基于網(wǎng)絡(luò)的高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)輸出方案設(shè)計(jì)-第1篇

1、 基于網(wǎng)絡(luò)的高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)輸出方案設(shè)計(jì) 史本忠+王萬(wàn)玉+毛偉+何元春+劉智摘 要：針對(duì)遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)輸出的技術(shù)需求，提出了基于網(wǎng)絡(luò)的高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)輸出技術(shù)方案。采用交換式以太網(wǎng)構(gòu)建遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)解調(diào)器解調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的輸出架構(gòu)，提出了高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議，并通過(guò)配置IP地址的方式建立了一對(duì)一或一對(duì)多的連接線路，從而實(shí)現(xiàn)了高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)流的可靠、實(shí)時(shí)輸出。該方案設(shè)計(jì)已用于工程項(xiàng)目中，測(cè)試結(jié)果表明該方案合理可行。Key：遙感衛(wèi)星；數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)；高碼速；解調(diào)基帶數(shù)據(jù)；網(wǎng)路輸出：TN961 ：A ：2095-1302（2016）11-00-030 引 言隨著國(guó)內(nèi)外遙感衛(wèi)星有

2、效載荷分辨率（包括高時(shí)間分辨率、高空間分辨率、高輻射分辨率、高光譜分辨率等）的不斷提高，其在相同時(shí)間獲取的原始數(shù)據(jù)量倍增，寬帶高速傳輸已成為星地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)谋厝悔厔?shì)1-3。如美國(guó)GeoEye衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸速率為740 Mb/s，QuickBird衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)800 Mb/s4；我國(guó)的高分專項(xiàng)相關(guān)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸碼速率為800 Mb/s，后續(xù)衛(wèi)星將達(dá)到1.5 Gb/s。目前國(guó)內(nèi)外遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)解調(diào)器解調(diào)數(shù)據(jù)的輸出多采用串行碼流方式，電氣接口一般為ECL，其缺點(diǎn)是不適合長(zhǎng)距離高碼速數(shù)據(jù)的傳輸。接收數(shù)據(jù)碼速率的提高，使得采用上述傳輸方式的缺點(diǎn)更為突出。網(wǎng)絡(luò)傳輸具有傳輸距離長(zhǎng)、碼速性能好等優(yōu)點(diǎn)，

3、將成為遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)解調(diào)器解調(diào)數(shù)據(jù)輸出的發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)輸出的技術(shù)需求，采用交換式以太網(wǎng)構(gòu)建遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)解調(diào)器解調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)輸出架構(gòu)，提出了高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議；選用TCP/IP協(xié)議，將解調(diào)器作為T(mén)CP服務(wù)器端，數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器作為遠(yuǎn)程TCP客戶端需要連接解調(diào)器，通過(guò)配置IP地址的方式建立一對(duì)一或一對(duì)多的連接線路，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)流的輸出，并對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。1 遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)簡(jiǎn)介遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)主要由天饋伺分系統(tǒng)、跟蹤接收分系統(tǒng)、記錄與快視分系統(tǒng)、測(cè)試分系統(tǒng)、站任務(wù)管理與監(jiān)控分系統(tǒng)、技術(shù)支持分系統(tǒng)組成5。遙感衛(wèi)星地面接收系

4、統(tǒng)組成圖如圖1所示。圖1 遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)組成圖數(shù)據(jù)接收工作流程6：系統(tǒng)穩(wěn)定跟蹤后，X或S頻段饋源產(chǎn)生的和信號(hào)經(jīng)下變頻后送到解調(diào)器。解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)及相應(yīng)譯碼，通過(guò)ECL或網(wǎng)絡(luò)方式輸出I、Q合路與分路的衛(wèi)星基帶數(shù)據(jù)至記錄與快視分系統(tǒng)。采用基帶數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)或網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行解調(diào)器與數(shù)據(jù)記錄設(shè)備的任意組合、切換，實(shí)現(xiàn)解調(diào)器與數(shù)據(jù)記錄設(shè)備的熱備份能力。其數(shù)據(jù)接收流程圖如圖2所示。2 高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)輸出方案設(shè)計(jì)2.1 網(wǎng)絡(luò)輸出架構(gòu)高速解調(diào)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力主要由解調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)輸出能力、系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)交換能力及可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議決定。依據(jù)遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)所接收的遙感數(shù)據(jù)碼速率要求，解調(diào)器網(wǎng)絡(luò)輸出能力一

5、般選千兆網(wǎng)或光纖口。采用千兆網(wǎng)（網(wǎng)絡(luò)連接器RJ-45、連接線Cat-5e或Cat-6）或10 Gb/s的光纖（網(wǎng)絡(luò)連接器LC，連接線根據(jù)萬(wàn)兆網(wǎng)卡選擇單模或多模光纖）構(gòu)建遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)解調(diào)器解調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)輸出架構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多采用交換式以太網(wǎng)。交換式以太網(wǎng)以交換機(jī)為中心構(gòu)成，是一種星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，交換機(jī)采用存儲(chǔ)交換方式，交換機(jī)背板帶寬可以保證端到端的信息傳輸能力?？筛鶕?jù)系統(tǒng)中配置的高速解調(diào)器的數(shù)量選配合適的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，以保證高速解調(diào)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。常用的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議為UDP/IP和TCP/IP。（1）UDP/IP為無(wú)連接協(xié)議，簡(jiǎn)單、傳輸效率高，數(shù)據(jù)報(bào)模式，傳輸不可靠，無(wú)法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻?/p>

6、序，可能丟包；（2）TCP/IP為基于連接的協(xié)議，有一定的傳輸時(shí)延（特別當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較差時(shí)），流模式，可靠傳輸協(xié)議，可保證數(shù)據(jù)的傳輸順序。高速解調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸一般要求數(shù)據(jù)有序、可靠，因此選用TCP/IP協(xié)議。服務(wù)器端與客戶端數(shù)據(jù)交換使用TCP-IP協(xié)議。解調(diào)數(shù)據(jù)包括解調(diào)器解調(diào)之后的原始數(shù)據(jù)及同步數(shù)據(jù)，用于后續(xù)數(shù)據(jù)本地存盤(pán)及網(wǎng)絡(luò)傳輸，該數(shù)據(jù)信息的交換可支持多客戶端。因此可通過(guò)配置IP地址的方式進(jìn)行一對(duì)一或一對(duì)多的實(shí)時(shí)解調(diào)數(shù)據(jù)流的交互，實(shí)現(xiàn)解調(diào)器與數(shù)據(jù)記錄設(shè)備的任意組合、切換。遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)解調(diào)器解調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)輸出架構(gòu)圖如圖3所示。2.2 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信采用TCP/IP協(xié)議。解調(diào)器作為T(mén)C

7、P服務(wù)器端，開(kāi)啟偵聽(tīng)端口，數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器作為遠(yuǎn)程TCP客戶端需要連接解調(diào)器時(shí)，發(fā)送連接請(qǐng)求，由解調(diào)器判斷請(qǐng)求是否正確，如正確且解調(diào)器具備連接條件，則建立一條連接線路，否則解調(diào)器拒絕連接。四個(gè)層次的定義如下：（1）物理層：千兆網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)連接器RJ-45，連接線Cat-5e或Cat-6；或選用10 Gb/s光纖，網(wǎng)絡(luò)連接器LC，連接線根據(jù)萬(wàn)兆網(wǎng)卡選擇單?；蚨嗄９饫w。（2）鏈路層：滿足IEEE802.3規(guī)范。（3）網(wǎng)絡(luò)層：IP協(xié)議，采用規(guī)范的IP頭。（4）傳輸層：TCP。2.3 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議2.3.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸指令表1所列是實(shí)時(shí)解調(diào)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸指令。數(shù)據(jù)傳輸可以立即或在預(yù)定的時(shí)間偏移量后進(jìn)行，在

8、IP連接閉合或在預(yù)定時(shí)間偏移后停止。每TM消息的TM塊的數(shù)目是可配置的（最高達(dá)131 072）。不論在何種情況下，TM塊的有效數(shù)目都會(huì)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，使TM塊的每個(gè)消息的最大數(shù)量不超過(guò)2兆字節(jié)。2.3.2 數(shù)據(jù)傳輸響應(yīng)解調(diào)器正確解析數(shù)據(jù)傳輸指令后，返回?cái)?shù)據(jù)傳輸響應(yīng)。如果解調(diào)器解析數(shù)據(jù)傳輸指令有誤，則返回?cái)?shù)據(jù)傳輸拒收響應(yīng)，并給出錯(cuò)誤原因。數(shù)據(jù)傳輸響應(yīng)如表2所列。 實(shí)時(shí)解調(diào)基帶數(shù)據(jù)包括以下信息：（1）TM（實(shí)時(shí)解調(diào)基帶數(shù)據(jù)）塊結(jié)構(gòu)（偏移8至12：幀大小，同步字的大小，時(shí)間標(biāo)記大小等）。（2）實(shí)時(shí)解調(diào)基帶數(shù)據(jù)流控制數(shù)據(jù)，如果遠(yuǎn)程客戶端的攝取率不夠，則溢出報(bào)警（偏移17）給出數(shù)據(jù)損失告警。警告狀態(tài)（偏移

9、18）給出了個(gè)人計(jì)算機(jī)的RAM緩沖器的余量（以字節(jié)為單位）。TM塊結(jié)構(gòu)如表3所列。2.3.3 相關(guān)說(shuō)明相關(guān)說(shuō)明包含如下三項(xiàng)：（1）數(shù)據(jù)表示：整型為32 bit，其中bit0/Byte0為最低位bit/Byte；浮點(diǎn)型由32 bit表示，包括1 bit符號(hào)位，8 bit指數(shù)，23 bit尾數(shù)。（2）保留位：協(xié)議中的保留位留作擴(kuò)展使用，由解調(diào)器發(fā)送時(shí)可以是任意值，但作為解調(diào)器接收時(shí)，值必須為0。（3）時(shí)間定義：bit31-0中，bit9-0表示微秒，bit19-10表示毫秒，bit25-20表示秒，bit31-26表示分；bit63-32中，bit36-32表示時(shí)，bit45-37表示天（為當(dāng)前年

10、份1月1日開(kāi)始的天計(jì)數(shù)）。3 試驗(yàn)及應(yīng)用效果采用搭建試驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)際接收高碼速衛(wèi)星數(shù)據(jù)的方法來(lái)驗(yàn)證高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳能力。試驗(yàn)采用地面接收系統(tǒng)高碼速數(shù)據(jù)接收鏈路搭建試驗(yàn)平臺(tái)，模擬實(shí)際的衛(wèi)星高碼速數(shù)據(jù)接收記錄，多臺(tái)高速解調(diào)器與多臺(tái)數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接，各解調(diào)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)輸出解調(diào)數(shù)據(jù)，各數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器實(shí)時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)接收誤碼率、丟幀等。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)保證高速解調(diào)器與計(jì)算機(jī)之間的信息交換帶寬。測(cè)試信號(hào)（帶有連續(xù)幀序號(hào)的測(cè)試數(shù)據(jù)文件）經(jīng)測(cè)試調(diào)制器調(diào)制、上變頻后送測(cè)試耦合器，經(jīng)LNA、光端機(jī)、射頻矩陣開(kāi)關(guān)、下變頻器、中頻均衡矩陣開(kāi)關(guān)、全數(shù)字高碼速低損耗解調(diào)器后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)送至多

11、臺(tái)數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器，多臺(tái)數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器記錄接收解調(diào)后的數(shù)據(jù)，并用誤碼分析軟件分析所記錄數(shù)據(jù)的誤碼率。試驗(yàn)結(jié)果表明千兆網(wǎng)（網(wǎng)絡(luò)連接器RJ-45，連接線Cat-5e或Cat-6）可實(shí)現(xiàn)700 Mb/s碼率的解調(diào)基帶數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳，誤碼率優(yōu)于1E-11；10 Gb/s光纖（網(wǎng)絡(luò)連接器LC，連接線根據(jù)萬(wàn)兆網(wǎng)卡選擇單?；蚨嗄９饫w）可實(shí)現(xiàn)1.5 Gb/s碼率的解調(diào)基帶數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸（因記錄軟件能力有限，更高碼率的情況未做試驗(yàn)），誤碼率優(yōu)于1E-11。在實(shí)際接收高碼速衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí)，采用該方案已成功實(shí)現(xiàn)ZY-3、GF系列衛(wèi)星（2450 Mb/s）等衛(wèi)星高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳功能。4 結(jié) 語(yǔ)本文基于交換式以太

12、網(wǎng)構(gòu)建了遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)解調(diào)器解調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)輸出架構(gòu)，選用TCP/IP協(xié)議，通過(guò)配置IP地址的方式建立一對(duì)一或一對(duì)多的連接線路，實(shí)現(xiàn)了高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)流的穩(wěn)定、可靠、實(shí)時(shí)輸出。測(cè)試結(jié)果表明高碼速解調(diào)基帶數(shù)據(jù)采用網(wǎng)絡(luò)輸出具有傳輸距離長(zhǎng)、碼速性能好等優(yōu)點(diǎn)。該方案設(shè)計(jì)已用于工程項(xiàng)目中。Reference1高衛(wèi)斌，冉承其.遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)發(fā)展分析J.中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2005（6）：30-36.2王中果，汪大寶.低軌遙感衛(wèi)星Ka頻段星地?cái)?shù)據(jù)傳輸效能研究J.航天器工程，2013，22（1）：72-77.3J. Rosell， A.Martellucci， R. Acosta， et al. 26-GHz Data Downlink for LEO SatellitesC. 6th European Conference on Antennas and Propagation， 2012 ： 111-115.4周宇昌，李小軍，周詮.空間高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)新進(jìn)展J.空間電子技術(shù)，2009，6（3）：43-48.5王萬(wàn)玉，張寶全，劉愛(ài)平，等.頻率復(fù)用高碼速率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.電訊技術(shù)， 2012，