CN109257513A - 一种基于SerDes的遥感图像传输系统和方法 - Google Patents

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程芸
于双江
王鹏
尹娜
翟国芳
周志娟
张磊
王建宇
苏蕾
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Abstract

一种基于SerDes的遥感图像传输系统和方法，通道选择模块接收外部多个通道的CCD数字图像信号，根据时序控制模块输出的通道选择信号，从多个通道数据之中选择一个通道的数据送至协议帧模块；时序控制模块根据外部输入时钟产生系统所需时钟及复位信号；计时模块在复位结束后进行计时；握手同步模块在计时模块计时的过程中产生同步握手信号，以建立链路通信；协议数据帧模块将选择出的通道数据按照约定的传输协议进行整理组包，得到数据帧；数据发送模块将数据帧根据8B/10B编码，之后将并行数据转化为串行数据进行发送；数据接收模块则将串行数据转化为并行数据，之后根据相应的解码规则进行解码。

Description

一种基于SerDes的遥感图像传输系统和方法
技术领域
本发明涉及一种航天遥感器技术领域，特别是一种基于SerDes的遥感图像传输系统和方法。
背景技术
随着传感器技术以及相应处理方法的不断发展，国内外遥感卫星有效载荷的空间、时间和光谱分辨率不断提高，相应的数据规模呈几何级数增长，高分辨率遥感卫星对于数据传输接口提出了更高的要求，其必须具有传输速率快、可靠性高、连接点少等特点。目前，大部分遥感卫星内部的设备间接口类型都是低压差分信号(LVDS)，图像数据传输接口的数据形式多为并行输出，这样的传输形式需要大量的连接电缆，并且传输速率较低，带来可靠性、成本、质量等问题，越来越不适应航天遥感技术的发展要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于SerDes的遥感图像传输系统和方法，解决了码间干扰难题，实现了航天遥感器内部系统间多通道图像数据高速稳定可靠传输。
本发明的技术方案是：一种基于SerDes的遥感图像传输系统，包括通道选择模块、时序控制模块、计时模块、握手同步模块、协议数据帧模块、数据发送模块、数据接收模块和传输模块；通道选择模块接收外部多个通道的CCD数字图像信号，根据时序控制模块输出的通道选择信号，从多个通道数据之中选择一个通道的数据送至协议帧模块；时序控制模块根据外部输入时钟产生系统所需时钟及复位信号；计时模块在复位结束后进行计时；握手同步模块在计时模块计时的过程中产生同步握手信号，以建立链路通信；协议数据帧模块将选择出的通道数据按照约定的传输协议进行整理组包，得到数据帧；数据发送模块将数据帧根据8B/10B编码，之后将并行数据转化为串行数据进行发送；数据接收模块则将串行数据转化为并行数据，之后根据相应的解码规则进行解码。
还包括用于将数据发送模块和数据接收模块之间的信号稳定可靠传输的传输模块。
所述传输模块包括匹配网络、隔离器、高速连接器和传输线；数据信号从数据发送模块出发，在发送端经过由若干匹配电阻组成的匹配网络，再经过隔离器进行信号隔离之后到达发送端高速连接器，发送端高速连接器通过传输线与接收端的高速连接器相连，再经过接收端的隔离器、匹配网络之后到达数据接收模块。
所述高速连接器的连接线采用两芯同轴电缆连接。
所述约定的传输协议为：首先发送时间长度为TH的同步字符作为握手信号，以确保链路建立起连接，发送数据时在数据头尾相应添加固定字符作为帧头和帧尾信号，在数据接收时当判断到固定字符的帧头信号时开始接收有效数据信号，直到判断到帧尾信号字符时结束一帧数据的接收；并且通过帧头帧尾信号来判断一帧数据是否完整。
一种基于SerDes的遥感图像传输方法，包括如下步骤：
(1)上电之后，首先发送同步握手信号，建立链路连接；经过时长为TR的上电复位后，开始对时钟进行计数，当计数值小于设定值H时，发送固定字符C6BC，作为同步握手信号，建立通信链路连接；
(2)将多通道图像数据进行判断，选择出需要发送的某通道图像数据；等待发送的N通道图像数据，根据通道选择信号判断选择出本时间段需要发送的某通道数据；
(3)按照约定的协议在数据头尾相应添加帧头帧尾信号，组成待发送的数据包；
(4)将数据帧按照8B/10B编码规则编码后，再将并行数据转化为串行数据发送出去；原16bit并行数据经过编码后成为20bit数据，并串转化后再以20倍于原速率的发送频率进行发送；
(5)串行数据通过传输媒介传送到接收端；在接收端通过串并转换将串行数据转化为并行数据，并且按照8B/10B解码，还原数据帧，通过判读固定字符的帧头帧尾信号，将有效图像数据从数据包中解析出来，完成接收。
所述TR＝1ms，H＝100000。
所述约定的传输协议为：首先发送时间长度为TH的同步字符作为握手信号，以确保链路建立起连接，发送数据时在数据头尾相应添加固定字符作为帧头和帧尾信号，在数据接收时当判断到固定字符的帧头信号时开始接收有效数据信号，直到判断到帧尾信号字符时结束一帧数据的接收；并且通过帧头帧尾信号来判断一帧数据是否完整。
在所述数据包开头添加固定字符3CFB作为帧头，尾部添加固定字符FCFE作为帧尾，组成完整的数据帧格式。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)为解决航天遥感器获取的大量图像信息的高速传输问题，本发明采用高速串行总线接口技术，由于将时钟与数据合并进行传输，从而克服了时钟和数据的抖动问题，可获得较佳的信号完整性；
(2)高稳定性是航天遥感数据传输的重中之重，因此在建立连接前与每帧数据传输之间都设计了同步握手信号的发送，降低误码率，保证数据传输的可靠性；
(3)本发明提出的高速数据传输方法，其关键是串行发送器/串行接收器(SerDes)的应用。在发送端，多路低速并行信号被转换成高速串行信号。这种点对点的串行通信技术充分利用传输媒介的信道容量，减少所需的传输信道和器件引脚数目，从而大大降低通信成本；
(4)采用差分信号传输代替单端信号传输，从而增强抗噪声、抗干扰能力；
(5)采用时钟和数据恢复技术代替同步传输数据和时钟，从而解决限制数据传输速率的信号时钟偏移问题；
(6)采用8B/10B编码技术，使编码后的数据中0、1的数量基本一致，连续的0、1不会超过5位，从而保证信号的直流平衡，能很好地满足高速信号传输的需求。
附图说明
图1为本发明一种基于SerDes的遥感图像传输结构图；
图2为接口阻抗匹配框图；
图3为传输接口信号屏蔽与接地示意图；
图4为数据帧的定义；
图5为协议工作过程示意图；
图6为伪随机码发生器原理图；
具体实施方式
如图1所示，一种基于SerDes的遥感图像传输系统，包含以下几个部分：通道选择模块、时序控制模块、计时模块、握手同步模块、协议数据帧模块、数据发送模块、数据接收模块和传输模块。通道选择模块接收外部4个通道(此处以4个通道为例)的CCD数字图像信号，根据时序控制模块输出的通道选择信号，从这4个通道数据之中选择其中之一，将其送至协议帧模块；时序控制模块根据外部输入时钟产生系统所需时钟及复位信号；计时模块在复位结束后进行TH的计时；握手信号产生模块在计时模块计时的过程中产生同步握手信号，以建立链路通信；协议数据帧模块将接收到的图像数据按照约定的传输协议进行整理组包；数据发送模块则将数据帧根据8B/10B编码后并串转换进行发送；数据接收模块则将数据根据8B/10B解码后串并转换进行接收；传输模块负责将信号稳定可靠的传输。
传输模块包括匹配网络、隔离器、高速连接器和传输线组成。接收部分与发送部分之间的传输线上的阻抗匹配关系如图2所示，以保证传输线上的信号完整性。为了适应航天应用，保证数据高速、可靠传输，收发端使用高速连接器连接，收发接口间的连接线采用两芯同轴电缆连接，以此传输一对差分信号，信号线屏蔽关系如图3所示，信号线上屏蔽层通过连接器接地。
为了启动串行接口数据传输，在建立物理链路之后，还需要对所传送数据的含义进行更详细的定义，之后数据才可在发送器和接收器之间相互传送。基于SerDes的高速串行接口，在互连协议上对于采用何种同步码只给出了一些选择项，并未明确规定，对于数据帧的格式也未确定格式，因此，在SerDes的高速串行接口协议框架下，针对航天应用的实际情况，本发明设计出了一种传输协议，其中包括数据帧的定义、协议规定和协议工作过程。
考虑实际应用情况，从提高可靠性角度出发，数据帧增加帧头、帧尾。设计传输协议的控制字符定义如表1所示，包括数据帧的帧头、帧尾以及同步字符。以16bit作为一个基本的传输单位，每一个控制字符都定义成2个字节。数据帧包括帧头、帧尾和数据单元三部分，如图4所示。传输时，帧和帧之间发送同步字符，保证传输链路的同步。
表1控制字符定义
说明 编码 占用时间周期个数
帧头 3CFB 1
帧尾 FCFE 1
同步字符 C6BC 1
本协议是基于点对点的单工串行传输制定的，对协议作如下的规定。
(1)数据在通道上以数据帧的形式传递。每个数据帧的开始和结束，分别用帧头控制字符和帧尾控制字符标出。
(2)传输中，数据帧与数据帧之间发送同步字符，以保持传输链路的同步状态，如果在传输过程中收发双方失去同步，则通过帧间的同步字符重新建立同步。
(3)在系统上电或复位后，收发双方要首先建立同步，发送端先发送同步字符并保持一定时间长度TH来建立与接收端的同步关系，之后发送数据帧。
协议的工作过程见图5，系统上电或复位后，收发双方处于失步状态(要求在发送端复位后，接收端要保证已处于接收状态)，发送端发送同步字符，时间长度为不小于TH，以发送时钟100MHz，TH＝1ms为例，当计时模块计数值小于100000时发送固定字符C6BC，计数结束后认为系统完成同步过程，发送端开始数据帧的发送。
在数据帧之间，发送端要发送同步字符，以保持数据传输链路的同步状态，发送同步字符的个数由传输空闲时间的长度决定，依此循环直至遥感相机停止工作。
为了测试传输误码率，采用伪随机码作为测试数据。伪随机码序列具有良好的抗干扰性和抗衰落能力，利用发送端发送伪随机码，在接收端接收测试传输误码，在通信领域是一种常用方式。针对本文提出的串行接口设计方案，选取特征多项式为
Y＝x15+x14+1 (1)
式中：Y为序列输出；X为原始序列。
伪随机码序列可以很方便地用若干个移位寄存器来产生，最常用的是D触发器。图6演示了一种采用带线性反馈的移位寄存器产生伪随机码序列的原理机制，级联移位寄存器根据选取的特征多项式，从而抽取寄存器的输出反馈来产生伪随机码。
试验中利用FPGA编程实现伪随机码发生，生成2Gbit/s的高速串行信号。用安捷伦公司误码仪进行长时间数据传输误码率测试，测试结果如表2所示。经过6个多小时的数据传输试验，累计多达2.191537×1015位数据中无误码出现，充分证明了本发明设计高速串行接口的稳定、有效。
表2误码率测试结果
航天遥感器获取的大量高速图像信息，使设备间大数据量的传输成为技术发展瓶颈。高速串行总线接口技术由于将时钟与数据合并进行传输，从而克服了时钟和数据的抖动问题，能够极大提高传输速率，减少IC外围引脚数.降低功耗并获得较佳的信号完整性。本文深入论述了用于航天遥感器高速数据传输的设计过程，并设计应用高速串行编解码收发器配合FPGA编程实现了设备间数据传输，通过伪随机码传输测试，实现了2Gbit/s的高速串行传输。而目前遥感卫星设备间数据传输一般采用并行方式，速率仅有800Mbit/s左右，本设计无疑为高分辨率遥感卫星的数据传输问题提供了一种解决方案。
本发明说明书中未详细描述内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种基于SerDes的遥感图像传输系统，其特征在于：包括通道选择模块、时序控制模块、计时模块、握手同步模块、协议数据帧模块、数据发送模块、数据接收模块和传输模块；通道选择模块接收外部多个通道的CCD数字图像信号，根据时序控制模块输出的通道选择信号，从多个通道数据之中选择一个通道的数据送至协议帧模块；时序控制模块根据外部输入时钟产生系统所需时钟及复位信号；计时模块在复位结束后进行计时；握手同步模块在计时模块计时的过程中产生同步握手信号，以建立链路通信；协议数据帧模块将选择出的通道数据按照约定的传输协议进行整理组包，得到数据帧；数据发送模块将数据帧根据8B/10B编码，之后将并行数据转化为串行数据进行发送；数据接收模块则将串行数据转化为并行数据，之后根据相应的解码规则进行解码。
2.根据权利要求1所述的一种基于SerDes的遥感图像传输系统，其特征在于：还包括用于将数据发送模块和数据接收模块之间的信号稳定可靠传输的传输模块。
3.根据权利要求2所述的一种基于SerDes的遥感图像传输系统，其特征在于：所述传输模块包括匹配网络、隔离器、高速连接器和传输线；数据信号从数据发送模块出发，在发送端经过由若干匹配电阻组成的匹配网络，再经过隔离器进行信号隔离之后到达发送端高速连接器，发送端高速连接器通过传输线与接收端的高速连接器相连，再经过接收端的隔离器、匹配网络之后到达数据接收模块。
4.根据权利要求3所述的一种基于SerDes的遥感图像传输系统，其特征在于：所述高速连接器的连接线采用两芯同轴电缆连接。
5.根据权利要求1-4任意所述的一种基于SerDes的遥感图像传输系统，其特征在于：所述约定的传输协议为：首先发送时间长度为TH的同步字符作为握手信号，以确保链路建立起连接，发送数据时在数据头尾相应添加固定字符作为帧头和帧尾信号，在数据接收时当判断到固定字符的帧头信号时开始接收有效数据信号，直到判断到帧尾信号字符时结束一帧数据的接收；并且通过帧头帧尾信号来判断一帧数据是否完整。
6.一种基于SerDes的遥感图像传输方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)上电之后，首先发送同步握手信号，建立链路连接；经过时长为TR的上电复位后，开始对时钟进行计数，当计数值小于设定值H时，发送固定字符C6BC，作为同步握手信号，建立通信链路连接；
(2)将多通道图像数据进行判断，选择出需要发送的某通道图像数据；等待发送的N通道图像数据，根据通道选择信号判断选择出本时间段需要发送的某通道数据；
(3)按照约定的协议在数据头尾相应添加帧头帧尾信号，组成待发送的数据包；
(4)将数据帧按照8B/10B编码规则编码后，再将并行数据转化为串行数据发送出去；原16bit并行数据经过编码后成为20bit数据，并串转化后再以20倍于原速率的发送频率进行发送；
(5)串行数据通过传输媒介传送到接收端；在接收端通过串并转换将串行数据转化为并行数据，并且按照8B/10B解码，还原数据帧，通过判读固定字符的帧头帧尾信号，将有效图像数据从数据包中解析出来，完成接收。
7.根据权利要求6所述的一种基于SerDes的遥感图像传输方法，其特征在于：所述TR＝1ms，H＝100000。
8.根据权利要求6所述的一种基于SerDes的遥感图像传输方法，其特征在于：所述约定的传输协议为：首先发送时间长度为TH的同步字符作为握手信号，以确保链路建立起连接，发送数据时在数据头尾相应添加固定字符作为帧头和帧尾信号，在数据接收时当判断到固定字符的帧头信号时开始接收有效数据信号，直到判断到帧尾信号字符时结束一帧数据的接收；并且通过帧头帧尾信号来判断一帧数据是否完整。
9.根据权利要求6-8任意所述的一种基于SerDes的遥感图像传输方法，其特征在于：在所述数据包开头添加固定字符3CFB作为帧头，尾部添加固定字符FCFE作为帧尾，组成完整的数据帧格式。
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