用開(kāi)發(fā)環(huán)境集成的 生成，設(shè)置參數(shù)滿(mǎn)足位寬和速率的要求。寫(xiě)入的8 位寬 數(shù)據(jù)自動(dòng)在內(nèi)部完成拼接。在讀時(shí)，讀出的數(shù)據(jù)既為恢復(fù)出來(lái)的 鏈路口發(fā)送數(shù)據(jù)。 ( 2 ) 發(fā)送器p 的設(shè)計(jì) 接收器口設(shè)計(jì)需要用到寄存器。在 的 中有專(zhuān)用的輸入，輸出和三態(tài)寄存器，在發(fā)送器p 設(shè)計(jì)中，需要使用輸出 寄存器。輸出寄存器由2 個(gè)普通寄存器組成，這兩個(gè)寄存器分別在2 條通路上，被一對(duì)相差。的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。相差 。的時(shí)鐘由生成。如圖 4 1 5 為輸出d d r 觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和波形。 圖4 1 5 輸出結(jié)構(gòu)圖及其波形 和為一組相差為18 0 。的時(shí)鐘， 和 為的2 路輸入數(shù)據(jù)( 上升沿和下降沿) 。為使能端， 為置位端， 為復(fù)位清端。選擇q 2 或q 1 作為的輸出。 在開(kāi)發(fā)環(huán)境中集成的庫(kù)中，我們選用原語(yǔ)作為 輸出觸發(fā)器。需要利用輸出寄存器設(shè)計(jì)時(shí)序，使之滿(mǎn)足如圖4 1 2 和圖4 1 3 的要求，首先，需要采用生成3 個(gè)時(shí)鐘，相位如圖4 1 6 所示： 3 4 深空通信仿真系統(tǒng)硬件平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn) 出8 0 l 廠(chǎng) 廠(chǎng) 廠(chǎng) 廠(chǎng) c l k 9 0 。一廠(chǎng) 廠(chǎng) 廠(chǎng)_ 廠(chǎng) 一 圖4 1 6d d r 所需時(shí)鐘相位關(guān)系 要使發(fā)送器所生成的時(shí)序滿(mǎn)足鏈路口傳輸協(xié)議，首先必須滿(mǎn)足( 1 ) 第一組數(shù) 據(jù)總是在鏈路口時(shí)鐘的上升沿傳輸，( 2 ) 最后一組數(shù)據(jù)總是在鏈路口時(shí)鐘的下降 沿傳輸，( 3 ) 當(dāng)鏈路口空閑時(shí)，l x c l k o u t p 被拉低。 條件1 ，2 可以由d d r 觸發(fā)器完成，只要給入的數(shù)據(jù)為1 2 8 位寬，保證第一 個(gè)l x c l k o u t p 傳輸?shù)谝粋€(gè)數(shù)據(jù)單元，在一個(gè)4 字傳輸過(guò)程中不中斷，即可滿(mǎn)足 條件1 ，2 對(duì)于條件3 ，由于我們使用e l k 9 0 作為l x c l k o u t p l x c l k o u t n c l k 9 0 為 d c m 生成，一直有效，因此，需要加入門(mén)控時(shí)鐘。如圖4 1 7 所示為門(mén)控時(shí)鐘的門(mén) 控信號(hào)示意圖。 c i k o 廠(chǎng) 廠(chǎng) l 廠(chǎng)廠(chǎng) c l k 9 0 廠(chǎng)廠(chǎng)一一一 廠(chǎng) l x d a t a ( 二至三三二二) ( 二二三三三 圈三至三三三弓三至三三三9 三 c l kg a t e jl 圖4 1 7 門(mén)控信號(hào)e l kg a t e 示意圖 e l kg a t e 信號(hào)與e l k 9 0 信號(hào)下降沿同步，并用e l kg a t e 門(mén)控e l k 9 0 ，生成 l x c l