МОДУЛЬ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

DIGITAL INFORMATION PROCESSING MODULE

Anna Usacheva

student, Department of Electronic Control Systems BSTU "VOENMEH" them. D.F. Ustinova,

Russia, St. Petersburg

Vladimir Sinitsyn

scientific supervisor, Ph. D., Department of Electronic Control Systems BSTU "VOENMEH" them. D.F. Ustinova,

Russia, St. Petersburg

АННОТАЦИЯ

В данной статье разрабатывается структурная и функциональная схемы модуля цифровой обработки информации, который необходим для обеспечения приема и обработки сигналов. Обработка сигналов заключается в демодуляции и декодировании принятый сигналов.

ABSTRACT

This article develops the structural and functional diagrams of the digital information processing module, which is necessary to ensure the reception and processing of signals. Signal processing consists of demodulating and decoding the received signals.

Ключевые слова: модуль цифровой обработки информации, цифровая обработка информации, ПЛИС, фазовая манипуляция.

Keywords: digital information processing module, digital information processing, FPGA, phase shift keying.

Модуль цифровой обработки сигналов (МЦОС) обеспечивает прием, обработку сигналов К1 и К2. Обработанная информация, содержащаяся в сигналах К1 и К2, через модуль сопряжения подается с выхода МЦОС для дальнейшей обработки.

Прием оцифрованных данных каналов К1 и К2 в МЦОС осуществляется по оптическому интерфейсу. Возможен прием сигналов К1 и К2 на промежуточной частоте.

Обработка принятых сигналов К1 и К2 заключается в их демодуляции, декодировании, а при необходимости дескремблировании и дефреймировании.

МЦОС обеспечивает цифровую обработку сигналов с модуляцией ЧМ, ФМ-2, ФМ-4, с внешним помехоустойчивым кодом Рида-Соломона и внутренним кодом Баркера.

Результаты обработки МЦОС передаются через модуль сопряжения, который осуществляет преобразования интерфейсов и форматов выходных данных МЦОС.

В качестве демодулятора в МЦОС применяется демодулятор, построенный по архитектуре с асинхронной дискретизацией и передискретизацией на основе интерполяции.

Декодер помехоустойчивых кодов предназначен для декодирования каскадных кодовых конструкций с внешним кодом Рида-Соломона. Модуль декодера также обеспечивает дифференциальное декодирование и дескремблирование по синхронному (аддитивному) и асинхронному (мультипликативному) алгоритмам. Структурная схема модуля декодера помехоустойчивых кодов приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема декодера МЦОС

Результатом работы МЦОС является информационный поток, который содержался в каналах К1 и К2. Данный информационный поток через модуль сопряжения, который осуществляет преобразования интерфейсов и логических форматов данных, подается на вход изделия, с помощью которого будет осуществляться снятие криптозащиты с информационного потока.

Основным элементом МЦОС является ПЛИС, которая имеет возможность многократного перепрограммирования и реконфигурации кристалла в процессе оперативной работы. Применение ПЛИС дает возможность оперативно менять используемые методы демодуляции и декодирования, что может быть востребовано при дальнейшей модернизации системы, либо при модификации (изменении) параметров сигналов К1 и К2 в процессе эксплуатации комплекса.

Приемник в МЦОС необходим для приема сигналов от антенного поста по волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) и осуществляет преобразование оптического сигнала в электрический. Модуль 1GBE является интерфейсным модулем ЛВС Gigabit Ethernet и обеспечивает физический стык со средой Ethernet, а также осуществляет непосредственный вывод обработанных МЦОС данных. Интерфейс системы единого времени (СЕВ) и эталонной частота (ЭЧ) служит для приема и обработки сигналов от системы единого времени и эталонных частот «Гном-2М». Данные сигналы могут применяться для синхронизации работы МЦОС с другими блоками комплекса, а также позволит провести процедуру демодуляции сигналов с ППРЧ (псевдослучайной перестройкой рабочей частоты).

Для построения сигнала используется частотно-временная матрица, каждый столбец которой является временной позицией, а строчки соответствуют условному номеру частоты.

Контроллер МЦОС служит для реализации управления и диагностики данным модулем, а также для взаимодействия с аппаратурой встроенного контроля работоспособности. Работа контроллера заключается в трансляции команд управления, поступающих от аппаратуры контроля работоспособности, в соответствующие узлы модуля. Кроме этого, контроллер обеспечивает сбор телеметрической информации от узлов модуля и обеспечивает ее передачу по сети управления 10/100 Ethernet в аппаратуру контроля работоспособности и тестирования комплекса. В качестве команд управления могут использоваться команды включения/выключения устройства, настройки IP адресов конечных получателей информации, параметры демодуляции, дескремблирования и декодирования. В качестве телеметрической информации передается статусная информация о модуле: температура, потребление, авария/норма, наличие захвата сигнала К1 и К2, количество ошибок в принимаемом сигнале.

Модуль МЦОС выполняет задачи приема (получения) с выходов антенного поста цифровых сигналов, принятых от космического аппарата (КА) по каналам К1 и К2, их обработку (демодуляцию) и формирование пакетов с результатами обработки для вывода их через модуль сопряжения для последующей обработки и/или для архивирования.

Ввод информации в модули МЦОС от КА по каналам К1 и К2 производится в оцифрованном виде по волоконно-оптической линии связи.

Вывод информации из модулей МЦОС предлагается осуществлять по интерфейсу 1G Ethernet.

Модули подключены к ЛВС по интерфейсу 100М Ethernet. Этот канал используется для задач управления и диагностики. Применение двух однотипных модулей обусловлено требованиями обеспечения параметров по надежности.

Модуль сопряжения используется для подачи обработанной в МЦОС информации канала К1 или К2 для ее преобразования в соответствии с заданным режимом работы. Данные (обработанная информация) поступают в МС14Н732 по интерфейсу 1G Ethernet от модуля МЦОС.

В состав модуля МЦОС входят две платы: плата ЦОС (плата цифровой обработки сигнала) и плата ввода. Конструктивно плата ввода выполнена в виде мезонинной ячейки, устанавливаемой на основную плату ЦОС.

Структурная схема модуля МЦОС представлена на рисунке 2.

Функции обработки распределены следующим образом. Оцифрованный сигнал, каналов К1 и К2, поступающий по ВОЛС в виде пакетов Ethernet, принимается и преобразуется в плате ввода в параллельную шину данных для передачи на плату ЦОС, в которой производится обработка (демодуляция) сигналов. В плате ЦОС также производится преобразование демодулированных сигналов в пакеты Ethernet для передачи их по назначению.

Рисунок 2. Структурная схема МЦОС

Питание +12 В, поступающее на МЦОС, является первичным и преобразуется в плате ЦОС в ряд вторичных, необходимых для питания компонентов установленных на плате.

Управление модулем МЦОС производится от ЛВС по интерфейсу Ethernet 100M.

По этому же интерфейсу предполагается передавать диагностическую информацию для встроенной системы контроля, как в режиме тестирования, так и в рабочем режиме. Передача диагностической информации во время сеанса связи позволяет переключать модуль МЦОС на резервный, в случае отказа его или канала ВОЛС.

Назначение платы ввода: прием оцифрованного сигнала каналов К1 и К2, поступающего по ВОЛС, и преобразование его в формат, необходимый для последующей обработки в плате ЦОС.

Для повышения точности вычислений предлагается предусмотреть возможность ввода сигнала по оптическому интерфейсу Ethernet 10G.

В этом случае может быть выбрана достаточно высокая частота и разрядность выборки. При разработке функциональной схемы ориентировались на возможность простого перехода на оптический интерфейс Ethernet 1G путем замены оптического модуля. Функциональная схема платы ввода представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Функциональная схема платы ввода

В состав платы ввода входят следующие основные компоненты: оптический приемник, физический интерфейс, ПЛИС, ФЛЭШ,  постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), JTAG, кварцевый генератор (КГ), линейный стабилизатор (LDO), DC/DC преобразователь (2), разъем данных, разъем питания.

В качестве оптического приемника используется модуль SFP+-10G-02LR (TX,RX-1310 нм) фирмы UPNET.

Для физического интерфейса применена микросхема приемопередатчика QT2025-1 фирмы APPLIED MICRO.

Для задач, реализуемых в модуле МЦОС, предполагается использовать микросхемы оптического (модуля) приемника и физического интерфейса только в режиме приема.

На выходе микросхемы физического интерфейса данные формируются в интерфейсе XAUI и по 4 дифференциальным парам поступают на встроенные высокочастотные приемники с линии ПЛИС типа XC6SLX75T.

Предлагается для информационно-технического сопряжения изделия принять передачу по стандартному протоколу User Data protocol (UDP) c фиксированным значением длины пакета.

Для обеспечения синхронизации приемников ПЛИС с микросхемой физического интерфейса используется общий КГ.

С выхода ПЛИС данные по параллельной шине (LVDS) поступают на разъем данных, предназначенный для присоединения к плате ЦОС. По второму присоединительному разъему (разъем питания) на плату ввода поступает питание с платы ЦОС (+3,3В).

Применены два независимых DC/DC преобразователя для питания ПЛИС и микросхемы физического интерфейса. Для питания, встроенных в ПЛИС, высокочастотных приемников применен отдельный линейный стабилизатор (LDO).

Значение уникального MAC-адреса хранится ПЗУ и загружается в ПЛИС при каждом включении питания платы ввода.

Бинарный файл программы ПЛИС хранится в электрически-перепрограммируемой памяти (ФЛЭШ). Он записывается в нее специальными программными средствами с использованием стандартного отладочного кабеля, подключаемого через отдельный разъем (JTAG). Через этот же разъем при отладке платы программа может загружаться в ПЛИС непосредственно.

Обработка входных для платы ЦОС сигналов распределена между тремя компонентами: ПЛИС_0, ПЛИС_1, и ДСП.

В качестве их применены: XC6SLX150-2FGG900 (ПЛИС_0), XC6VLX240T-2FFG1156 (ПЛИС_1), OMAPL137BZKB3 (ДСП и Контроллер).

Укрупненная функциональная схема платы ЦОС представлена на рисунке 4.

В состав платы входят следующие основные компоненты: ПЛИС_0, ПЛИС_1, ДСП и контроллер, физический интерфейс Ethernet 1G (88E1111-B2-BAB1C000), физический интерфейс Ethernet 100М (DP83848I), ФЛЭШ (NAND), ФЛЭШ (SPI), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), КГ, отладочный интерфейс (RS232), порты для подключения загрузочных кабелей (JTAG_0, JTAG_1, JTAG_2), источники вторичного электропитания.

В ПЛИС_0 поступают данные с платы ввода по 16-разрядной параллельной шине, с физическими уровнями стандарта LVDS.

Обмен данными между ПЛИС_0, ДСП и ПЛИС_1 производится по стандартной шине ДСП (EMIFA).

Вывод результатов обработки через физический интерфейс Ethernet 1G формируется в ПЛИС_1.

Рисунок 4. Функциональная схема платы ЦОС

Бинарные файлы программ ПЛИС_0 и ПЛИС_1 размещаются в ФЛЭШ (NAND). Вместо интерфейса RS232 можно пользоваться отладочным портом JTAG_2. Для оперативной реконфигурации  ПЛИС_0 и ПЛИС_1 можно пользоваться отладочными портами JTAG_0 и JTAG_1.

В процессе включения питания платы ЦОС в рабочем режиме происходит старт ДСП и производится загрузка исполняемой программы из ФЛЭШ (SPI), а затем бинарных файлов программ ПЛИС_0 и ПЛИС_1 из ФЛЭШ (NAND).

В процессе функционирования платы ЦОС микросхема ДСП и контроллер использует ОЗУ, в качестве ее применена MT48LC32M16A2P-75.

Интерфейс управления (Ethernet 100M), подключенный к ЛВС физически отделен от интерфейса передачи данных (Ethernet 1G) для обеспечения исключения ошибок по управлению и индикации. По этому интерфейсу поступают команды от пульта оператора (смена каналов К1/К2, переход на резервный модуль МЦОС, изменение направления передачи и т д). Кроме этого команды запроса диагностики в рабочем/тестовом режиме.

Источники вторичного электропитания обеспечивают необходимую развязку по питанию компонентов платы.

Управление модулями производится по интерфейсу Ethernet "УПРАВЛ", поэтому же интерфейсу передаётся диагностическая информация в пульт оператора.

С выхода ПЛИС данные поступают на субмодуль сопряжения. Значение уникального MAC-адреса хранится в ПЗУ (SPI Flash) и загружается в ПЛИС при каждом включении питания.

Бинарный файл программы ПЛИС хранится в электрически-перепрограммируемой памяти (Nand Flash).

Вывод результатов обработки осуществляется через физический интерфейс Ethernet 1G, который также формируется в ПЛИС.

Таким образом, функциональная схема МЦОС будет выглядеть следующим образом:

Рисунок 5. Функциональная схема МЦОС

Список литературы:

1. Борисов В.И. и др. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты. - М.: Радио и связь, 2000. – 384 с.
2. LDO линейный стабилизатор напряжения с низким падением [Электронный ресурс]: Практическая электроника: URL: http://hardelectronics.ru/ldo-linejnyj-stabilizator-napryazheniya-snizkim-padeniem.html (дата обращения: 26.01.2021).
3. Цифровые сигнальные процессоры от Texas Instruments для мультимедийных приложений [Электронный ресурс]: Компаненты и технологии: URL: https://kit-e.ru/dsp-i-obrabotka-signalov/czifrovye-signalnye-proczessory-ot-texas-instruments-dlya-multimedijnyhprilozh-enij (дата обращения: 26.01.2021).
4. Квадратурная модуляция (I/Q): [Электронный ресурс]: Контрольно–измерительные приборы и системы: URL: https://www.kipis.ru/info/index.php?ELEMENT_ID=532923 (дата обращения: 26.01.2021).