航天測控基于A(yíng)TCA的高性能測試系統架構
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ATCA組織由代表工業(yè)和電信設備制造商及終端用戶(hù)的105個(gè)公司組成，大多數委員會(huì )成員業(yè)已根生于CompactPCI生態(tài)環(huán)境，并搜索新的平臺用以承載下一代通信和資料應用。期間大家曾嘗試對2.X標準的修改來(lái)滿(mǎn)足電信市場(chǎng)的需求，但只取得了有限的效果，最終不得不承認原有的CompactPCI規范不能滿(mǎn)足電信應用對單板空間、功耗、帶寬、系統管理的要求，新的標準應運而生。ATCA代表著(zhù)全開(kāi)放、模塊化的工業(yè)標準，它可以使設備制造商采用第三方廠(chǎng)商的可互操作性、成熟的商業(yè)化（COTS）軟硬件組件。ATCA體現了開(kāi)放式、標準化、模塊化、可擴展、可重構的設計理念，ATCA的靈活性、穩定性、互操作性、可管理性以及計算性能都有不同等級的得到提升。標準化、模塊化的設備很容易大規模生產(chǎn)，從而降低產(chǎn)品的價(jià)格，標準化和模塊化可使產(chǎn)品快速進(jìn)入市場(chǎng)。標準化的內、外部接口和開(kāi)放式的平臺，使得只要處理板或刀片服務(wù)器遵循ATCA接口規范就可以插入到平臺中，在快速實(shí)現集成或升級換代的同時(shí)，增強了系統的整體兼容性。ATCA的諸多優(yōu)勢能夠很好的滿(mǎn)足產(chǎn)品的設計需求。
一、高端測試應用需求
未來(lái)的測試領(lǐng)域對ATCA也存在很大的應用需求。測試總線(xiàn)技術(shù)如VXI、PXI總線(xiàn)是自動(dòng)測試系統的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。VXI、PXI總線(xiàn)都是基于共享總線(xiàn)技術(shù)，即多個(gè)模塊共享該總線(xiàn)帶寬，當測試系統內的模塊增多時(shí)，每個(gè)模塊只能分配一定的帶寬。近幾年來(lái)，隨著(zhù)通信、雷達等系統帶寬不斷的增加，為了完成對這些系統的測試，現有的基于共享總線(xiàn)的測試總線(xiàn)技術(shù)有限的信息交換能力越來(lái)越難以滿(mǎn)足應用需求。正是在應用需求的牽引下，近幾年來(lái)陸續出現了多種高速串行總線(xiàn)技術(shù)，如PCI-E、RapidIO、Gigbe、Infiniband、StarFabric，這些總線(xiàn)可構成先進(jìn)的交換架構，數據吞吐量相對于早期的VXI、PXI總線(xiàn)提高了幾十上百倍。圖1給出了現有并行總線(xiàn)和ATCA的數據傳輸性能對比。
二、基于A(yíng)TCA的測試系統架構
ATCA標準包括核心核心規范和輔助規范，ATCA核心規范即PICMG 3.0，核心規范中定義了機械結構、電源分配、散熱管理和系統管理。各自的電氣連結和數據傳輸的拓撲結構因基于特定傳輸的需求而不盡相同。ATCA的所有傳輸模式都是構架在高可靠度的系統之上，故不會(huì )因為單點(diǎn)故障而導致傳輸的癱瘓。多傳輸模式的選擇使得控制和數據傳輸分離, 而每種傳輸類(lèi)型又可被區分為單個(gè)獨立的傳輸。
一、高端測試應用需求
未來(lái)的測試領(lǐng)域對ATCA也存在很大的應用需求。測試總線(xiàn)技術(shù)如VXI、PXI總線(xiàn)是自動(dòng)測試系統的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。VXI、PXI總線(xiàn)都是基于共享總線(xiàn)技術(shù)，即多個(gè)模塊共享該總線(xiàn)帶寬，當測試系統內的模塊增多時(shí)，每個(gè)模塊只能分配一定的帶寬。近幾年來(lái)，隨著(zhù)通信、雷達等系統帶寬不斷的增加，為了完成對這些系統的測試，現有的基于共享總線(xiàn)的測試總線(xiàn)技術(shù)有限的信息交換能力越來(lái)越難以滿(mǎn)足應用需求。正是在應用需求的牽引下，近幾年來(lái)陸續出現了多種高速串行總線(xiàn)技術(shù)，如PCI-E、RapidIO、Gigbe、Infiniband、StarFabric，這些總線(xiàn)可構成先進(jìn)的交換架構，數據吞吐量相對于早期的VXI、PXI總線(xiàn)提高了幾十上百倍。圖1給出了現有并行總線(xiàn)和ATCA的數據傳輸性能對比。
圖1 總線(xiàn)技術(shù)發(fā)展趨勢
基于這些高速串行總線(xiàn)的交換架構可成功的解決測試系統的瓶頸問(wèn)題，提供了一種最佳的、理想的解決方案。下面舉幾個(gè)ATCA在測試領(lǐng)域的應用實(shí)例。
軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)是統一的通信信號處理平臺，即用軟件實(shí)現無(wú)線(xiàn)電信號的調制與解調，軟件無(wú)線(xiàn)電由前端信號調理、高速A/D和通信信號處理3大部分組成，其中通信信號處理是其關(guān)鍵和核心所在。目前軍用的無(wú)線(xiàn)電信號正在向寬帶或超寬帶發(fā)展，為了處理這樣的通信信號，A/D采集速率通常為幾GHz或幾十GHz,為了處理多種通信信號格式如TH-CDMA、FH-CDMA、DS-CDMA、OFDM，則需要多塊通信信號處理板，另外還需要系統協(xié)調和控制板、應用板卡，軟件無(wú)線(xiàn)電平臺中板卡和板卡之間數據交互量是驚人的，ATCA無(wú)疑為該類(lèi)應用提供了一個(gè)良好的解決方案。
雷達信號處理平臺和軟件無(wú)線(xiàn)電平臺有著(zhù)相似的構成，包括微波/射頻組件、高速A/D采集組件、多塊雷達信號處理板卡、系統協(xié)調與控制板卡、應用板卡。多塊雷達信號處理板卡負責處理各類(lèi)雷達信號，包括常規雷達、參差雷達、抖動(dòng)雷達、捷變頻雷達、線(xiàn)性調頻雷達及其多種參數組合的雷達。將數字處理手段提升到雷達信號處理的前端（和軟件無(wú)線(xiàn)電類(lèi)似，將數字化部分延伸到射頻部分）將獲得更佳的性能和更佳的可靠性，這就對高速數字傳輸提出了更高的要求。ATCA核心規范及其輔助規范為通用雷達信號處理平臺提供了良好的解決方案。
多媒體測試涉及多路流媒體信號的處理和分析，信號處理的運算量是巨大的，中間的測試信息需要存儲，這樣必涉及到多個(gè)模塊之間的高速數據交換。近幾年來(lái)，通信技術(shù)不斷進(jìn)步和發(fā)展，其中一個(gè)最大的推動(dòng)便是多媒體業(yè)務(wù)需求。兩大網(wǎng)絡(luò )，即移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )和Internet網(wǎng)絡(luò )的帶寬不斷提升，如移動(dòng)通信終端已經(jīng)歷了2G、2.5G的歷程，現正進(jìn)入3G通信時(shí)代，終端能夠提供的信息速率也從十幾KHz至幾百KHz，Internet網(wǎng)絡(luò )終端也經(jīng)歷了十兆、百兆至千兆以太網(wǎng)，兩大網(wǎng)絡(luò )性能提升都和多媒體應用需求有著(zhù)密切的關(guān)系。對于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )和Internet網(wǎng)絡(luò )，核心網(wǎng)絡(luò )的多媒體測試是重要的，容易看出，核心網(wǎng)絡(luò )的流媒體數據量是巨大的。無(wú)疑，ATCA的高級交換框架結構為多媒體測試提供了理想的平臺。
分布式測試與故障診斷系統。為了完成測試與故障診斷需求，需要采集多路視頻、語(yǔ)音或其它傳感器信號，某些信號需要傳遞到多個(gè)遠程控制終端，某些信號還要按一定的要求存儲備份一段時(shí)間。由于涉及到多路視頻、語(yǔ)音和其它傳感器信號，對中心交換單元的數據吞吐量有著(zhù)很高的要求，對于中心交換單元的延遲也有不同等級的要求，如對視頻和語(yǔ)音信號要求中心交換單元能夠高質(zhì)量的服務(wù)等級，而對于某些傳感器信號服務(wù)等級要求不是很高?；赑CI-E協(xié)議規范的ATCA的高級交換框架結構能夠拓展到2.5Tbps的超高速數據交換及其不同等級的服務(wù)質(zhì)量，解決了遠程分布式測試與故障診斷系統數據交換瓶頸，并為該系統未來(lái)二十多年的擴展升級作了預留。
幾年前，VXI、PXI測試總線(xiàn)技術(shù)只能提供有限的數據交換能力，因此一些模塊插卡只能交換一些運算結果信息，而舍棄一些中間運算結果信息，ATCA的高級框架結構能夠提供更高的數據交換能力，基于這一特性，未來(lái)的測試系統具備最佳的模塊化結構、更佳的易擴展性、更高的性能、更低的價(jià)格。ATCA高級交換帶來(lái)的全方位的信息互通將是未來(lái)先進(jìn)測試系統革新的源動(dòng)力和技術(shù)保障。
軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)是統一的通信信號處理平臺，即用軟件實(shí)現無(wú)線(xiàn)電信號的調制與解調，軟件無(wú)線(xiàn)電由前端信號調理、高速A/D和通信信號處理3大部分組成，其中通信信號處理是其關(guān)鍵和核心所在。目前軍用的無(wú)線(xiàn)電信號正在向寬帶或超寬帶發(fā)展，為了處理這樣的通信信號，A/D采集速率通常為幾GHz或幾十GHz,為了處理多種通信信號格式如TH-CDMA、FH-CDMA、DS-CDMA、OFDM，則需要多塊通信信號處理板，另外還需要系統協(xié)調和控制板、應用板卡，軟件無(wú)線(xiàn)電平臺中板卡和板卡之間數據交互量是驚人的，ATCA無(wú)疑為該類(lèi)應用提供了一個(gè)良好的解決方案。
雷達信號處理平臺和軟件無(wú)線(xiàn)電平臺有著(zhù)相似的構成，包括微波/射頻組件、高速A/D采集組件、多塊雷達信號處理板卡、系統協(xié)調與控制板卡、應用板卡。多塊雷達信號處理板卡負責處理各類(lèi)雷達信號，包括常規雷達、參差雷達、抖動(dòng)雷達、捷變頻雷達、線(xiàn)性調頻雷達及其多種參數組合的雷達。將數字處理手段提升到雷達信號處理的前端（和軟件無(wú)線(xiàn)電類(lèi)似，將數字化部分延伸到射頻部分）將獲得更佳的性能和更佳的可靠性，這就對高速數字傳輸提出了更高的要求。ATCA核心規范及其輔助規范為通用雷達信號處理平臺提供了良好的解決方案。
多媒體測試涉及多路流媒體信號的處理和分析，信號處理的運算量是巨大的，中間的測試信息需要存儲，這樣必涉及到多個(gè)模塊之間的高速數據交換。近幾年來(lái)，通信技術(shù)不斷進(jìn)步和發(fā)展，其中一個(gè)最大的推動(dòng)便是多媒體業(yè)務(wù)需求。兩大網(wǎng)絡(luò )，即移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )和Internet網(wǎng)絡(luò )的帶寬不斷提升，如移動(dòng)通信終端已經(jīng)歷了2G、2.5G的歷程，現正進(jìn)入3G通信時(shí)代，終端能夠提供的信息速率也從十幾KHz至幾百KHz，Internet網(wǎng)絡(luò )終端也經(jīng)歷了十兆、百兆至千兆以太網(wǎng)，兩大網(wǎng)絡(luò )性能提升都和多媒體應用需求有著(zhù)密切的關(guān)系。對于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )和Internet網(wǎng)絡(luò )，核心網(wǎng)絡(luò )的多媒體測試是重要的，容易看出，核心網(wǎng)絡(luò )的流媒體數據量是巨大的。無(wú)疑，ATCA的高級交換框架結構為多媒體測試提供了理想的平臺。
分布式測試與故障診斷系統。為了完成測試與故障診斷需求，需要采集多路視頻、語(yǔ)音或其它傳感器信號，某些信號需要傳遞到多個(gè)遠程控制終端，某些信號還要按一定的要求存儲備份一段時(shí)間。由于涉及到多路視頻、語(yǔ)音和其它傳感器信號，對中心交換單元的數據吞吐量有著(zhù)很高的要求，對于中心交換單元的延遲也有不同等級的要求，如對視頻和語(yǔ)音信號要求中心交換單元能夠高質(zhì)量的服務(wù)等級，而對于某些傳感器信號服務(wù)等級要求不是很高?；赑CI-E協(xié)議規范的ATCA的高級交換框架結構能夠拓展到2.5Tbps的超高速數據交換及其不同等級的服務(wù)質(zhì)量，解決了遠程分布式測試與故障診斷系統數據交換瓶頸，并為該系統未來(lái)二十多年的擴展升級作了預留。
幾年前，VXI、PXI測試總線(xiàn)技術(shù)只能提供有限的數據交換能力，因此一些模塊插卡只能交換一些運算結果信息，而舍棄一些中間運算結果信息，ATCA的高級框架結構能夠提供更高的數據交換能力，基于這一特性，未來(lái)的測試系統具備最佳的模塊化結構、更佳的易擴展性、更高的性能、更低的價(jià)格。ATCA高級交換帶來(lái)的全方位的信息互通將是未來(lái)先進(jìn)測試系統革新的源動(dòng)力和技術(shù)保障。
二、基于A(yíng)TCA的測試系統架構
ATCA標準包括核心核心規范和輔助規范，ATCA核心規范即PICMG 3.0，核心規范中定義了機械結構、電源分配、散熱管理和系統管理。各自的電氣連結和數據傳輸的拓撲結構因基于特定傳輸的需求而不盡相同。ATCA的所有傳輸模式都是構架在高可靠度的系統之上，故不會(huì )因為單點(diǎn)故障而導致傳輸的癱瘓。多傳輸模式的選擇使得控制和數據傳輸分離, 而每種傳輸類(lèi)型又可被區分為單個(gè)獨立的傳輸。
圖2 PCI-E協(xié)議體系結構
輔助規范PICMG 3.1- PICMG 3.5定義了點(diǎn)對點(diǎn)之間連接的協(xié)議，其中PICMG 3.1是千兆以太網(wǎng)和光纖傳輸，PICMG 3.2是InfiniBand傳輸，PICMG 3.3是StarFabric傳輸，PICMG 3.4是PCI-E傳輸，PIC3.5是RapidIO傳輸。輔助規范中除了PICMG 3.1包括ISO定義的7層協(xié)議，其它可視為3層體系結構，即物理層、數據鏈路層和事務(wù)層。物理層采用低電壓差分信號LVDS，為了平衡直流分量和減少EMI，物理層采用8b/10b編碼，因為輔助規范的物理層相同，因此同一個(gè)ATCA機箱中可插入支持不同輔助規范的功能刀片。圖2給出了PICMG 3.4即PCI-E協(xié)議體系架構。
傳統的VXI、PXI測試總線(xiàn)基于共享總線(xiàn)結構，而ATCA基于高級交換框架結構，技術(shù)上的革新導致了數據吞吐量和數據傳輸的實(shí)時(shí)性都有不同等級的提升。傳統的測試系統通常由控制計算機（控制器）、零槽控制器和多個(gè)模塊化儀器組成。ATCA系統基于交換架構，控制器和模塊化儀器之間通過(guò)交換刀片交互數據，另外，模塊化儀器之間也可以通過(guò)交換刀片交互數據，從組件在測試系統中充當的角色來(lái)看，ATCA中交換刀片的作用類(lèi)似于傳統測試系統中的零槽控制器。圖3給出了基于雙星型互連的ATCA測試系統架構。
傳統的VXI、PXI測試總線(xiàn)基于共享總線(xiàn)結構，而ATCA基于高級交換框架結構，技術(shù)上的革新導致了數據吞吐量和數據傳輸的實(shí)時(shí)性都有不同等級的提升。傳統的測試系統通常由控制計算機（控制器）、零槽控制器和多個(gè)模塊化儀器組成。ATCA系統基于交換架構，控制器和模塊化儀器之間通過(guò)交換刀片交互數據，另外，模塊化儀器之間也可以通過(guò)交換刀片交互數據，從組件在測試系統中充當的角色來(lái)看，ATCA中交換刀片的作用類(lèi)似于傳統測試系統中的零槽控制器。圖3給出了基于雙星型互連的ATCA測試系統架構。
圖3 基于雙星型互連的ATCA拓撲結構
圖4 基于全網(wǎng)狀互連的ATCA拓撲結構
交換架構除了雙星型外，還可采用全網(wǎng)狀互連，其拓撲結構如圖4所示。全網(wǎng)狀互連增加了數據交換的帶寬，但增加了測試系統實(shí)現的復雜度和成本，另外測試系統的數據交換吞吐量需求要低于電信應用，因此雙星型互連的拓撲結構非常適合測試系統應用。
圖5 基于A(yíng)TCA架構的測試系統應用示例
圖5給出了一個(gè)典型的基于A(yíng)TCA架構的測試系統，刀片互連拓撲結構為雙星型，系統中包括2個(gè)交換刀片、1個(gè)處理器刀片、4個(gè)數字化儀刀片和2個(gè)高速存儲刀片。處理器刀片通常由多個(gè)Intel處理器組成，以增加多任務(wù)處理性能，平臺軟件運行于處理器刀片上。交換刀片是ATCA的核心所在，應承載ATCA的一個(gè)輔助規范，交換刀片能夠提供不同的質(zhì)量服務(wù)等級Qos，以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)（如圖像、語(yǔ)音業(yè)務(wù)）的數據交換需求。
綜上，ATCA體現了開(kāi)放式、標準化、模塊化、可擴展、可重構的設計理念，ATCA的靈活性、穩定性、互操作性、可管理性以及計算性能都有不同等級的得到提升。它的采用使自動(dòng)測試系統技術(shù)進(jìn)入一個(gè)嶄新階段，完全解決了高速測試領(lǐng)域和相關(guān)軍事應用領(lǐng)域的數據傳輸瓶頸問(wèn)題，因此開(kāi)展此項技術(shù)研究能夠進(jìn)一步推動(dòng)國防工業(yè)試驗與測試技術(shù)發(fā)展，能解決未來(lái)型號對試驗與測試技術(shù)的高速傳輸要求及電子戰技術(shù)所需I/O技術(shù)，從根本上解決航天器和武器裝備測試系統控制、通信、數據傳輸、存貯、處理等應用需求。
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