CN113364514A - 一种应用于卫星平台的高速基带数据处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于卫星平台的高速基带数据处理装置，若干组帧机构用于接收外部数据并进行组帧；若干加密机构用于接收组帧机构组帧后的数据并进行加密；若干编码机构用于接收加密机构加密后的数据并进行编码。组帧机构之间经组帧交换网络模块实现数据互相传递，组帧机构经组帧交换网络模块将数据输送至加密机构。加密机构之间经加密交换网络模块实现数据互相传递，加密机构经加密交换网络模块将数据输送至编码机构。编码机构之间经加密交换网络模块实现数据互相传递，编码机构经编码交换网络模块将数据输送至外部。本发明基于分布式网络的可扩展算法阵列，可极大提高卫星平台上算法装置设计的灵活性，按载荷数据需求灵活配置处理能力和能效。

Description

一种应用于卫星平台的高速基带数据处理装置
技术领域
本发明属于卫星数据处理领域，尤其涉及一种应用于卫星平台的高速基带数据处理装置。
背景技术
基带数据处理功能是航天器数据管理系统的重要功能，实现对载荷数据的组帧、加密、信道编码等功能，通常由FPGA软件实现。在近年来的卫星平台设计中，随着载荷性能的日益增强，所带来的载荷数据量激增、数据传输速率高等问题，需要卫星平台提供更强大的基带数据处理能力，包括更大的数据处理带宽、更丰富的处理算法、更高的算法能效等。
目前没有发现解决上述问题的说明或报道，也尚未收集到国内外类似设计的资料。因此，有必要设计一种应用于卫星平台的处理装置，可灵活配置以适应卫星载荷日益增高的数据速率和处理算力需求。
发明内容
本发明的技术目的是提供一种应用于卫星平台的高速基带数据处理装置，以解决数据处理能力差、效率低的技术问题。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种应用于卫星平台的高速基带数据处理装置，包括：组帧层、加密层和编码层；
组帧层包括若干组帧机构，组帧机构用于接收外部数据并进行组帧；
加密层包括若干加密机构，加密机构用于接收组帧机构组帧后的数据并进行加密；
编码层包括若干编码机构，编码机构用于接收加密机构加密后的数据并进行编码；
若干组帧机构均设有组帧交换网络模块，组帧机构之间经组帧交换网络模块实现数据互相传递，组帧机构经组帧交换网络模块将组帧后的数据输送至加密机构；
若干加密机构均设有加密交换网络模块，加密机构之间经加密交换网络模块实现数据互相传递，加密机构经加密交换网络模块将加密后的数据输送至编码机构；
若干编码机构均设有编码交换网络模块，编码机构之间经加密交换网络模块实现数据互相传递，编码机构经编码交换网络模块将编码后的数据输送至外部；
其中，组帧交换网络模块、加密交换网络模块和编码交换网络模块为分布式路由节点，采用统一的路由表实现数据传递与输送。
进一步优选地，组帧机构还设有依次信号连接的组帧接收缓存模块、组帧格式编排模块、组帧算法模块和组帧外存管理模块；
加密机构还设有依次信号连接的加密接收缓存模块、加密格式编排模块、加密算法模块和加密外存管理模块；
编码机构还设有依次信号连接的编码接收缓存模块、编码格式编排模块、编码算法模块和编码外存管理模块。
具体地，组帧接收缓存模块用于接收外部数据并缓存，组帧格式编排模块用于读取组帧接收缓存模块的数据，并编排成组帧算法模块所需要的数据格式后输入至组帧算法模块，组帧算法模块用于进行组帧运算，组帧外存管理模块用于作为组帧算法模块的外部缓存接口。
具体地，加密接收缓存模块用于接收组帧机构输出的数据并缓存，加密格式编排模块用于读取加密接收缓存模块的数据，并编排成加密算法模块所需要的数据格式后输入至加密算法模块，加密算法模块用于进行加密运算，加密外存管理模块用于作为加密算法模块的外部缓存接口。
具体地，编码接收缓存模块用于接收加密机构输出的数据并缓存，编码格式编排模块用于读取组帧接收缓存模块的数据，并编排成编码算法模块所需要的数据格式后输入至编码算法模块，编码算法模块用于进行编码运算，编码外存管理模块用于作为编码算法模块的外部缓存接口。
其中，组帧交换网络模块包括若干组帧交换网络单元、以及与组帧交换网络单元信号连接的组帧级联接口或组帧并行扩展接口；
组帧机构之间经组帧并行扩展接口实现数据互相传递，组帧机构经组帧级联接口将组帧后的数据输送至加密机构。
其中，加密交换网络模块包括若干加密交换网络单元、以及与加密交换网络单元信号连接的加密级联接口或加密并行扩展接口；
加密机构之间经加密并行扩展接口实现数据互相传递，加密机构经加密级联接口将加密后的数据输送至编码机构。
其中，编码交换网络模块包括若干编码交换网络单元、以及与编码交换网络单元信号连接的编码级联接口或编码并行扩展接口；
编码机构之间经编码并行扩展接口实现数据互相传递，编码机构经编码级联接口将编码后的数据输送至外部。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
本发明设置基于分布式网络实现的可扩展算法阵列，在卫星基带数据处理领域属首次应用，可极大提高卫星平台上算法装置设计的灵活性，根据载荷数据需求灵活配置处理能力和能效。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1为本发明的一种应用于卫星平台的高速基带数据处理装置的单层示意图；
图2为本发明的一种应用于卫星平台的高速基带数据处理装置的原理框图；
图3为本发明的一种应用于卫星平台的高速基带数据处理装置的组帧层示意图；
图4为本发明的一种应用于卫星平台的高速基带数据处理装置的加密层示意图；
图5为本发明的一种应用于卫星平台的高速基带数据处理装置的编码层示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种应用于卫星平台的高速基带数据处理装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
实施例
参看图1至图5，本实施例提供一种应用于卫星平台的高速基带数据处理装置，包括：组帧层、加密层和编码层。
参看图2和图3，在本实施例中，组帧层包括2个组帧机构，组帧机构用于实现对基带数据的传输帧组帧功能。
组帧机构内设有组帧接收缓存模块、组帧格式编排模块、组帧算法模块、组帧外存管理模块和组帧交换网络模块。组帧接收缓存模块共有2个，用于分别接收外部数据并缓存于其中。组帧格式编排模块同样为2个，与组帧接收缓存模块相对应信号连接，用于读取组帧接收缓存模块的数据，并编排成组帧算法模块所需要的数据格式后输入至组帧算法模块。具体地，组帧算法模块为AOS组帧算法模块，用于进行组帧运算，其帧格式如表1所示。组帧外存管理模块与组帧算法模块信号连接，可以进行信号交互，组帧外存管理模块用于作为组帧算法模块的外部缓存接口。
表1
Figure BDA0003093517620000041
Figure BDA0003093517620000051
组帧交换网络模块包括4个组帧交换网络单元、以及分别与组帧交换网络单元信号连接的2个组帧级联接口和2个组帧并行扩展接口。2个组帧机构之间通过上述2个组帧并行扩展接口实现数据互相传递。此外，组帧机构经2个组帧级联接口将组帧后的数据输送至与之信号连接的加密机构。
参看图2和图4，在本实施例中，加密层包括4个加密机构，加密机构用于实现对传输帧的加密功能，将传输帧数据区的数据进行加密运算，生成的密钥填入传输帧的密钥区中。
加密机构内设有加密接收缓存模块、加密格式编排模块、加密算法模块、加密外存管理模块和加密交换网络模块。具体地，共有2个加密接收缓存模块，用于分别接收与之信号连接的组帧交换网络单元输出的数据并缓存。相对应地，加密格式编排模块同样为2个，用于读取与之信号连接的加密接收缓存模块的数据，并编排成加密算法模块所需要的数据格式后输入至加密算法模块。加密算法模块用于进行加密运算。加密外存管理模块与加密算法模块信号连接，可进行信号交互，用于作为加密算法模块的外部缓存接口。加密交换网络模块包括4个加密交换网络单元、以及分别与加密交换网络单元信号连接的2个加密级联接口和2个加密并行扩展接口。4个加密机构之间经加密并行扩展接口实现数据互相传递，可直接传递或间接传递，加密机构经加密级联接口将加密后的数据输送至编码机构。
参看图2和图5，在本实施例中，编码层包括4个编码机构，编码机构用于实现对传输帧的信道编码功能，根据传输帧的内容计算得到LDPC编码，填入传输帧的编码区中。
编码机构内设有编码接收缓存模块、编码格式编排模块、编码算法模块、编码外存管理模块和编码交换网络模块。具体地，编码接收缓存模块用于接收与之信号连接的加密交换网络单元输出的数据并缓存。相对应地，编码格式编排模块为2个，用于读取与之信号连接的组帧接收缓存模块的数据，并编排成编码算法模块所需要的数据格式后输入至编码算法模块。在本实施例中，编码算法模块为LDPC编码算法模块，编码算法模块用于进行编码运算。编码外存管理模块与编码算法模块信号连接，可进行信号交互，编码外存管理模块用于作为编码算法模块的外部缓存接口。编码交换网络模块包括4个编码交换网络单元、以及与编码交换网络单元信号连接的2个编码级联接口和2个编码并行扩展接口。4个编码机构之间经编码并行扩展接口实现数据互相传递，可直接传递或间接传递，编码机构经编码级联接口将编码后的数据输送至外部。
综上，参看图2，本实施例可实现高运算密度和高能效的基带处理算法。采用FPGA构成算法电路，并基于FPGA的可重构功能构建算法外围的交换网络，根据卫星平台的算力需求扩展算力，形成算法阵列。
本实施例所实现的基带处理算法阵列，是一种可扩展的多节点分布式阵列：每个算法电路作为阵列中的节点，即图2中的组帧机构、加密机构和编码机构作为节点，且均为FPGA算法电路。各节点之间通过交换网络实现数据交换；阵列节点支持并行扩展和级联扩展，数据可在同级节点之间以任意的方向传递，在上下级节点间单向传递。网络结构为分布式结构，无中心节点，每个网络模块作为分布式路由节点，采用统一的路由表实现数据交换。路由表存储交换网络内所有节点的数据来源及去向，各节点可根据路由表控制数据的流向。
本实施例硬件主要包括SRAM型FPGA，集成了接收缓存模块、格式编排模块、算法模块和交换网络单元，可选用Xilinx公司XQ4VSX55-FF1148M芯片实现；并行扩展接口采用TLK2711 Serdes对外接口芯片，级联接口则采用FPGA内部的GTX接口实现；外围使用的外存芯片，即交换网络模块可选用3D-plus公司的3D1D2G32TS2268芯片实现。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种应用于卫星平台的高速基带数据处理装置，其特征在于，包括：组帧层、加密层和编码层；
所述组帧层包括若干组帧机构，所述组帧机构用于接收外部数据并进行组帧；
所述加密层包括若干加密机构，所述加密机构用于接收所述组帧机构组帧后的数据并进行加密；
所述编码层包括若干编码机构，所述编码机构用于接收所述加密机构加密后的数据并进行编码；
若干所述组帧机构均设有组帧交换网络模块，所述组帧机构之间经所述组帧交换网络模块实现数据互相传递，所述组帧机构经所述组帧交换网络模块将组帧后的数据输送至所述加密机构；
若干所述加密机构均设有加密交换网络模块，所述加密机构之间经所述加密交换网络模块实现数据互相传递，所述加密机构经所述加密交换网络模块将加密后的数据输送至所述编码机构；
若干所述编码机构均设有编码交换网络模块，所述编码机构之间经所述加密交换网络模块实现数据互相传递，所述编码机构经所述编码交换网络模块将编码后的数据输送至外部；
其中，所述组帧交换网络模块、所述加密交换网络模块和所述编码交换网络模块为分布式路由节点，采用统一的路由表实现数据传递与输送。
2.根据权利要求1所述的应用于卫星平台的高速基带数据处理装置，其特征在于，所述组帧机构还设有依次信号连接的组帧接收缓存模块、组帧格式编排模块、组帧算法模块和组帧外存管理模块；
所述加密机构还设有依次信号连接的加密接收缓存模块、加密格式编排模块、加密算法模块和加密外存管理模块；
所述编码机构还设有依次信号连接的编码接收缓存模块、编码格式编排模块、编码算法模块和编码外存管理模块。
3.根据权利要求2所述的应用于卫星平台的高速基带数据处理装置，其特征在于，
所述组帧接收缓存模块用于接收外部数据并缓存，所述组帧格式编排模块用于读取所述组帧接收缓存模块的数据，并编排成所述组帧算法模块所需要的数据格式后输入至所述组帧算法模块，所述组帧算法模块用于进行组帧运算，所述组帧外存管理模块用于作为所述组帧算法模块的外部缓存接口。
4.根据权利要求2所述的应用于卫星平台的高速基带数据处理装置，其特征在于，
所述加密接收缓存模块用于接收所述组帧机构输出的数据并缓存，所述加密格式编排模块用于读取所述加密接收缓存模块的数据，并编排成所述加密算法模块所需要的数据格式后输入至所述加密算法模块，所述加密算法模块用于进行加密运算，所述加密外存管理模块用于作为所述加密算法模块的外部缓存接口。
5.根据权利要求2所述的应用于卫星平台的高速基带数据处理装置，其特征在于，
所述编码接收缓存模块用于接收所述加密机构输出的数据并缓存，所述编码格式编排模块用于读取所述组帧接收缓存模块的数据，并编排成所述编码算法模块所需要的数据格式后输入至所述编码算法模块，所述编码算法模块用于进行编码运算，所述编码外存管理模块用于作为所述编码算法模块的外部缓存接口。
6.根据权利要求1所述的应用于卫星平台的高速基带数据处理装置，其特征在于，所述组帧交换网络模块包括若干组帧交换网络单元、以及与所述组帧交换网络单元信号连接的组帧级联接口或组帧并行扩展接口；
所述组帧机构之间经所述组帧并行扩展接口实现数据互相传递，所述组帧机构经所述组帧级联接口将组帧后的数据输送至所述加密机构。
7.根据权利要求1所述的应用于卫星平台的高速基带数据处理装置，其特征在于，所述加密交换网络模块包括若干加密交换网络单元、以及与所述加密交换网络单元信号连接的加密级联接口或加密并行扩展接口；
所述加密机构之间经所述加密并行扩展接口实现数据互相传递，所述加密机构经所述加密级联接口将加密后的数据输送至所述编码机构。
8.根据权利要求1所述的应用于卫星平台的高速基带数据处理装置，其特征在于，所述编码交换网络模块包括若干编码交换网络单元、以及与所述编码交换网络单元信号连接的编码级联接口或编码并行扩展接口；
所述编码机构之间经所述编码并行扩展接口实现数据互相传递，所述编码机构经所述编码级联接口将编码后的数据输送至外部。
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