摘要：全球覆蓋的固定衛(wèi)星通信業(yè)務靜止地球軌道(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《電子技術應用》上，是電子工程師論文發(fā)表，供同行參考。

　　關鍵詞：衛(wèi)星通信,數(shù)據(jù)傳輸,程序設計

　　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，它繞地球一周時間恰好與地球自轉一周(23小時56分4秒)一致，從地面看上去如同靜止不動一樣。三顆相距120度的衛(wèi)星就能覆蓋整個赤道圓周。

　　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、接收和處理技術提出了新的要求。衛(wèi)星下發(fā)大容量高速數(shù)據(jù)經地面站解調后，經由光纖以數(shù)字基帶信號的形式傳遞給本地接收端，地面應用系統(tǒng)要采用高性能的接收處理設備，以達到對數(shù)據(jù)的實時接收、存儲和處理。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_。

　　文獻[1]以XC5VFX130T芯片為硬件核心，分析PCIExpress協(xié)議原理和內嵌硬核模塊的結構，實現(xiàn)了具有PCIExpress系統(tǒng)主機接口的單通道FC總線接口板卡。文獻[2]在XC5VLX30T器件中，設計實現(xiàn)PCIExpress總線接口，同時在接口內部設計直接存儲器存儲(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器直接存儲(Bus-masteringDMA,BMD)方式[3]。PCIExpress設備與系統(tǒng)存儲器之間的數(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，端點設備變成了一個總線主控設備，負責發(fā)起DMA讀寫操作。當設備要獲取系統(tǒng)存儲器的內容時，發(fā)起指向系統(tǒng)存儲器的存儲器讀操作;當設備向系統(tǒng)存儲器傳送數(shù)據(jù)時，發(fā)起指向系統(tǒng)存儲器的存儲器寫操作[4-5]。DMA控制器代替CPU發(fā)起傳輸事務，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，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構如圖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)設計

　　根據(jù)實際實驗條件和應用需求，本文設計的高速傳輸系統(tǒng)由2臺PC機模擬衛(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)結構如圖2所示。

　　其中，數(shù)據(jù)存儲模塊選用了位寬為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)的傳輸轉換。圖2高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結構模擬衛(wèi)星下發(fā)數(shù)據(jù)的應用軟件在準備好待發(fā)送的數(shù)據(jù)后，將文件長度信息及相關命令經由驅動發(fā)送給端點設備，設備接到命令信息后啟動DMA控制器中的DMA讀操作。

　　之后設備將從系統(tǒng)存儲器讀取的數(shù)據(jù)通過光纖通信模塊發(fā)送給地面站。設備每次讀取數(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，首先驅動將接收端系統(tǒng)存儲器的目的地址信息發(fā)給端點設備，設備的DMA控制器接收到光纖通信模塊的數(shù)據(jù)后啟動存儲器寫操作，將有效數(shù)據(jù)分批次加載進指向系統(tǒng)存儲器的存儲器寫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，由于實際需求，在光纖通信模塊中要加入數(shù)據(jù)位轉換模塊，用來進行PCIExpress模塊和光纖模塊數(shù)據(jù)的轉換。定制的光纖通信IP核，選擇8bit/10bit編碼和CRC校驗，選用K28.1作為控制字串，當傳送控制字串時，由RocketI/O模塊的控制字標志輸入管腳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，便于時鐘恢復。在發(fā)送端CRC校驗碼被插入到待發(fā)送的并行數(shù)據(jù)中，數(shù)據(jù)經過8bit/10bit編碼后，被寫入發(fā)送端FIFO，經過串行化輸出接口將并行數(shù)據(jù)轉換成串行差分數(shù)據(jù)發(fā)送出去。接收端在收到的串行差分信號后，通過芯片內部的鎖相環(huán)從中提取時鐘，再按此同步時鐘來采樣數(shù)據(jù)，通過解串器將串行數(shù)據(jù)轉換為并行數(shù)據(jù)，然后經過8bit/10bit解碼，并將其寫入接收端彈性緩沖器，CRC校驗后并行輸出。

　　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個功能：(1)在接收到指向DMA控制/狀態(tài)寄存器的存儲器讀包后，通過發(fā)送CPLD包將DMA控制/狀態(tài)寄存器中的信息發(fā)送給應用軟件。在發(fā)送完一個CPLD包后進入等待狀態(tài)，當確認發(fā)送成功后返回當前狀態(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，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)送相應地址的存儲器讀包。

　　3.2.2接收模塊

　　接收模塊主要接收和處理IP核交付的存儲器讀包、存儲器寫包、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方式的存儲器寫包。接收模塊負責將存儲器寫包攜帶的信息寫入相應的控制/狀態(tài)寄存器中。

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

　　4系統(tǒng)調試結果

　　在Xilinx公司提供的Virtex-5DMA測試底層驅動基礎之上，添加了本傳輸系統(tǒng)所需的功能，作為所設計高速傳輸系統(tǒng)所使用的驅動程序。應用程序在VS2005環(huán)境下開發(fā)，實現(xiàn)對FPGA的初始化復位、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工具對所設計系統(tǒng)進行調試。圖5為發(fā)送方Chipscope局部放大圖?？梢钥闯?，當發(fā)送方啟動DMA讀操作后，DMA控制器先發(fā)送存儲器讀包到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32bit數(shù)據(jù)的16進制表示為30784142。

　　5結束語

　　本文介紹基于XilinxVirtex-5FPGA設計的高速傳輸系統(tǒng)中PCIExpress通信模塊和光纖通信模塊的基本工作原理，設計一種可用于系統(tǒng)存儲器與PCIExpress端點設備間傳輸數(shù)據(jù)的DMA控制器以及光纖通信模塊，實現(xiàn)了2個設備間大容量數(shù)據(jù)的高速傳輸，傳輸速率可達到1.25Gb/s。系統(tǒng)調試結果表明，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。

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