一種高分辨率遙感衛(wèi)星高速串行接口設(shè)計(jì)

程蕓 王建宇 黃巧林

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100076）

1 引言

隨著遙感技術(shù)及相應(yīng)處理方法的不斷發(fā)展，國內(nèi)外遙感衛(wèi)星有效載荷的空間、時(shí)間和光譜分辨率不斷提高，相應(yīng)的數(shù)據(jù)規(guī)模呈幾何級(jí)數(shù)增長，對(duì)高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸接口提出了更高的要求，其必須具有傳輸速率快、可靠性高和連接點(diǎn)少等特點(diǎn)。目前，大部分遙感衛(wèi)星設(shè)備間接口類型都是低壓差分信號(hào)（LVDS），圖像數(shù)據(jù)傳輸接口的數(shù)據(jù)形式多為并行輸出［1］，這就需要大量的連接電纜，并且傳輸速率較低，帶來可靠性、成本、質(zhì)量等問題，越來越不適應(yīng)航天遙感技術(shù)的發(fā)展要求。

為解決衛(wèi)星遙感器獲取的大量圖像信息的高速傳輸問題，本文從硬件電路與互連協(xié)議兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)用高速串行編解碼收發(fā)器配合現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）器件，編程實(shí)現(xiàn)設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸。本文的設(shè)計(jì)采用高速串行總線接口技術(shù)，由于將時(shí)鐘與數(shù)據(jù)合并進(jìn)行傳輸，從而克服了時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的抖動(dòng)問題，可獲得較佳的信號(hào)完整性［2］，為遙感衛(wèi)星設(shè)備間的大數(shù)據(jù)量傳輸提供了一種解決方案。

2 物理鏈路設(shè)計(jì)

本文提出的高速數(shù)據(jù)傳輸接口設(shè)計(jì)，其關(guān)鍵是串行器／解串器（Serializer／Deserializer，簡稱Ser-Des）的應(yīng)用。在發(fā)送端，多路低速并行信號(hào)被轉(zhuǎn)換成高速串行差分信號(hào)，接收端再將串行差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為并行信號(hào)。這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的串行通信技術(shù)，充分利用傳輸媒介的信道容量，減少所需的傳輸信道和器件引腳數(shù)目，從而大大降低通信成本。

基于SerDes的高速串行接口，采用以下3點(diǎn)措施突破傳統(tǒng)并行I／O接口的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，提高傳輸性能。①采用差分信號(hào)傳輸代替單端信號(hào)傳輸，從而增強(qiáng)抗噪聲、抗干擾能力［3-4］；②采用時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)代替同步傳輸數(shù)據(jù)和時(shí)鐘，從而解決限制數(shù)據(jù)傳輸速率的信號(hào)時(shí)鐘偏移問題［5］；③采用8B／10B編碼技術(shù)，使編碼后的數(shù)據(jù)中0、1的數(shù)量基本一致，連續(xù)的0、l不會(huì)超過5位，從而保證信號(hào)的直流平衡，能很好地滿足高速信號(hào)傳輸?shù)男枨螅?］。

本設(shè)計(jì)應(yīng)用SerDes芯片配合FPGA 編程實(shí)現(xiàn)設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸，其接口總體框圖見圖1。

圖1 高速串行數(shù)據(jù)傳輸總體方案框圖Fig．1 Layout of high-speed serial data transmission interface

高速串行傳輸電路系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分：時(shí)鐘產(chǎn)生模塊、發(fā)送（接收）數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送（接收）模塊和傳輸電纜。工作時(shí)，發(fā)送部分的FPGA 作為發(fā)送數(shù)據(jù)處理模塊，產(chǎn)生多路16bit的數(shù)據(jù)包，這些數(shù)據(jù)包符合所使用的高速串行協(xié)議。發(fā)送器接收到數(shù)據(jù)包之后進(jìn)行8B／10B編碼，再進(jìn)行并／串轉(zhuǎn)換，串行數(shù)據(jù)由一對(duì)差分線串行送出。

接收部分與發(fā)送部分之間傳輸線上的阻抗匹配關(guān)系如圖2 所示，傳輸線上通過50Ω 電阻進(jìn)行匹配［7］，以保證信號(hào)的完整性。

圖2 接口阻抗匹配框圖Fig．2 Impedance matching of interface

為了適應(yīng)航天應(yīng)用，保證數(shù)據(jù)高速、可靠傳輸，收發(fā)端使用高速連接器連接，收發(fā)接口間的連接線采用兩芯同軸電纜連接，以傳輸一對(duì)差分信號(hào)，信號(hào)線屏蔽關(guān)系如圖3所示，信號(hào)線上屏蔽層通過連接器接地。

圖3 傳輸接口信號(hào)屏蔽與接地Fig．3 Shield and grounding of transmission interface

3 傳輸接口互連協(xié)議設(shè)計(jì)

為了啟動(dòng)串行接口數(shù)據(jù)傳輸，在建立物理鏈路之后，還要對(duì)所傳送數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行更詳細(xì)的定義，數(shù)據(jù)才可在發(fā)送器和接收器之間傳送?；赟er-Des的高速串行接口，在互連協(xié)議上對(duì)于采用何種同步碼只給出了一些選擇項(xiàng)，并未明確規(guī)定，也未確定數(shù)據(jù)幀的格式。因此，在SerDes的高速串行接口協(xié)議框架下，針對(duì)航天應(yīng)用的實(shí)際情況，本文設(shè)計(jì)出了一種傳輸協(xié)議，其中包括數(shù)據(jù)幀的定義、協(xié)議規(guī)定和協(xié)議工作過程。

3．1 協(xié)議數(shù)據(jù)幀方案

考慮實(shí)際應(yīng)用情況，從提高可靠性的角度出發(fā)，數(shù)據(jù)幀增加幀頭、幀尾。設(shè)計(jì)傳輸協(xié)議的控制字符定義如表1所示，包括數(shù)據(jù)幀的幀頭、幀尾以及同步字符。以16bit作為一個(gè)基本的傳輸單位，每一個(gè)控制字符都定義成2個(gè)字節(jié)，分別由D碼和K碼組成［5］。

表1 控制字符格式Table 1 Control character formats

數(shù)據(jù)幀包括幀頭（／SF／）、幀尾（／EF／）和數(shù)據(jù)單元（DATA）三部分，如圖4所示。傳輸時(shí)，幀和幀之間發(fā)送同步字符／SP／，保證傳輸鏈路的同步。

圖4 數(shù)據(jù)幀的定義Fig．4 Definition of data frame

3．2 協(xié)議規(guī)定

本協(xié)議是基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單工串行傳輸制定的，對(duì)協(xié)議作如下的規(guī)定。

（1）數(shù)據(jù)在通道上以數(shù)據(jù)幀的形式傳遞。每個(gè)數(shù)據(jù)幀的開始和結(jié)束，分別用幀頭控制字符／SF／和幀尾控制字符／EF／標(biāo)出。每一幀的數(shù)據(jù)（DATA）個(gè)數(shù)（不包括數(shù)據(jù)幀的幀頭和幀尾標(biāo)記）按約定輸出。

（2）傳輸中，數(shù)據(jù)幀與數(shù)據(jù)幀之間發(fā)送同步字符／SP／，以保持傳輸鏈路的同步狀態(tài)，如果在傳輸過程中收發(fā)雙方失去同步，則通過幀間的同步字符重新建立同步。

（3）在系統(tǒng)上電或復(fù)位后，收發(fā)雙方要首先建立同步，發(fā)送端先發(fā)送同步字符／SP／并保持1 ms，以建立與接收端的同步關(guān)系，之后發(fā)送數(shù)據(jù)幀。

3．3 協(xié)議工作過程

協(xié)議的工作過程見圖5。系統(tǒng)上電或復(fù)位后，收發(fā)雙方處于失步狀態(tài)（要求在發(fā)送端復(fù)位后，接收端要保證已處于接收狀態(tài)），發(fā)送端發(fā)送同步字符／SP／，時(shí)間長度為不小于1ms，1ms結(jié)束后認(rèn)為系統(tǒng)完成同步過程，發(fā)送端開始數(shù)據(jù)幀的發(fā)送。在數(shù)據(jù)幀之間，發(fā)送端要發(fā)送同步字符，以保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸鏈路的同步狀態(tài)，發(fā)送同步字符的個(gè)數(shù)由傳輸逆程的長度決定，依此循環(huán)直至遙感相機(jī)停止工作。在同步狀態(tài)建立后，接收端不斷檢測，輸出控制信號(hào)RKLSB和RKMSB（K 碼標(biāo)志信號(hào)），如果在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中控制信號(hào)出現(xiàn)高電平，即認(rèn)為出現(xiàn)失步。接收端如果在數(shù)據(jù)幀傳輸過程中失步，依靠數(shù)據(jù)幀間的同步字符重新建立起收發(fā)間的同步關(guān)系；同步關(guān)系建立后，立刻轉(zhuǎn)入正常數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。

圖5 協(xié)議工作過程Fig．5 Protocol working procedure

4 高速數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)

偽隨機(jī)碼序列具有良好的抗干擾性和抗衰落能力［8］，利用發(fā)送端發(fā)送偽隨機(jī)碼，在接收端接收測試傳輸誤碼，在通信領(lǐng)域是一種常用方式。針對(duì)本文提出的串行接口設(shè)計(jì)方案，選取特征多項(xiàng)式為

式中：Y為序列輸出；X為原始序列。

偽隨機(jī)碼序列可以很方便地用若干個(gè)移位寄存器來產(chǎn)生，最常用的是D 觸發(fā)器［9］。圖6演示了一種采用帶線性反饋的移位寄存器產(chǎn)生偽隨機(jī)碼序列的原理機(jī)制［10］。級(jí)聯(lián)移位寄存器根據(jù)選取的特征多項(xiàng)式，抽取寄存器的輸出反饋，產(chǎn)生偽隨機(jī)碼。

圖6 偽隨機(jī)碼發(fā)生器原理Fig．6 Protocol of PRBS generator

試驗(yàn)中，利用FPGA 編程實(shí)現(xiàn)偽隨機(jī)碼發(fā)生，通過串行編碼器進(jìn)行8B／10B 編碼，經(jīng)串行器轉(zhuǎn)換成為2Gbit／s的高速串行信號(hào)，傳輸?shù)浇獯鬓D(zhuǎn)換成并行信號(hào)后送到安捷倫公司誤碼儀，進(jìn)行長時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸誤碼率測試，測試結(jié)果如圖7所示。經(jīng)過6個(gè)多小時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)，累計(jì)多達(dá)2．191 537×1015位數(shù)據(jù)中無誤碼出現(xiàn)，充分證明了高速串行接口設(shè)計(jì)的穩(wěn)定、有效。

圖7 誤碼率測試結(jié)果Fig．7 Test results of BER（bit error rate）

5 結(jié)束語

衛(wèi)星遙感器獲取的大量高速圖像信息，使設(shè)備間大數(shù)據(jù)量的傳輸成為技術(shù)發(fā)展瓶頸。高速串行總線接口技術(shù)由于將時(shí)鐘與數(shù)據(jù)合并進(jìn)行傳輸，從而克服了時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的抖動(dòng)問題，能夠極大提高傳輸速率，減少IC外圍引腳數(shù)，降低功耗，并能獲得較佳的信號(hào)完整性。本文論述了用于衛(wèi)星遙感器高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)過程，應(yīng)用高速串行編解碼收發(fā)器配合FPGA 編程，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸，通過偽隨機(jī)碼傳輸測試，實(shí)現(xiàn)了2Gbit／s的高速串行傳輸。目前，遙感衛(wèi)星設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸一般采用并行方式，速率僅有800 Mbit／s，本文的設(shè)計(jì)無疑為高分辨率遙感衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸問題提供了一種解決方案。不過，串行接口設(shè)計(jì)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)質(zhì)量，包括占空比、時(shí)鐘抖動(dòng)等要求較高，為此，要在如何保證信號(hào)完整性方面進(jìn)行更多的研究，以更好地提高數(shù)據(jù)傳輸率與可靠性。

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