２０１５年第２期 文章编号：１００９—２５５２（２０１５）０２—００５４—０４ ＤＯＩ：１０．１３２７４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｈｄｚｊ．２０１５．０２．０１５ 基于ＬＶＤＳ的高速数传方法研究 宋海伟 ，肖 洋 ，梁 广 ，龚文斌 ，余金培 （１．中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海２０００５０； ２．上海微小卫星工程中心，上海２０００５０） 摘 要：针对星载数字波束成形（ＤＢＦ）多波束天线数据传输量大的特点，提出以ＬＶＤＳ技术为 载体的高速源同步数传方法。采用数据分块串行低压差分信号（ＬＶＤＳ）发送策略，不仅可达到 高速传输的目的，而且可节省硬件Ｉ／Ｏ资源，降低功耗；同时通过动态相位对齐算法和数据眼 图实时监控算法，克服程序处理和外部环境变化对高速ＬＶＤＳ数据接收的影响，可满足航天设计 中数据高可靠传输的要求。最后，利用Ｖｉ￣ｅｘ一４硬件平台，验证该方法可实现３６０Ｍｂｉｔ／ｓ数据 传输速率，为星载子系统间数据传输的实现提供了有效的解决方法。 关键词：相控阵天线；多波束；数据传输；ＬＶＤＳ 中图分类号：ＴＮ４０２ 文献标识码：Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬＶＤＳ ＳＯＮＧ Ｈａｉ．ｗｅｉ ，ＸＩＡＯ Ｙａｎｇ ，ＬＩＡＮＧ Ｇｕａｎｇ ，ＧＯＮＧ Ｗｅｎ—ｂｉｎ ，ＹＵ Ｊｉｎ—ｐｅｉ ’ （１．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＣＡＳ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００５０，Ｃｈｉｎａ； ２．ＳｈａｎｇｈＭ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｏｆ ｓｐａｃｅｂｏｒｎｅ ＤＢＦ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ，ＤＢＦ） ｍｕｈｉｂｅａｍ ａｎｔｅｎｎａ，ａ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ—ｏｎ ＬＶＤＳ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｏｆ ｓｏｕｒｃｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ．Ｂｙ ｔｈｅ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｄａｔａ ｐａｒｔｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｎｄ ｓｅｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎ，ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｓ ａｔｔａｉｎｅｄ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｔｈｅ Ｉ／Ｏ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ａｒｅ ｒｅｄｕｃｅｄ，Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｗｏ ｎｏｖｅｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｈａｓｅ ａｌｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｄａｔａ ｅｙｅ ｒｅａｌｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄｅｌａｙ ａｎｄ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｉｓ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ＬＶＤＳ ｄａｔａｓｔｒｅａｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｉｓ ｃｏｎｆｉｉｍｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｄａｔａ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｒａｔｅ ｏｆ ３６０Ｍｂｐｓ ｉｓ ｒｅａｃｈｅｄ ｖｉａ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｖｉａｅｘ一４ ｉｓ ｕｓｅｄ，ｉｔ ｂｅｃｏｍｅｓ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｖａｌｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｗｏ ｓｐａｃｅｂｏｒｎｅ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｈａｓｅ—ａｒｒａｙ ａｎｔｅｎｎａ；ｍｕｌｔｉ—ｂｅａｍ；ｄａｔａ ｔｒａｎｓｆｅｒ；ＬＶＤＳ ０ 引言 星载ＤＢＦ多波束天线具有形成波束多、波束在 低压差分信号（ＬＶＤＳ）技术，采用ＣＭＯＳ工艺，以 ３３０ＭＶ低压摆幅作为高低信号电平，功率极低，其 数据速率现已可达３．１２５Ｇｂｐｓ ；此外，差分传输可 有效抑制共模干扰和电磁辐射 。ＬＶＤＳ技术已成 轨可重构、可自适应调零等优点，是提高卫星通信性 能的重要技术¨ Ｊ。由于天线基带部分要对多个 波束进行信号处理，造成巨大的数据传输压力。目 前常用的底板收发器逻辑（ＢＴＬ）、射集收发器逻辑 （ＧＴＬ）、晶体管逻辑门电路电平（ＴＴＬ）数据传输信 号标准，其最高可传输数据速率低于１２０Ｍｂｐｓ，而且 功耗大、电磁辐射强，难以应用到星载多波束天线数 据接口中 Ｊ。美国国家半导体（ＮＳ）公司推出的 一功应用于星载高分辨率ＣＣＤ相机图像数据传输电 路中，其传输速率为２８０Ｍｂｐｓ－８ Ｊ。南京理工大学盛 收稿日期：２０１４—０３－０３ 基金项目：中科院基金项目（ｃｘＪＪ一１１一￥１０７）；上海市自然科学基 金项目（１１ＺＲ１４３５０００） 作者简介：宋海伟（１９８６一），男，在读博士研究生，从事卫星通信和 星载多波束天线研究。 ５４一 卫星等人将ＬＶＤＳ技术应用到有源相控阵雷达 １ 数传方案 ＤＢＦ处理方案中，测试在２ｍ长双绞线上最高可传 １９阵元７波束标准六边形ＤＢＦ接收阵列天线 输１．２８Ｇｂｐｓ的数字信号，但未给出高速ＬＶＤＳ数 组成，如图１所示。每个阵元经过射频通道，输出频 据传输与同步的方案，亦未针对卫星特殊的空间环 率为１４０ＭＨｚ．带宽为±３．５ＭＨ 的中频信号，经过 境进行研究 Ｊ。本文则针对星载天线严苛环境特 Ａ／Ｄ采样输出１４ｂｉｔ的数字信号，输入到ＤＢＦ基带 点，提出了利用数据分块传输和数据眼图实时监控 处理单元。ＤＢＦ处理单元首先经过正交化处理输 的方法，解决了７波束星载ＤＢＦ天线与星载接收机 出Ｉ／Ｑ两路数据，Ｉ／Ｑ两路数据输出至数字波束成 之间数据高速可靠传输问题。 形模块，最终输出７路７２０Ｍｂｐｓ（６０ＭＨｚ×１２ｂｉｔ）的 本文首先介绍星载多波束天线ＬＶＤＳ数据传 波束数据。虽然ＬＶＤＳ可实现该速率，但是考虑到 输方案，然后详细阐述基于数据分块传输的ＬＶＤＳ 卫星严苛的空间环境，本文采用数据分块传输的方 源同步发送和接收接口设计，并重点叙述基于数据 法，将单波束１２ｂｉｔ数据分成两部分：高６ｂｉｔ数据、低 眼图实时监控的算法设计和实现；最后介绍基于 ６ｂｉｔ数据，数据传输速率降为３６０Ｍｂｐｓ。高低６ｂｉｔ Ｘｉｌｉｎｘ公司Ｖｉｒｔｅｘ一４ ＦＰＧＡ接口测试平台，并给出 数据送入１４通道源同步发送接口模块后，将其进行 了验证结果，可为卫星上各个分系统之间高速数传 ６：１并串转换，其好处是可大大减少Ｉ／Ｏ口数量和 方案提供参考。 ＬＶＤＳ驱动芯片，从而降低功耗而且提高可靠性。 图１ １９阵元星载多波束天线整体结构框图 高速数据传输必须确保数据与时钟同步，以 １０１１００（６ｂｉｔ），用于在接收机端进行数据和时钟的 使接收端可以正确恢复出数据。常用的同步方法 相位对齐。多路复用转接模块根据接收机发送的应 包括：系统同步、源同步、自同步；系统同步需要两 答信号，选择发送训练序列或波束数据。并串转换 个分离系统共用一个时钟源，而自同步方式需要 组由１４个并串转换模块构成，每个模块均对输人的 编码，实现复杂，而源同步在发送端发送数据时， 并行６０Ｍｂｉｔ／ｓ数据进行６：１的并串转换。由于采用 同时发送一路同步时钟，在接收端通过对齐时钟 双倍速率（ＤＤＲ）方式输出串行数据，故时钟管理模 和数据相位，即可以正确接收。本文采用１４通道 块产生了１８０ＭＨｚ的串行时钟，与６０ＭＨｚ的数据时 源同步发送方式，如图１所示。载荷接收单元中 钟严格相位对齐。 时钟管理模块接收１８０ＭＨｚ源同步时钟，恢复出 ２．２ １４通道ＬＶＤＳ源同步接收接口设计 串并转换两路时钟，输入到ｌ４通道ＬＶＤＳ源同步 载荷接收单元将转换后单端串行信号输入到 接收接口模块，最后将数据恢复后送入后端做信 １４个通道中，如图３所示。每个输入数据信号分成 息处理。 相同的两路信号，输入到接收通道。每个通道内均 ２ 基于数据分块传输ＬＶＤｓ接口设计 有时延调整模块，该模块作用是增加或减少输入数 ２．１ １４通道ＬＶＤＳ源同步发送接口设计 据时延，以使时钟能正确采样数据。经过时延调整， 发送接口整体结构框图如图２所示。７波束数 数据输入到串并转换模块中完成１：６串并转换。每 据（Ｂｅａｍ０一ＤＡＴＡ～Ｂｅａｍ６一ＤＡＴＡ）和训练序列均 个通道均有两个完全相同子通道，其目的是为了产 输入到多路复用转接模块，输入的训练序列为 生两路经过相同处理的解串数据，一路数据作为 一５５—