实施方案v10前端处理机中科院遥感地球所

1、 一号地建设项目实施方案目录目 录i图 目 录v表 目 录vi1.文档说明71.11.21.3标识7文档概述7术语与定义72.项目概述82.12.22.32.42.5项目来源9项目研制内容9项目的目标9项目周期9项目的意义和作用9文档103.4.分系统设计114.1 分系统设计方案114.1.14.1.24.1.3分系统概述11分系统设计原则11分系统. 124.1.3.1 高速并行处理技术124.1.3.2 高速数据存取技术13分系统结构134.1.44.1.5分系统接口. 154.1.5.14.1.5.2. 15. 16分系统外部接口分系统内部接口i 一号地建设项目实施方案4.1.64.1

2、.74.1.84.1.9分系统工作流程17分系统软硬件环境18分系统功能指标20分系统性能指标214.1.10 主要指标分析214.1.10.14.1.10.24.1.10.3预处理及格式速度21数据解压缩速度26数据速度264.1.11 指标分配26各配置项设计方案274.24.2.1管理配置项274.2.1.14.2.1.24.2.1.34.2.1.44.2.1.5体系结构27接口. 30工作流程31子系统功能指标35子系统性能指标364.2.2数据处理配置项364.2.2.14.2.2.24.2.2.34.2.2.44.2.2.5体系结构36接口. 37工作流程39功能指标40性能指标4

3、04.2.3快视处理配置项404.2.3.14.2.3.24.2.3.34.2.3.44.2.3.5体系结构40接口. 41工作流程42功能指标42性能指标434.2.4解压缩配置项43ii 一号地建设项目实施方案4.2.4.14.2.4.24.2.4.34.2.4.44.2.4.5体系结构43接口. 45工作流程45功能指标46性能指标465.分系统实施途径475.15.25.35.4研制现状和工作基础47实施路线与. 47分系统软硬件部署48软硬件支撑环境需求486.其他非功能性设计496.16.26.36.46.5可靠性设计49维修性设计50保障性设计50测试性设计51安全性设计526.

4、5.16.5.26.5.3电安全性52结构安全性53人身安全性536.66.7环境适应性设计54电磁兼容性设计557.需求满足度说明577.1 功能指标满足度说明577.2 性能指标满足度说明57分系统实施管理588.8.18.28.3实施技术流程58实施进度与节点交付内容58分系统实施团队58iii 一号地建设项目实施方案8.4 分系统交付成果588.4.18.4.28.4.3分系统硬件. 58. 59分系统业务分系统技术文档资料598.5 实施进度与质量的保障措施59结束语619.iv 一号地建设项目实施方案图 目 录框图8图2-1工程图4-1处理链路及前端处理机11前端处理机分系统结构1

5、4图4-2. 15. 16图4-3前端处理机分系统外部接口图4-4前端处理机分系统内部接口图4-5前端处理机工作流程图17前端处理机功能流程图18同步帧结构21前端处理机软硬件部署图22解扰过程24并行 PN 码生成原理示意图24图4-6图4-7图4-8图4-9图4-10. 25图4-11基带数据格式与 CCSDS 分层对映管理配置项组成图27管理配置项层次结构图30图 4-12图 4-13系统内部接口图31图 4-14任务调度与图 4-15 数据处理配置项组成及层次结构图36图 4-16 数据处理配置项内部接口图38图 4-17 数据处理配置项工作流程图39图 4-18 快视处理配置项界面原

6、型41图 4-19 快视处理配置项接口图42图 4-20 快视处理配置项工作流程图42图 4-21 JPEG2000 压缩结构43图 4-22 JPEG2000 解压缩结构43解压缩配置项层次结构45图 4-23图 5-1 前端处理机软硬件部署图48v 一号地建设项目实施方案表 目 录术语7文档列表10前端处理机软硬件环境表19前端处理机主要技术指标分配26表1-1表3-1表4-1表4-2表 4-3管理配置项业务模块接口表31业务模块接口表38业务模块接口表42表 4-4 数据处理配置项表 4-5 快视处理配置项表5-1 前端处理机软硬件环境支撑需求487-1 系统主要功能要求满足情况说明57

7、7-2 系统主要性能要求满足情况说明578-1 实施进度与节点交付内容588-2 实施团队及任务分工58表表表表. 59表8-3交付vi 一号地建设项目实施方案1. 文档说明1.1 标识本文档的编号为 SZ1-SSFA-20171111-V01。本文档的标题为“本文档适用于建设项目前端处理机实施方案”。建设项目。一号地一号地本文档的版本号为 V01。1.2 文档概述本文件根据一号地建设任务需求，提出了一号前端处理机实施方案。详细说明了前端处理机的系统设计、子系统设计、实施途径、六性设计、需求满足度说明及实施内容。1.3 术语与定义表1-1术语7术语/缩略语英文全名中文说明SARSyntheti

8、c Aperture Radar孔径雷达DEMDigital Elevation M数字高程模型FEPFront End Processor前端处理机FPGAField Programmable Gate Array现场可编程逻辑阵列CPUCentral Processing Unit处理器GPUGraphic Processing Unit图像处理器ASICApplication Specific Integrated Circuit集成电路MPIMessage Passing Interface消息传递接口OpenMPOpen Multi-Processing开放多核处理ALUAlgori

9、thm Logic Unit算术逻辑单元BAQBlock Adaptive Quzation块自适应量化JPEGJoint Photographic Experts Group一种国际图像压缩标准BERBit Error Rate误码率CCSDSConsulting Committee for Space Data System空间数据系统咨询委员会 一号地建设项目实施方案2. 项目概述一号 SAR 遥感根据市场需求，可实现城市安全及工程动态监测、高精度 DEM 获取、三维城市建模、地质灾害动态监测、交通设施养护动态监测、多云多雨地区高分辨率遥感数据土地覆盖监测应用、灾害应急响应、船舶识别及动

10、态跟踪、海洋环境动态监测、多云多雨地区地理国情应用等多方面应用。是一个主要基于微小雷达观测群的计划。首次发射 1 颗，一号后续发射多颗并组网，实现全球覆盖、全天候、准时实时遥感观测的服务能力。一号项目涉及的航天遥感工程系统、运载系统、发、测控系统，以及地面应用系统，各工程如图2-1工程大系统框图图2-1 所示。图 2-1 工程框图前端处理机（FEP）属于地面应用系统的一部分，用于完成数据预处理前的原始数据相关数据处理，并为预处理分系统提供标准的数据及。本文档FEP 任务需求，基于高性能、自动化及工程化实现的出发点，提出了一号地面应用系统 FEP 的实施方案。本方案重点对 FEP 的系统及子系统

11、设计、实施途径、六性设计、需求满足度分析及实施方面进行了描述。本文档将作为后续 FEP 设计、建设、测试和项目实施的主要依据。8 一号地建设项目实施方案2.1 项目来源本项目来源于中科遥感的一号系统项目。2.2 项目研制内容前端处理机的研制内容一号的原始数据获取，原始数据格式解析，信源及信道解扰解译，数据拼接及拆分，数据解压缩，辅助数据提取，预处理数据格式化，前端处理机的。2.3 项目的目标本项目的目标是实现一套高效的一号数据前端处理机，可自动化完成一号的原始数据的处理。2.4 项目周期本项目周期为 2017 年 8 月2018 年 12 月。2.5 项目的意义和作用前端处理机是衔接地面接收系

12、统地面应用系统数据交互的必要环节，可将地面接收系统生成的遥感原始数据与交换格式转换为地面应用系统数据预处理需要的数据格式，并提取相关的辅助。本项目的实施将的支撑深圳一号数据落地后的数据处理，并为一号后续的地面应用系统建设提供可扩展的基础框架。9 一号地建设项目实施方案3.文档表3-1文档列表10序号标题修订版本修订日期来源1遥感原始数据与交换格式GB/T 31011-20142014 年 9 月化管理委员会21 号地面系统建设任务需求讨论稿2017 年 7 月中科遥感（） 应用中科遥感卫星3前端处理机方案设计报告讨论稿2017 年 10 月科学院遥感与数字地球研究所4. 分系统设计4.1 分系

13、统设计方案4.1.1 分系统概述一号原始数据SAR 数据、成像数据和服务类数据。链路示意图及前端处理机在系统中的位置如图 4-1 所示。前端处理机主要用于完成地面接收系统信号解调后，数据预处理分系统前的相关数据处理，数据帧同步、解格式、解扰等预处理，成像数据、数据及 SAR 数据提取及数据拼接等格式其他系统提供标准或定制的数据及处理，数据解压缩等处理功能，为。前端处理机管理管控系统模拟测试格式解析质量分析快视显示预处理解压缩流 数据流数据存取图 4-1处理链路及前端处理机4.1.2 分系统设计原则前端处理机的建设运行遵循“统筹建设、委托管理运行”的基本思路。统筹建设：前端处理机由中科遥感负责组

14、织建设及运行，建立一号及后续的共享协调机制，最大程度地提高建设及应用效益。委托管理：前端处理机的运行管理由中科遥感负责，其 IT基础设施依托中科遥感的数据中心，由中科遥感数据中心实施长期运行、管理与维护。运行：前端处理机以“标准化、模块化、可扩展化，较高的可靠性，较强的故障自及修复能力”为分系统设计研制原则，具有高度的运行能力。同时，前端处理机的设计遵循如下三性设计：11数管系统、解压成像数据数据SAR数据地面接收系统数传系统解调器卫星数传系统预处理系统通用性：所有可以设置的参数通过配置文件或者界面配置来实现，具有兼容处理多颗数据的能力。可扩展性：处理功能的处理顺序可以灵活配置，同时也可以通过

15、扩展数量来实现处理能力的提升；易操作性：人机交互界面友好界面操作简洁明了，关键醒目显示。4.1.3 分系统前端处理机主要进行原始数据的亟待处理，所涉及的有高速并行处理技术及高速数据存取技术。4.1.3.1 高速并行处理技术并行处理技术是当前各种平台上数据处理的一个热点处理中计算密集的计算过程进行并行处理，是提高处理速度的常用处理方式。x86 平台上也早已从追求 CPU 主频变为追求多路多核多线程，在于每个 CPU 核只能包含 12 个 ALU(算术逻辑单元)，处理过的任何操作都需要通过 ALU 来完成，因此只能不断地提高主频以便减少每次 ALU 执行的时间。常用的并行处理方式基于多 CPU 多

16、线程 MPI/OpenMP，基于 FPGA/GPU 的协处理器及基于ASIC 的考虑处理器。基带处理过程的细处理粒度（比特级）及实现的环境，适合使用基于 FPGA 的协处理器实现并行处理。而随着机器学习（深度学习）技术的迅速发展，近 2 年国内外的众多平台均推出了基于 FPGA 的AWS云，如F1），（FACS），（FPGA 云服务器），腾讯（FPGA 云服务器）及阿里（F2）等。基于 FPGA 的并行处理采用 FPGA+DDR+PCIe+SSD 的架构进行实现。其中 FPGA 是大规模可编程逻辑器件，可进行待DDR 是高速大容量缓存，用于和 FPGA 进行直接算法的高速并行处理实现；，为 F

17、PGA 并行处理提供高速缓存；PCIe 是将 FPGA+DDR 板卡与计算机主机连接的高带宽低延迟计算机总线，可将处理前后的数据在主机内存和卡 DDR 缓存上进行快速数据交换；SSD 是主机高速固态，可在主机硬盘和主机内存间进行高速数据读写。因此该架构体现的是一种高速“并行处理+缓存+交换+存取”技术。FPGA 是一种拥有海量 ALU 资源的元器件，其基本的 LUT(查找表)资源结12构可以搭建丰富的 ALU 单元，同时 FPGA 还拥有数量可观的DSP 资源，每个 DSP 模块中包含高速乘法器、加法器、累加器、移位器等资源，功能远强于CPU 中的 ALU(只有加法器)，以 Xilinx 公司

18、的 Kintex7 系列 FPGA 为例，其最多可拥有 1920 个 DSP 单元，以每个工作频率 500MHz 估算，其计算能力是2.4GHz 的 8 颗 6 核 XeonX7450 CPU 的 8.3 倍：(1920 × 500)(8 × 6 × 2400) = 8.3而这还不考虑 CPU 在其它系统运行中的巨大开销，以及 FPGA 中 DSP 单元的强大性能，因此 FPGA 的计算能力要远大于 CPU。另一方面，FPGA 中丰富的可定制接口、布线资源和逻辑资源可方便的实现对数据流的并行化处理，例如数据解压缩，即可实现并行处理，提高图像的处理效率。在本项目中，

19、采用 FPGA 进行一号的数据预处理、格式及解压缩等处理工作，可大幅提高数据的处理速度，减少对服务器 CPU 的处理能力需求，使系统工作更，高效。4.1.3.2 高速数据存取技术在一号的基带数据处理过，许多处理环节需要在硬件上进行处理，硬件是否能对各处理环节的缓存数据进行高效协调管理和高速存取，会极大地影响硬件的处理性能。采用 FPGA 和硬器器核对高速器进行管理，是 FPGA 固件设计的之一。同各处理环节中形成的原始数据、压缩数据、解压缩数据、移动窗数据以及 0 级数据等，都可能需要通过 PCI Express 总线传输至上位机服务器上，实现对服务器内存及磁盘的高速数据存取，防止数据传输过的

20、数据丢失也是处理板卡研制中的之一。4.1.4 分系统结构前端处理机根据本地或上级分系统下达的任务单，完成数据格式，解扰，数据整理，数据解压缩，数据，辅助数据提取等处理及中间数据等功能，并提供相关处理过程的状态和统计；支持用户对系统资源、处理参数、处理流程、系统及处理日志、任务和作业等进行可视化管理；支持系统自检等自测试13功能。前端处理机主要由 4 个配置项组成，分别是快视处理配置项，管理配置项，数据处理配置项和解压缩配置项。4 个配置项可进一步分为 8 个子系统组成，6 个通用子系统和 2 个子系统。6 个通用子系统任务调度与系统、与系统、数据处理子系统、测试子系统、数据存取子系统及快视子系

21、统， 2 个分系统结构示意图如下图所示。子系统解压及子系统。快视子系统快视处理前端处理机测试子系统解压缩前后数据数据存取子系统数据前后数据任务调度与系统管理任务与系统数据处理数据处理子系统数据图 4-2 前端处理机分系统结构功能组成如下：1)任务调度与系统：实现前端处理机业务的分解、调度和反馈，调度各子系统完成相应功能，对任务进行集中监视和管理，并根据的反馈上报任务状态，具备任务消解能力；2)与系统：实现前端处理机的本地和，根据本控或远控的任务需求，生成执行指令，并对前端处理的各类、配置等进行集中管理，任务及数据的管理与，系统处理参数的配置，系统资源的管理与配置，处理的管理以及日志的综合；3)

22、数据处理子系统：实现前端处理机需要开展的数据预处理、格式、解压缩、质量分析等功能，可根据定制要求完成指定的某种处理功能或组合的处理功能，各处理功能的处理顺序可定制；4)测试子系统：用于为其他系统或模块提供测试数据源，14原始数据、用户管控分系统数管分系统硬件解压子系统解压缩定制数据、伪随机序列数据等，可利用模拟数据对分系统的软硬件及系统状态进行自检，利用外部定制数据对分系统功能进行检定，提供前端处理机各子系统、主要模块的自检结果；5)数据存取子系统：用于前端处理机与数据管理分系统的高速，原始数据的获取以及处理后的数据；同时数据存取子系统还用于前端处理机通用子系统与子系统的高速，解压缩前后数据和

23、前后数据。6)7)快视子系统：用于对解压缩后的成像数据进行实时移动窗显示。解压：用于对遥感数据进行解压缩处理，解压缩处理是压缩过程的逆过程，由模块进行实现，前端处理机进行集成。8)子系统：用于对遥感数据进行处理，处理是加密过程的逆过程，由模块进行实现，前端处理机进行集成。4.1.5 分系统接口4.1.5.1 分系统外部接口前端处理机与外部的接口如下图所示：前端处理相关任务原始数据任务确认处理后数据前端处理机状态辅助数据任务执行情况监视处理完成情况任务执行情况报告图 4-3 前端处理机分系统外部接口前端处理机外部接口：1)与管理分系统接口lllll前端处理机相关任务任务接受、拒绝确认任务执行情况

24、报告任务执行情况监视状态15数据存储管理分系统管理控制分系统2)与数据l管理分系统接口原始数据lll处理后数据辅助数据处理完成情况上述两个接口均采用网络接口实现。4.1.5.2 分系统内部接口前端处理机内部的接口如下图所示：测试子系统测试任务参数及配置任务反馈测试状态快视参数及配置原始数据、处理后数据设备监控与信息管理子系统子系统测试数据解压缩数据、数据、辅助数据、测试数据快视状态任务调度与管理子系统快视数据指令测试或处理任务参数及配置前端处理相关任务数据存取子系统状态任务反馈数据存取状态参数文件原始数据或测试数据处理后 数据、辅助数据、测试数据任务执行情况监视任务反馈完成情况反馈数据格式模块

25、日志测试或处理任务参数及配置质量分析报告任务反馈数据处理子系统处理状态图 4-4 前端处理机分系统内部接口前端处理机内部接口：1)任务调度与系统向下发的任务单；2)向任务调度与系统返回的任务反馈（接受及拒绝确认）；3)与系统向下发的参数及配置；4)向与系统返回的状态；5)测试子系统向数据存取子系统发送的测试数据；6)数据存取子系统向数据处理子系统发送的待处理数据；7)数据处理子系统向数据存取子系统发送的处理缓存数据；8)数据处理子系统向数据存取子系统发送的处理后数据及辅助数据；9)数据存取子系统向快视子系统发送快视数据。16数据预处理模块质量分析模块数据解压缩模块4.1.6 分系统工作流程前端

26、处理机本地用户前端处理相关任务远控任务并完成资源初始化任务确认前端处理相关任务本控任务并完成资源初始化处理前数据预处理预处理后数据任务执行情况监视格式格式后数据任务执行情况监视解压缩任务执行情况监视解压缩后数据服务数据快视处理情况报告任务执行情况监视图 4-5 前端处理机工作流程图前端处理机的工作流程如图 4-5 所示，描述如下：1) 管控分系统或本地用户将前端处理相关任务下达给前端处理机，前端处理机的任务调度与系统该任务并完成资源初始化操作，对于管控分系统下达的任务进行任务确认；对于可接受的任务进行分系统的资源初始化并返回任务接受确认，对不可接受的任务返回任务拒绝确认；2) 根据任务的安排，

27、数据管理分系统指定目录下的遥感17原始数 数据管理 分系统任务执行管控分系统据，并进行数据预处理及格式；根据任务参数配置可将预处理后及格式后的数据在数据管理分系统的指定目录下；3)预处理及格式后的数据，通过解压缩及子系统进行解压缩和，并将解压缩及的数据进行格式整理，根据任务参数配置将解压后的数据及出的服务数据在数据管理分系统的指定目录下；4)解压缩及后的成像数据可以进一步处理，形成快视数据格式，并发送给快视子系统进行移动窗显示；5)前端处理机在进行上述处理时可以向管控分系统上报任务执行情况监视信息；并在完成上述处理后向管控分系统上报任务执行情况报告。下图是前端处理机的功能流程图，其中给出了前端

28、处理机不同功能之间的数据流向。/响应/响应/响应/响应/响应/响应/响应成像压缩数据成像解压缩数据预处理后数据测试数据SAR压缩数据预处理后数据/压缩数据， 服务类数据解压缩数据， 服务类数据/ 快视图像原始数据/ 预处理后数据各类数据压缩数据/ 解压缩数据加密数据/数据测试数据原始数据/ 0级数据图 4-6前端处理机功能流程图4.1.7 分系统软硬件环境前端处理机的软硬件环境如表 4-1 所示，前端处理机采用的硬件任务管理与操作终端 1 台、数据处理工作站 1 台以及快视显示终端 1 台，在处理工作站中部署的处理硬件，共享数据管理分系统的部分存储空间。18数据存取数管分系统子系统数据其他系统

29、处理服务器本地高速存储快视处理JPEG解压缩解压子系统BAQ解压缩格式解析预处理数据模拟系统测试任务管理及、数据质量分析管控分系统表4-1前端处理机软硬件环境表19分项名型号 规 格数量备注预处理服务器数据处理服务器处理器：INTEL XEON E5 2697V3 *2（十四2.6GHz，L3 缓存：35MB内存：4*16GB DDR4 RECC 1600硬盘：INTEL 240G SSD 固态硬盘*2（系统盘）/Intel 3510 系列 480G 固态硬盘*10 个硬盘（数据盘），可支持 RAID0、1、5、6 等网络接口：集成 Intel 双千兆网卡，双口INTEL 万兆网卡RAID 卡

30、：Adaptec 71605 RAID 卡,可支持 16片 SAS 或者 SATA 硬盘，4GB 缓存显卡：配置显卡，显存不低于 2GB电源：冗余电源操作系统：RHEL 6.71数据处理包硬件加速卡PCI Express 2.0x8；4GB 缓存；Kintex 7 FPGA1-2数据处理固件包任务管理与设备终端处理器：Intel 酷睿 i7-4790，主频 3.6GHZ内存：8G硬盘：1 块 3TB 7.2Krpm SATA 硬盘网络接口：具备千兆以太网口 1 个显卡：配置显卡，显存不低于 2GB显示器：配置 24"宽屏液晶显示器，支持 USB3.0 接口，配置鼠标和键盘。电源：冗余

31、热插拔电源操作系统：配置 windows7 64 位 简体中文版本。1管理快视显示终端处理器：Intel 酷睿 i7-4790，主频 3.6GHZ内存：8G硬盘：1 块 3TB 7.2Krpm SATA 硬盘网络接口：具备千兆以太网口 1 个显卡：配置显卡，显存不低于 2GB显示器：配置 24"宽屏液晶显示器，支持 USB3.0 接口，配置鼠标和键盘。电源：冗余热插拔电源操作系统：配置 windows7 64 位 简体中文版本。1快视显示4.1.8 分系统功能指标一号前端处理机完成SAR 数据、成像数据以及数据在内的全部原始数据的处理，数据预处理、格式、解压缩及快视显示，同时还具备数

32、据模拟及测试、质量分析功能，整个处理系统是一个自动化运行系统，具有管理和管理功能。主要功能要求：1) 任务调度与管理功能：调度前端处理机处理资源完成远控、本控下达的不同数据处理需求的任务管理；2) 预处理功能：对原始数据数据进行帧同步、解扰、数据校验等处理，并将处理后的数据发送给格式模块；3) 格式功能：对做完预处理的数据进行拼接、解交织、解格式，根据需要将接力下传的数据进行拼接，根据虚拟信道标识提取不同虚拟信道的压缩码流，并把分路后的数据发送给对应的解压缩模块进行后续处理，同时将不需要解压缩的服务类数据直接进行归档或发送给其他；4) 解压缩及功能：对格式后的压缩数据进行解压缩机处理，并把解压

33、缩机后的数据和不需要解压缩的辅助数据组装成约定格式，再发送给数据管理系统；5) 数据质量分析功能：具备对1 号原始数据质量的分析功能，统计分析预处理、格式、解压缩过各处理功能的处理情况，给出出现异常的数据格式的分析结果，全面反映基带数据的数据质量；6) 数据模拟功能：为其他系统或模块提供测试数据源，原始数据、用户定制数据、伪随机序列数据等；7) 数据存取功能：统一管理前端处理机各处理功能、硬件处理、数据模拟源、本机及外部系统的高速数据交互，保证各数据管道的并发高速数据传输可靠；8) 快视显示功能：可对解压缩及后的成像数据进行实时显示；9)管理功能：对分系统的各类、配置等进行集中管理，各类任务及

34、数据的管理与，分系统处理参数的配置，分系统资源的管理与配置，处理过程和日志的综合管理、统计及分析；10)系统测试功能：对分系统的软硬件及系统状态进行自检，利用定制数20据对分系统功能进行检定；4.1.9 分系统性能指标1)预处理及格式速度：600Mbps；2)数据解压缩速度：600Mbps；3)数据速度：600Mbps。4.1.10 主要指标分析4.1.10.1 预处理及格式速度遥感数据在进行基带处理时，影响处理速度的关键步骤帧同步、解扰及格式，通过以下的设计来保证预处理及格式的速度。1）帧同步处理首先是帧同步处理，目的是找到有效数据的起始位置，并进行字节对齐。星基带数据是以数据帧的形式进行传

35、输的，在每一个数据帧的开头都有 N 比特的附加同步标志（Attached Sync Marker，ASM），这 N 比特数据的内容是固定的，为帧同步字，帧同步字用于地面处理系统识别和提取有效帧数据。一个数据帧.图 4-7 同步帧结构帧同步过程即是指从数据流中定位同步字，从而每一帧的起始位置，输出帧数据的过程。考虑到信道噪声往往会对数据流造成一定程度的破坏，因此，对同步字的搜索与提取要考虑容错问题，否则有可能造成数据的丢失。此外，在帧同步时还需进行比特滑动处理。帧同步处理是按比特进行搜索的一个过程采用多比特并行搜索方式来提高帧同步处理速度，同时为了提高帧同步的容错性和性，设计了基于状态机的帧同步

36、管理机制。了空闲态(S_IDLE)、搜索态(S_SEARCH)、核查态(S_CHECK)、锁定态(S_LOCK)、失锁态(S_LOSS)的五状态机。状态图如图 4-8 所示。21数据帧N数据帧1数据帧2数据帧3帧同步字帧数据S_IDLE连续N次未搜索到帧头搜索到帧头S_SEARCH未搜索到搜索到帧头连续未搜索到帧头次数<N次连续搜索到帧头次数<M次帧头S_LOSSS_CHECKS_LOCK连续M次搜索到帧头未搜索到帧头输出除帧头之外的数据图 4-8 前端处理机软硬件部署图系统启动时，状态机处于空闲态，若此时有工作信号则进入搜索态。搜索态的任务是搜索同步帧头，AOS 数据第一次帧同步

37、时的同步帧头为1ACFFC1D，若搜索到的数据与此帧头比较后，错误位数小于帧头容错阈值，则进入核查态；否则继续搜索帧头。在设计时，每一时刻的输入数据经过并行帧同步模块后返回多路数据，若某的帧头误码比特小于帧头容错阈值，则认为帧头出现在该路，后续帧头的检测以及数据输出的都在该进行。核查态的任务是对搜索到的帧头进行确认，在跳过一帧数据长度之后，确认是否搜索到帧头，如果连续校验次数搜索到帧头，进入锁定态；如果在某次搜索时未搜索到帧头，则认为虚假同步，重新回到搜索态。进入锁定态后，输出除帧头之外的数据，并将帧同步标志置 1，同时继续检测帧头，若检测到帧头，保持锁定态，继续输出；否则进入失锁态。失锁态继

38、续检测帧头，若连续失锁次数未检测到帧头，则认为失步，回到搜索态；只要检测到帧头，则重新回到锁定态，这样可以防止偶尔失步造成多帧数据丢失。由于系统误码，帧中的数据可能会产生位滑动，如果按照正常的帧同步机制处理的话，那么会发生失重新进行帧同步搜索，这样会造成多帧数据的丢22失，因此需要进行位滑动处理。位滑动处理在校核态、锁定态、失锁态中进行，三个状态中的处理类似。在这三个状态中，每隔一帧数据长度要检测帧头，若检测到帧头，则进行后续处理。若未检测到帧头，不立即认为本次同步失败，而是将数据滑动 1 比特，继续检测帧头。在系统中，每一时刻的输入数据并行帧同步模块后返回多路数据，所谓的滑动 1 比特，其实

39、就是在当前通路的下上检测帧头。如果检测到帧头，将这的数据选通，后续处理都在这上进行，否则进行 2 比特位滑动。2 比特位滑动与 1 比特类似。若 2 比特位滑动后仍未检测到帧头，再进行 3 比特位滑动。若在 3 比特位滑动仍后未检测到帧头，才认为本次同步失败。在位滑动处理时，滑动后的数据可能在这并行的多路当中，也可能不在其中。若在，则在本时钟周期内就可以完成帧滑动处理；若不在，则要在下一个时钟周期继续。在本项目设计中，采用了 8 路（8 比特）并行处理的帧同步设计，状态机可工作在 150MHz 频率下，可实现 150MB/s 的高速帧同步处理。2）解扰处理在传输帧被发往物理信道之前，帧数据要经

40、过随机化（加扰）处理。帧前的同步标志不参与随机化。随机化可以避免出现过长的连续 0 或连续 1 的信号序列，使信号频谱均衡化，保证足够的比特跳变密度，以利于同步时接收端的信号恢复质量。加扰的过程是在发送端用伪随机序列 PN 和数据序列进行异或，实现数据的随机化。解扰是加扰的逆过程，在接收端，用相同的伪随机序列和接收到的数据序列进行异或，就能恢复加扰前的数据序列，解扰的过程如下图所示。23下传串行数据流解扰后数据PN码序列图 4-9 解扰过程并行解扰的关键是并行 PN 码的生成。当并行 PN 码生成后，输入数据只需与并行 PN 码进行异或即完成了解扰。图 4-11 描述了并行 PN 码的生成过程

41、。P5P4P3P2P1P5P4P3P2P1图 4-10 并行 PN 码生成原理示意图图中 P1P5（本应是 8，此处以 5 为例进行说明）是当前 PN 码寄存器链，P1P5 在每个时钟上升沿并行输出。在每个时钟周期，P1P5 中的各个寄存器，都会按照 PN 码的生成多项式，与移位寄存器链上的相应寄存器进行异或（如 P1与 P3 异或，P2 与 P4 异或），异或的值（P1P5）会在下个时钟周期的上升沿，按照顺序进入当前 PN 码寄存器链，从而完成当前 PN 码寄存器链的更新。本项目实现了 8 比特数据的并行解扰，工作频率可达到 150MHz，即解扰处理速度可达 150MB/s。3）格式处理一号

42、系统的空间与地面数据传输遵循 CCSDS 标准。下图描述了基带数据格式与 CCSDS 分层的对应。24PN码序列发生器P4P3P2P1D4D3D2D1同步字D4D3D2D1同步字任务数据标头任务数据CFDP标头任务数据块空间数据包标头CFDP PDUM_PDU标头空间数据包#1空间数据包#NAOS标头AOS传输帧数据域同步字1AOS传输帧同步字1AOS传输帧同步字1AOS传输帧同步字2LDPC帧数据LDPC码同步字2LDPC帧数据LDPC码同步字2LDPC帧数据LDPC码图 4-11 基带数据格式与 CCSDS 分层对映在应用层，星载对传感器获取的遥感数据进行压缩，之后格式化处理生成任务数据块

43、。在传输层，按照 CFDP 传输协议将任务数据文件中的任务数据打包成 CFDP 协议单元。在网络层，按照空间数据包协议，将变长的 CFDP 协议单元打包成变长的CCSDS 空间数据包。在数据链路子层，按照 AOS 协议中的多路复用协议，将变长的空间数据包放入固定长度的 MPDU（ Multiplexing Protocol Data Unit，多路复用协议数据单元）中。在这个过，对于超过 MPDU 规定长度的空间数据包，将其超出部分放入下一个 MPDU 中。形成 MPDU 之后，按照 AOS 协议在其前面加上适当标头，即形成了 AOS 传输帧。在同步和信道编码子层，在 AOS 传输帧前面添加 ASM （ Attached SyncMarkers，同步附加标识，也称同步字），形成 CADU（ Channel Access Data Unit，信道存取单元）。之后对 CADU 进行 LDPC 编码，形成 LDPC 帧数据，并在 LDPC 帧数据之前再加 1 个 ASM。最后对 LDPC 帧数据进行加扰，将其送入物理层进行调制和传输。可以看到，在组帧的过，任务数据按照不同协议层层打包，最后形成数据帧，帧格式是组帧过程的逆过程。任务数据块本身也是具有指定格式的结构化数据，根据接口文件的要求可对任务数据块的各个字段进行提取，25应用层传输层网络