摘要：全球覆蓋的固定衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)靜止地球軌道(GEO)衛(wèi)星，軌道高度大約為36 000km，成圓形軌道，只要三顆相隔120°的均勻分布衛(wèi)星，就可以覆蓋全球。國際衛(wèi)星通信組織的Intelsat I-IX代衛(wèi)星。是全球覆蓋的最好例子，已發(fā)展到第九代。文章發(fā)表在《電子技術(shù)應(yīng)用》上，是電子工程師論文發(fā)表，供同行參考。

　　關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信,數(shù)據(jù)傳輸,程序設(shè)計(jì)

　　衛(wèi)星在空中起中繼站的作用，即把地球站發(fā)上來的電磁波放大后再反送回另一地球站。地球站則是衛(wèi)星系統(tǒng)形成的鏈路。由于靜止衛(wèi)星在赤道上空36000千米，它繞地球一周時(shí)間恰好與地球自轉(zhuǎn)一周(23小時(shí)56分4秒)一致，從地面看上去如同靜止不動(dòng)一樣。三顆相距120度的衛(wèi)星就能覆蓋整個(gè)赤道圓周。

　　1概述

　　隨著衛(wèi)星通信的高速發(fā)展，星載數(shù)據(jù)的種類和數(shù)量不斷增加，這就對高速海量星載數(shù)據(jù)的傳輸、接收和處理技術(shù)提出了新的要求。衛(wèi)星下發(fā)大容量高速數(shù)據(jù)經(jīng)地面站解調(diào)后，經(jīng)由光纖以數(shù)字基帶信號(hào)的形式傳遞給本地接收端，地面應(yīng)用系統(tǒng)要采用高性能的接收處理設(shè)備，以達(dá)到對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收、存儲(chǔ)和處理。PCIExpress總線作為第3代I/O總線以其明顯的優(yōu)勢，成為目前高速傳輸?shù)闹髁髌脚_(tái)。

　　文獻(xiàn)[1]以XC5VFX130T芯片為硬件核心，分析PCIExpress協(xié)議原理和內(nèi)嵌硬核模塊的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了具有PCIExpress系統(tǒng)主機(jī)接口的單通道FC總線接口板卡。文獻(xiàn)[2]在XC5VLX30T器件中，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)PCIExpress總線接口，同時(shí)在接口內(nèi)部設(shè)計(jì)直接存儲(chǔ)器存儲(chǔ)(DirectMemoryAccess,DMA)控制器。

　　2高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的工作原理

　　Xilinx公司的Virtex-5芯片的PCIExpress端點(diǎn)模塊IP核，為用戶提供了2種類型的數(shù)據(jù)通信：程控輸入/輸出(ProgrammedInput/Output,PIO)方式和總線主控存儲(chǔ)器直接存儲(chǔ)(Bus-masteringDMA,BMD)方式[3]。PCIExpress設(shè)備與系統(tǒng)存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)通信可以用PIO方式，但一般采用效率較高的BMD方式。

　　在BMD通信方式下，端點(diǎn)設(shè)備變成了一個(gè)總線主控設(shè)備，負(fù)責(zé)發(fā)起DMA讀寫操作。當(dāng)設(shè)備要獲取系統(tǒng)存儲(chǔ)器的內(nèi)容時(shí)，發(fā)起指向系統(tǒng)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器讀操作;當(dāng)設(shè)備向系統(tǒng)存儲(chǔ)器傳送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)起指向系統(tǒng)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器寫操作[4-5]。DMA控制器代替CPU發(fā)起傳輸事務(wù)，減輕了處理器的壓力，而且在數(shù)據(jù)傳送過程中允許其他處理行為發(fā)生。在降低CPU使用率的同時(shí)，帶來較高的吞吐率和性能。基于上述理論的衛(wèi)星通信星地鏈路的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。該傳輸系統(tǒng)功能主要由PCIExpress通信模塊和光纖通信模塊來完成。

　　3高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件和應(yīng)用需求，本文設(shè)計(jì)的高速傳輸系統(tǒng)由2臺(tái)PC機(jī)模擬衛(wèi)星和地面站的數(shù)據(jù)傳輸。PCIExpress通信模塊，選擇為x8通道、工作頻率250MHz。光纖通信模塊工作頻率為125MHz，采用8位并行數(shù)據(jù)傳輸模式[3,7-8]。高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　其中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊選用了位寬為32bit的RAM。在光纖通信模塊中加入32bit/8bit模塊和8bit/32bit模塊，完成PCIExpress數(shù)據(jù)和光纖通信數(shù)據(jù)的傳輸轉(zhuǎn)換。圖2高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模擬衛(wèi)星下發(fā)數(shù)據(jù)的應(yīng)用軟件在準(zhǔn)備好待發(fā)送的數(shù)據(jù)后，將文件長度信息及相關(guān)命令經(jīng)由驅(qū)動(dòng)發(fā)送給端點(diǎn)設(shè)備，設(shè)備接到命令信息后啟動(dòng)DMA控制器中的DMA讀操作。

　　之后設(shè)備將從系統(tǒng)存儲(chǔ)器讀取的數(shù)據(jù)通過光纖通信模塊發(fā)送給地面站。設(shè)備每次讀取數(shù)據(jù)的間隔由光口傳輸速率決定，在不丟失數(shù)據(jù)的前提下，盡量提高信道的利用率。在模擬地面站接受數(shù)據(jù)的過程中，首先驅(qū)動(dòng)將接收端系統(tǒng)存儲(chǔ)器的目的地址信息發(fā)給端點(diǎn)設(shè)備，設(shè)備的DMA控制器接收到光纖通信模塊的數(shù)據(jù)后啟動(dòng)存儲(chǔ)器寫操作，將有效數(shù)據(jù)分批次加載進(jìn)指向系統(tǒng)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器寫TLP包中，發(fā)送到目的地址。

　　3.1光纖通信模塊

　　光纖通信模塊通過定制XilinxIP核來完成，由于實(shí)際需求，在光纖通信模塊中要加入數(shù)據(jù)位轉(zhuǎn)換模塊，用來進(jìn)行PCIExpress模塊和光纖模塊數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。定制的光纖通信IP核，選擇8bit/10bit編碼和CRC校驗(yàn)，選用K28.1作為控制字串，當(dāng)傳送控制字串時(shí)，由RocketI/O模塊的控制字標(biāo)志輸入管腳TX_CHARISK指定該字為控制字串。

　　8bit/10bit編碼可以避免數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)連0、連1的情況，便于時(shí)鐘恢復(fù)。在發(fā)送端CRC校驗(yàn)碼被插入到待發(fā)送的并行數(shù)據(jù)中，數(shù)據(jù)經(jīng)過8bit/10bit編碼后，被寫入發(fā)送端FIFO，經(jīng)過串行化輸出接口將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送出去。接收端在收到的串行差分信號(hào)后，通過芯片內(nèi)部的鎖相環(huán)從中提取時(shí)鐘，再按此同步時(shí)鐘來采樣數(shù)據(jù)，通過解串器將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過8bit/10bit解碼，并將其寫入接收端彈性緩沖器，CRC校驗(yàn)后并行輸出。

　　3.2PCIExpress通信模塊

　　3.2.1發(fā)送模塊

　　發(fā)送模塊流程如圖3所示。圖3發(fā)送模塊流程DMA控制器中的發(fā)送模塊主要完成3個(gè)功能：(1)在接收到指向DMA控制/狀態(tài)寄存器的存儲(chǔ)器讀包后，通過發(fā)送CPLD包將DMA控制/狀態(tài)寄存器中的信息發(fā)送給應(yīng)用軟件。在發(fā)送完一個(gè)CPLD包后進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)確認(rèn)發(fā)送成功后返回當(dāng)前狀態(tài)，繼續(xù)發(fā)送CPLD包。這樣保證了CPLD包的可靠傳輸。(2)衛(wèi)星下發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，DMA控制器收到DMA讀操作指示后，根據(jù)DMA控制/狀態(tài)寄存器中讀數(shù)據(jù)的大小，確定讀操作次數(shù)及每次讀取數(shù)據(jù)的大小。并按所確定的信息發(fā)送相應(yīng)地址的存儲(chǔ)器讀包。

　　3.2.2接收模塊

　　接收模塊主要接收和處理IP核交付的存儲(chǔ)器讀包、存儲(chǔ)器寫包、CPL包和CPLD包。接收模塊流程如圖4所示。圖4接收模塊流程接收模塊檢測到的指向DMA控制/狀態(tài)寄存器的存儲(chǔ)器寫包是攜帶有DMA控制器中控制/狀態(tài)寄存器所需信息的PIO方式的存儲(chǔ)器寫包。接收模塊負(fù)責(zé)將存儲(chǔ)器寫包攜帶的信息寫入相應(yīng)的控制/狀態(tài)寄存器中。

　　在之后檢測到指向DMA控制/狀態(tài)寄存器的存儲(chǔ)器讀包后，解析存儲(chǔ)器讀包的信息，獲得要讀取的DMA控制/狀態(tài)寄存器的地址和內(nèi)容后傳輸給發(fā)送模塊，通知發(fā)送模塊將應(yīng)用軟件預(yù)讀取地址的數(shù)據(jù)以CPLD包的格式發(fā)送給應(yīng)用軟件。CPLD包是DMA傳輸中讀操作后所收到的相應(yīng)從系統(tǒng)存儲(chǔ)器讀取的數(shù)據(jù)。

　　4系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

　　在Xilinx公司提供的Virtex-5DMA測試底層驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)之上，添加了本傳輸系統(tǒng)所需的功能，作為所設(shè)計(jì)高速傳輸系統(tǒng)所使用的驅(qū)動(dòng)程序。應(yīng)用程序在VS2005環(huán)境下開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對FPGA的初始化復(fù)位、配置寄存器信息、大容量數(shù)據(jù)的發(fā)送/接收控制等。本文選用ISEChipscope12.2工具對所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。圖5為發(fā)送方Chipscope局部放大圖。可以看出，當(dāng)發(fā)送方啟動(dòng)DMA讀操作后，DMA控制器先發(fā)送存儲(chǔ)器讀包到trn_td_c接口上，之后trn_rd_c接收到帶數(shù)據(jù)的完成包，如圖所示接收的第一個(gè)32bit數(shù)據(jù)的16進(jìn)制表示為30784142。

　　5結(jié)束語

　　本文介紹基于XilinxVirtex-5FPGA設(shè)計(jì)的高速傳輸系統(tǒng)中PCIExpress通信模塊和光纖通信模塊的基本工作原理，設(shè)計(jì)一種可用于系統(tǒng)存儲(chǔ)器與PCIExpress端點(diǎn)設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù)的DMA控制器以及光纖通信模塊，實(shí)現(xiàn)了2個(gè)設(shè)備間大容量數(shù)據(jù)的高速傳輸，傳輸速率可達(dá)到1.25Gb/s。系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果表明，該傳輸系統(tǒng)滿足衛(wèi)星通信中大容量高速數(shù)據(jù)的傳輸要求，有效地模擬了衛(wèi)星與地面站間數(shù)據(jù)的交互，可作為高速通信的信源和信宿，為后續(xù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能的研究奠定了基礎(chǔ)。

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