Разработка систем передачи телеметрической информации для космических объектов
Рассмотрены вопросы разработки космических объектов в соответствии с протоколами Консультативного комитета по космическим информационным системам (CCSDS). Описаны методы кодирования информации телеметрического кадра, структуры кодеров и декодеров, рандомизатора формирователя телеметрического кадра,...
Збережено в:
| Дата: | 2005 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Навчально-науковий комплекс "Інститут прикладного системного аналізу" НТУУ "КПІ" МОН та НАН України
2005
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/14088 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Разработка систем передачи телеметрической информации для космических объектов / В.П. Зинченко, В.А. Буров, С.В. Зинченко, А.В. Штефлюк // Систем. дослідж. та інформ. технології. — 2005. — № 3. — С. 57-72. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859637572490231808 |
|---|---|
| author | Зинченко, В.П. Буров, В.А. Зинченко, С.В. Штефлюк, А.В. |
| author_facet | Зинченко, В.П. Буров, В.А. Зинченко, С.В. Штефлюк, А.В. |
| citation_txt | Разработка систем передачи телеметрической информации для космических объектов / В.П. Зинченко, В.А. Буров, С.В. Зинченко, А.В. Штефлюк // Систем. дослідж. та інформ. технології. — 2005. — № 3. — С. 57-72. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Рассмотрены вопросы разработки космических объектов в соответствии с протоколами Консультативного комитета по космическим информационным системам (CCSDS). Описаны методы кодирования информации телеметрического кадра, структуры кодеров и декодеров, рандомизатора формирователя телеметрического кадра, обладающих полнотой, достаточной для моделирования формирователя телеметрического кадра на основе VHDL-проекта с последующей загрузкой в программируемые логические схемы XCV 300Е-PQ240 и отладкой.
Розглянуто питання розробки космічних об’єктів відповідно до протоколів Консультативного комітету із космічних інформаційних систем (CCSDS). Описано методи кодування інформації телеметричного кадру, структури кодерів і декодерів, рандомизатора формувача телеметричного кадру, які достатні для моделювання формувача телеметричного кадру на основі VHDL-проекту з подальшим завантаженням у програмовані логічні схеми XCV 300E-PQ240 і відладкою.
The question about development of space objects are considered according to proceedings of Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS). The coding methods of information of telemetry frame, structures of encoders and decoders, randomizer of the shaper of telemetry frame having entirety, sufficient for simulation of the shaper of telemetry frame with the help of the VHDL-project with the subsequent loading in programmed logical circuits XCV 300E-PQ240 and debugging are described.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:17:47Z |
| format | Article |
| fulltext |
В.П. Зинченко, В.А. Буров, С.В. Зинченко, А.В. Штефлюк, 2005
Системні дослідження та інформаційні технології, 2005, № 3 57
TIДC
ПРОБЛЕМНО І ФУНКЦІОНАЛЬНО
ОРІЄНТОВАНІ КОМП’ЮТЕРНІ СИСТЕМИ
ТА МЕРЕЖІ
УДК 681.327+656.34
РАЗРАБОТКА СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ
ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
В.П. ЗИНЧЕНКО, В.А. БУРОВ, С.В. ЗИНЧЕНКО, А.В. ШТЕФЛЮК
Рассмотрены вопросы разработки космических объектов в соответствии с про-
токолами Консультативного комитета по космическим информационным сис-
темам (CCSDS). Описаны методы кодирования информации телеметрического
кадра, структуры кодеров и декодеров, рандомизатора формирователя теле-
метрического кадра, обладающих полнотой, достаточной для моделирования
формирователя телеметрического кадра на основе VHDL-проекта с последу-
ющей загрузкой в программируемые логические схемы XCV 300Е-PQ240 и
отладкой.
ВВЕДЕНИЕ
При проектировании космических объектов применяются протоколы, по-
зволяющие реализовать международные соглашения по взаимодействию
открытых систем [1]. Это вызвано тем, что одни космические объекты пред-
назначены для сбора информации и ее передачи, другие — еще и для прие-
ма информации (управляющие команды). Поэтому для объектов первого
типа создаются проекты систем передачи телеметрической (ТМ) информа-
ции, для второго — передачи и приема информации. С учетом тенденции
микроминиатюризации космических объектов (микро- и наноспутники) [2]
такие системы целесообразно проектировать на одном программируемом
кристалле (SOPC) вместо многоплатных конструкций или вычислительных
комплексов на микроконтроллерах [3].
Для космической промышленности характерно мелкосерийное произ-
водство специализированных интегральных схем (СпИС), для которых не
характерно полностью заказное проектирование ввиду большой его стоимо-
сти. Этим объясняется применение интегральных схем программируемой
структуры (ИСПС). Отметим, что ИСПС также позволяет корректировать
макеты и опытные партии и обеспечивает секретность разработок, так как
структура ИСПС невидима в отличие от структур на стандартных дискрет-
ных элементах.
Разделение космических объектов по признаку передачи/приема ин-
формации доказывает целесообразность разработки канала передачи теле-
метрической информации на одной ИСПС, а канала приема — на другой.
В.П. Зинченко, В.А. Буров, С.В. Зинченко, А.В. Штефлюк
ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2005, № 3 58
Желательно также снабдить эти ИСПС интерфейсами для тестирования
JTAG (Joint Test Automation Group).
Постановка задачи сводится к проектированию систем, реализующих
передающий канал, в которых предусматриваются синхронизация телемет-
рической информации и кодирование с помощью кодов, исправляющих
ошибки. Описанные разработки согласованы с рекомендациями Консульта-
тивного комитета по космическим информационным системам (CCSDS) [4].
Рекомендации CCSDS по созданию космических информационных
систем. В таблице показаны соотношения между протоколами и слоями в
открытых системах (OSI — Open System Interconnection) [1].
Отношения между слоями
Слои OSI Слои CCSDS Протоколы CCSDS
Сеть и верхние слои Сеть и верхние слои
Связывающий слой
данных
Подслой протокола свя-
зи данных
Космический ТМ-протокол
связи данных
Подслой синхронизации
и кодирования канала
Синхронизация и кодирование
TM-канала
Физический слой Физический слой Радиочастотные и модуляцион-
ные системы
Подслой синхронизации и кодирования канала выполняет три функ-
ции: кодирование с исправлением ошибок, включая проверку фрейма; син-
хронизацию; псевдорандомизацию (опционно). В CCSDS также рекомендо-
вано три типа кодов, исправляющих ошибки: сверточные коды; коды Рида–
Соломона; турбокоды [5].
Для синхронизации фрейма передачи рекомендуется присоединять к
началу кодового блока синхромаркер (ASM–Attached Sync Marker), кото-
рый также может устранять неоднозначности в данных, если они не устра-
нены на физическом уровне. В нем может быть применен метод псевдоран-
домизации, который используется для повышения плотности передачи
символа.
В рекомендациях предлагается структура канала передачи, содержа-
щая его внутреннюю организацию синхронизации и кодирования. Опреде-
ляются функции подслоев и логическая взаимосвязь этих функций. Прото-
колом подслоя связи данных канала передачи (рис. 1) принимается передача
фреймов фиксированной длины, определяются заданные функции и посыла-
ется последовательный и непрерывный поток символов в физический слой.
Проектирование устройств канала передачи. Телеметрический кадр
(ТК) в соответствии с рекомендациями CCSDS должен состоять из началь-
ного ASM и следующего непосредственно за ним блока данных. Шаблон
синхромаркера для данных без кодирования состоит из 32 бит: 1ACFFC10h,
0001 1010 1100 1111 1111 1100 0001 1101b.
Размер блока данных без кодирования всегда кратен любому целому
числу байт, но не должен превышать 2048 байт. Размер ТК в течение фазы
передачи/приема не изменяется и определяется выбором на предыдущей
фазе.
Разработка систем передачи телеметрической информации для космических объектов
Системні дослідження та інформаційні технології, 2005, № 3 59
Структурная схема каналов передачи/приема, составленная в соответс-
твии со спецификацией CCSDS 131.0-B-1, показана на рис. 2. На вход пода-
ется бинарный код, который кодируется одним из трех кодеров. Далее сиг-
нал подается на мультиплексор (MUX), затем на сигнал накладывается
«шум». Блок выдачи синхроимпульсов (БВС) формирует управляющие сиг-
налы для формирователя блока данных (ФБД), после чего информация пос-
тупает непосредственно в канал передачи.
При приеме сигнал поступает на MUX или декодер (Convolutional), за-
тем на синхронизирующее устройство (Синхр), далее на фильтр, после чего
на один из двух декодеров в соответствии с кодирующим алгоритмом и че-
рез MUX на выход.
Подслой протокола связи данных
Кодер Рида-Соломона или Турбо
Присоединение ASM
Сверточная дешифрация
(выборочно)
Передача данных
Кодовый блок или фрейм передачи
Генерация псевдослучайной последовательности (выборочно)
Устройства доступа к данным
Рис. 1. Внутренняя организация подслоя передачи информации
Вход
БВС ФБД
ШУМ
MUX
Кодер
R-S
Кодер
Convolutional
Кодер
Турбо
Декодер
Convolutional
Декодер
R-S
Декодер
Турбо
Фильтр
Синхр
MUX
Выход MUX
К
ан
ал
П
ер
ед
ач
и
Рис. 2. Структурная схема канала передачи информации
Кодер сверточ-
ных кодов
Кодер
турбокодов
Декодер свер-
точных кодов
Декодер
турбокодов
К
ан
ал
п
ер
ед
ач
и
В.П. Зинченко, В.А. Буров, С.В. Зинченко, А.В. Штефлюк
ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2005, № 3 60
VHDL-модель формирователя ТК. Формирователь ТК моделировался
в среде Active-HDL. В результате получены временные диаграммы работы
ТК (рис. 3).
Диаграмма сигнала синхромаркера наблюдается слева от вертикальной
черты в строке channel, а в этой же строке справа — диаграмма данных. Со-
ответствующие 16-ричные коды можно видеть в строках rom и drom. Часто-
та синхроимпульсов clk — 2 MГц.
Кодер для сверточного кодирования. Рассматривается базовый алго-
ритм сверточного кодирования, который хорошо подходит для каналов с
преобладанием гауссовых шумов. Ошибки при кодировании по данному
методу несущественны и фактически не влияют на работу канала передачи.
Процесс декодирования по алгоритму сверточного кодирования соответст-
вует алгоритму максимального правдоподобия (алгоритм Витерби). Отме-
тим, что этот алгоритм, применяемый отдельно, не может гарантировать
достаточную вероятность передачи символа при использовании мультип-
лексорных схем. Поэтому в тех случаях, когда проектировщик системы не
проверяет, достаточна ли плотность передачи символов другими средства-
ми, требуется применение псевдорандомизатора.
Базовый алгоритм сверточного кодирования является несистематиче-
ским алгоритмом, определяющим процедуру декодирования с такими ха-
рактеристиками:
• использует кодирование с максимальной вероятностью расшифров-
ки;
• кодовая скорость )(r — 1/2 бита на символ;
• длина ограничения )(K — 7 бит;
• векторы связи — )39(11110011 hbG = ; )5(10110112 hbG = ;
• инверсия символа — на дорожке выхода 2G ;
• последовательность символов на выходе — ( ) ( ) ( ).2,2),1(,1 2121 CCCC
При системах модуляции, подавляющих несущую, возможно использо-
вание алгоритмов «Без возврата на нулевую отметку» (NRZ-М) или «Без
возврата на нулевой уровень» (NRZ-L) как форм волны модуляции. Преоб-
разование форм волны модуляции из NRZ-L в NRZ-М, выполняется подачей
бита со входа на блок, реализующего сверточный алгоритм кодирования.
Соответственно, преобразование из NRZ-М в NRZ-L выполняется перед вы-
ходом блока, реализующего сверточный алгоритм декодирования, что по-
зволяет избежать потерь пропускной способности канала передачи.
Рис. 3. Диаграммы сигналов формирователя ТК
Разработка систем передачи телеметрической информации для космических объектов
Системні дослідження та інформаційні технології, 2005, № 3 61
Рассмотрим схему алгоритма (рис. 4.) Блок D является задержкой для
каждого бита на входе, для чего генерируются два бита циклическим пере-
ключением ключа 1S : положение 1, положение 2. Ключ 1S в положении 1
ассоциирован с первым битом на входе.
Проект сверточного кодера состоит из двух файлов: Bit_Delay.vhd и
Main_Coding.vhd. Первый выполняет задержку каждого бита в каждом из
шести блоков задержки. Особенностью является то, что на каждый блок и
ключ задержки приходит синхроимпульс с частотой 100 МГц.
Сигналы SingleBitIn и SingleBitOut — входные и выходные сигналы
ячеек задержки, а Sync играет роль синхроимпульса. Кроме того, присутст-
вует дополнительная переменная InsideVariable для моделирования задерж-
ки. Результат выполнения программы Bit_Delay.vhd и посылка кода
11001011010 на вход одной ячейки будут такими, как показано на рис. 5.
D D D D D D
1С
2
С
1
G
2G
S1
1
2
Вход
Выход
Рис. 4. Схема сверточного базового алгоритма
D D D D D D
1С
2С
1G
2G
1S1
2
MainSignalIn
1D 2D 3D 4D 5D 6D
7D 8D 9D 10D
11D 12D 13D 14D 15D
MainSignalOut
SingleBitIn
SingleBitOutой вх.
ал
В
Основной вых.
сиг налВых. сиг нал
ячеек задержки
Выходной сигнал
ячеек задержки Входной сигнал
ячеек задержки
Основной
входной
сигнал
Основной
выходной
сигнал
Рис.6. Имена сигналов
Рис. 5. Выполнение задержки
В.П. Зинченко, В.А. Буров, С.В. Зинченко, А.В. Штефлюк
ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2005, № 3 62
Как видно из рис. 5, бит информации передается с задержкой 5нс при
частоте синхроимпульсов 100 МГц.
MainSignalIn и MainSignalOut — входные и выходные сигналы. Main-
Sync играет роль синхроимпульса. Сигналы Д1÷Д15 распределены в соот-
ветствии с рис. 6. Результат выполнения программы при посылке кода
11001011010 на вход кодирующего устройства — семейство диаграмм
(рис. 7).
Следует отметить, что код начинает проходить на выход через 60нс по-
сле поступления первого бита на вход кодера. В некоторых случаях для пра-
вильной работы может понадобиться подача нулей на вход в течение 70 нс
для выхода кодирующего устройства на рабочий режим.
Моделирование кодера Рида–Соломона в MATLAB. Любое конеч-
ное поле — векторное пространство, элементы которого можно представить
различными способами. Например, в виде последовательностей из n эле-
ментов поля. С другой стороны, каждому вектору )...,,,( 110 −naaa можно
сопоставить многочлен
1
1
2
210 ... −
−++++ n
n XaXaXaa ,
называемый производящей функцией или формальным степенным рядом.
Так как конечное поле F является векторным пространством размер-
ности k , то любой элемент поля F можно представить в виде многочлена
степени 1−k .
Пусть ][)( XFXg ∈ — некоторый неприводимый многочлен степени
m . Отнесем к одному классу все многочлены, которые дают один и тот же
Рис. 7. Процедура кодирования
Разработка систем передачи телеметрической информации для космических объектов
Системні дослідження та інформаційні технології, 2005, № 3 63
остаток при делении на )(Xg . Два многочлена )(1 Xf и )(2 Xf принадле-
жат одному классу тогда и только тогда, когда )()( 21 XfXf − делится на
)(Xg . Полученные таким образом классы называются классами вычетов по
модулю )(Xg , а их множество обозначается ][gF . Введем операции сло-
жения и умножения в этом множестве.
)),()(())(())(( XhXfXhXf +=+
))()(())(())(( XhXfXhXf =
для любых ][))(()),(( gFXhXf ∈ . (1)
Если α — класс вычетов )(X , содержащий многочлен X , то много-
член )(Xg имеет корень α в поле ][gF . Каждый элемент β поля ][gF
можно представить в виде
miFaaaa i
m
m ≤≤∈+++= −
− 1 , ,... 01
1
1 ααβ . (2)
Это так называемое многочленное представление элементов поля.
Например, необходимо построить поле порядка 32 , используя непри-
водимый многочлен 13 ++ XX . Положим 1)( 3 ++= XXXg и рассмотрим
восемь классов вычетов по модулю )(Xg .
{ })1(),(),1(),(),1(),(),1(),0( 2222 +++++ XXXXXXXX . (3)
Определим сложение и умножение этих классов вычетов следующим
образом:
))()(())(())(( XhXfXhXf +=+ ,
)( на )()( деления от Остаток ))(())(( XgXhXfXhXf = . (4)
Поскольку примитивный элемент поля p есть 2, то сложение выполня-
ется по модулю 2. Результатом умножения будет остаток от деления их про-
изведения на )(Xg
1
11
11
)(
3
2
3
23
3
2
++
−−
+=
++
+
=
++
+
XX
XX
XX
XX
XX
XXX . (5)
Итак, в данном поле 762 =× , так как вычитание и сложение по моду-
лю 2 эквивалентны.
Для получения таблицы умножения поля порядка 23
3=m
можно использо-
вать следующую программу для среды MATLAB [5] :
;
),]1^2:0([els mmgf ′−= ; % создание конечного поля
)),8,8(zeros(multabl mgf= ;
mj ^2:1for = % получение таблицы умножения
mi ^2:1for =
)(els*)(els),(multabl ijij = ;
В.П. Зинченко, В.А. Буров, С.В. Зинченко, А.В. Штефлюк
ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2005, № 3 64
end;
end;
В результате выполнения программы получаем таблицу умножения в
конечном поле )8(FG
34612570
42351760
63724150
15267340
21475630
57136420
76543210
00000000
.
Коды Рида–Соломона. Это циклические коды длиной 1−q и порож-
дающим многочленом ∏
=
−=
r
i
iXXg
1
)()( β , где β — один из примитивных
элементов поля )(qFG . Так как для кодов Рида–Соломона минимальное
расстояние 1+= rd , то они являются разделимыми кодами с максимально
достижимым расстоянием и используются для построения кодов, исправля-
ющих ошибки.
Например, для рассмотренного выше конечного поля получение кодов
Рида–Соломона и их декодирование в среде MATLAB может быть выпол-
нено в соответствии с такой процедурой:
3=m ; % Number of bits in each symbol (число бит в символе)
3;7 == kn ; % Codeword length and message length (длина кодового сло-
ва и число передаваемых символов)
]),673([ mfggsm = ; % Represent data using a Galois array (представле-
ние данных полем Галуа)
),,(1 knmsgrsensc =
),,1(1 kncrsdecd =
В результате получаем элементы кодового слова в массиве 1c :
)3^2(1 GFc = array. Primitive polynomial (примитивный многочлен) =
13^ ++= DD (11 decimal (десятичное))
Array elements (элементы массива) 5021673=
и декодированные данные в массиве 1d :
)3^2(1 GFd = array. Primitive polynomial 13^ ++= DD (11 decimal)
Array elements 673=
Определим производящий многочлен:
)3,7(rsgenpolyrsgp =
)3^2(rsgp GF= array. Primitive polynomial (примитивный многочлен) =
13^ ++= DD (11 decimal (десятичное))
Array elements (элементы массива) 32131=
Разработка систем передачи телеметрической информации для космических объектов
Системні дослідження та інформаційні технології, 2005, № 3 65
Отметим, что составление блок-схемы кодера для кода Рида–Соломона
(рис. 8) в конечном поле )2( 3GF выполняется на основе таблицы умноже-
ния и коэффициентов производящего многочлена (см. пример выше).
Моделирование кодера для кода Рида–Соломона в среде Active-
HDL. Рассмотрим структуру кодера Рида–Соломона для конечного поля
)2( 3GF (рис. 9). Сигнал IN_RS — это входная последовательность из k 3-
битовых символов, OUT_RS — кодовое слово, состоящее из n символов, из
которых k символов входные, а p следующих символа — паритетные (ко-
нтрольные). Сигнал RS_CALC управляет передачей символов на выходе.
При высоком уровне сигнала на выход передается последовательность вхо-
дных символов, при низком — паритетных. Рг1÷Рг4 — 3-битовые регистры
для формирования паритетных символов, умножители на их входах соот-
ветствуют коэффициентам производящего многочлена со второго по пятый.
Поскольку первый коэффициент всегда равен единице, он учитывается нея-
вно. Сумматоры производят сложение по модулю 2. Рг5 используется для
формирования выходной последовательности.
Результаты моделирования работы кодера RSenc показаны временны-
ми диаграммами на рис. 9.
На вход кодера была подана последовательность [3 7 6] , в результате
на выходе получено кодовое слово [3 7 6 1 2 0 5], что соответствует реше-
нию примера в среде MATLAB.
Рг5
Рг4 Рг3 Рг2 Рг1
0
1
OUT_RS
IN_RS
RS_CALC
x1
x1
x3
x3
x3
x3
x2
x2
Рис.8. Структурная схема кодера для кода Рида–Соломона
Рис. 9. Диаграммы работы кодера для кода Рида–Соломона
В.П. Зинченко, В.А. Буров, С.В. Зинченко, А.В. Штефлюк
ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2005, № 3 66
Турбокодер. Турбокоды относятся к блочным кодам с большим разме-
ром блоков (~102÷103
k
). Это систематические коды, не являющиеся прозрач-
ными. Вопрос фазовых несоответствий решается с помощью добавления
синхромаркера (ASM), необходимого для синхронизации кодового блока.
Турбокодер состоит из двух отдельных кодеров. На его вход приходит
фрейм из бит информации. Отдельные кодеры — это рекурсивные свер-
точные кодеры с малым числом состояний. Основное свойство турбокоде-
ра — наличие перемежителя, перемешивающего биты входной информации
перед тем, как подать их на вход второго кодера. Кодовая скорость турбоко-
дов, которую можно определить как отношение длины блока информации к
длине кодового блока, в соответствии с рекомендациями CCSDS может
быть 2/1 , 3/1 , 4/1 или 6/1 . Длину блока информации выбираем равной
1784 бита: 12331784 x= октет, а для указанных выше кодовых скоростей
длина соответствующих кодовых блоков будет 3576, 5364, 7152 и 10728 бит.
Перемежитель турбокодов переставляет биты входного блока по посто-
янному закону. В соответствии с рекомендациями CCSDS перестановки бит
в блоке длиной k определяются изменением порядка натурального ряда
целых чисел k,...,2,1 по следующему алгоритму.
Представим k как 21kkk = . Например, 81 =k , а 2232 =k и определим
перестановочный индекс )(sπ на основе определенного множества простых
чисел ]67,61,59,53,47,43,37,31[=p .
2
mod)119(,
2
1,
2
1,,...2,1 1
2
2
k
itkisj
k
smks −=−
−
=
−
== ,
m
k
ctskmjpciq q −
++=+=+= 1
2
2)(,mod)21(,18mod 1
2 π . (6)
Этот алгоритм реализован в среде MATLAB в виде такой процедуры:
% Turbo interleaver
81=k ;
2232 =k ;
2*1 kkk = ;
]67,61,59,53,47,43,37,31[=p ;
ks :1for = ;
)2),1((mod −= sm ;
))2*2(/)1((fix ksi −= ;
2*)2/)1((fix kisj −−= ;
)2/1),1*19((mod kit += ;
1)8,(mod += tq ;
)2),*21*)(((mod kmjqpc += ;
)12/1*(*2)( ++= kctspii ;
end;
Разработка систем передачи телеметрической информации для космических объектов
Системні дослідження та інформаційні технології, 2005, № 3 67
Результатом выполнения является файл, содержащий индексы пере-
ставляемых бит:
4,171,300,467,596,763,892,1059,1188,1355,1484,1651,1780,163,292,459,
588,755,884,1051,1180,1347,1476,1643,1772,155,284,451,580,747,876,
1043,…,1230,1397,1574,1741,134,301,478,645,822,989,1166,1333,1510,
1677,70,237,414,581,758,925,1102,1269,1446,1613.
Полученный массив индексов в дальнейшем используется при по-
строении VHDL-модели перемежителя.
Структурная схема турбокодера, спроектированного в соответствии с
рекомендациями CCSDS, приведена на рис. 10. Cтруктура блоков «кодер_а»
и «кодер_в» одинакова (рис. 11).
VHDL–модель турбокодера. Верхний уровень проекта состоит из ис-
пытательного стенда для проверки VHDL–модели турбокодера. Структур-
буфер
переме-
житель
кодер_а
кодер_в
mux
3_1
mux
3_1
mux
4_1
mux
6_1
in in_a
in_b
r_1/2
t_calc out_0a
out_1a
out_2a
out_3a
out_1b
out_3b
r_1/3
r_1/4
r_1/6
ren_1/2
ren_1/3
ren_1/4
ren_1/6
Рис. 11. Структура кодера
Буфер
Переме-
житель
Кодер_а
Кодер_в
D D D D
T_calc
in
out_0
out_1
out_2
out_3
mux 2-1
Рис. 10. Структурная схема турбокодера
out_0
out_1
out_2
out_3
В.П. Зинченко, В.А. Буров, С.В. Зинченко, А.В. Штефлюк
ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2005, № 3 68
ная схема испытательного стенда приведена на рис. 12. В блоке Source вы-
рабатывается последовательный код, который затем подается на информа-
ционный вход блока turbostr, являющегося VHDL–моделью турбокодера.
Назначение сигналов-стимулов следующее:
clk: in STD_LOGIC — синхроимпульсы с частотой соответственно 2; 3;
4; 6 МГц;
clk1; 2, 3, 4: in STD_LOGIC — синхроимпульсы с частотой 2; 3; 4; 6
МГц для формирования кодового блока на кодовой скорости 1/2; 1/3;
1/4;1/6;
rd_start: in STD_LOGIC — стартовый сигнал процесса считывания с
буфера входной информации;
rdgate : in STD_LOGIC — сигнал разрешения считывания с буфера
входной информации;
start : in STD_LOGIC — сигнал запуска процесса проверки турбокодера
и сброса триггеров памяти;
t_calc : in STD_LOGIC — сигнал начала формирования паритетных
символов в «хвосте» кодового блока;
tc_rd : in STD_LOGIC — сигнал начала считывания информации с обо-
их кодеров;
tc_start : in STD_LOGIC — стартовый сигнал для турбокодера;
ren1_2, 3 : in STD_LOGIC_VECTOR (1 downto 0) — переключение вхо-
дов mux3_1 для формирования кодового блока на кодовой скорости 1/2; 1/3;
ren1_4 : in STD_LOGIC_VECTOR (2 downto 0) — переключение входов
mux4_1 для формирования кодового блока на кодовой скорости 1/4;
ren1_6 : in STD_LOGIC_VECTOR (2 downto 0) — переключение входов
mux6_1 для формирования кодового блока на кодовой скорости 1/6.
С выходов блока turbostr поступает информация:
clk
clk1
clk4
clk3
clk2
clk
reset
ln t
rdgate
s out
s start
tc_rd
ren1_2(1:0)
ren1_6(1:0)
ren1_4(1:0)
ren1_3(1:0)
rd_start
t_calc
tc_start
r1 2
r1 3
r1 6
r1 4
Рис. 12. Испытательный стенд проекта
Разработка систем передачи телеметрической информации для космических объектов
Системні дослідження та інформаційні технології, 2005, № 3 69
r1_2, 3, 4, 6 : out STD_LOGIC — кодовый блок на кодовой скорости 1/2;
1/3; 1/4; 1/6.
Результат проверки показан на рис. 13.
Алгоритм наложения «шума». Для гарантии достоверности передачи
необходимо каждый бит кодового блока или фрейма передачи через «иск-
лючающие ИЛИ» соединить со стандартной псевдослучайной последова-
тельностью.
Если наложение «шума» используется в начале линии (передающая
сторона), то его применяют к сигналу кодового блока или фрейма передачи
после турбокодирования или R-S-кодирования в зависимости от используе-
мого алгоритма. Если же используется сверточное кодирование, то наложе-
ние «шума» нужно производить до кодового блока. В конце линии (при-
нимающая сторона) его используют в качестве блока, выполняющего
функцию, обратную наложению «шума» данных после сверточного декоде-
ра (в случае использовыания) и кодового блока синхронизатора, но перед R-
S или турбодекодером (если они используются).
б
Рис. 13. Временные диаграммы проверки турбокодера на кодовой скорости 1/2:
а — полный временной диапазон моделирования; б — моделирование «хвоста»
кодового блока (увеличенный масштаб)
a
б
В.П. Зинченко, В.А. Буров, С.В. Зинченко, А.В. Штефлюк
ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2005, № 3 70
Следует отметить, что операция, обратная наложению «шума», может
производиться одним из способов: 1 — с помощью операции «исключаю-
щее ИЛИ» над псевдослучайной последовательностью и полученными би-
тами фрейма передачи или R-S-кодового блока; 2 — инвертированием (или
не инвертированием) в зависимости от конфигурации бита псевдорандоми-
затора выхода демодулятора кодового блока Турбо.
Конфигурация псевдорандомизатора, установленного в начале линии
(передающая сторона), показана на рис. 14.
Добавленный синхромаркер (ASM) уже оптимально сконфигурирован
для целей синхронизации и поэтому используется для синхронизации пото-
ка «шума». Рандомизация применяется с начала первого бита фрейма пере-
дачи или кодового блока. В начале линии (передающая сторона) кодовый
блок или фрейм передачи зашумляются проведением операции «исклю-
чающее ИЛИ» над первым битом кодового блока или фрейма передачи с
первым битом псевдослучайной последовательности, далее вторым битом
кодового блока или фрейма передачи со вторым битом псевдослучайной
последовательности и т.д.
В конце линии (принимающая сторона) оригинал кодового блока или
фрейм передачи восстанавливаются той же самой псевдослучайной после-
довательностью. После расположения ASM в полученном потоке данных
псевдослучайная последовательность поступает на вход схемы «исключаю-
щее ИЛИ» с битами данных сразу же после ASM. Рандомизация выполняет-
ся с помощью операции «исключающее ИЛИ» первого бита после ASM с
первым ее битом, вторым битом потока данных с ее вторым битом и т. д.
Над псевдослучайной последовательностью и ASM не производится
операция «исключающее ИЛИ».
Псевдослучайная последовательность должна быть сгенерирована с
использованием следующего полинома:
1)( 3578 ++++= xxxxxh .
Эта последовательность начинается в первом бите кодового блока или
фрейма передачи и повторяется после 255 битов, продолжая генерироваться
неоднократно до конца фрейма передачи или кодового блока. Генератор по-
следовательности инициализирован к состоянию «все единицы» в начале
каждого кодового блока или фрейма передачи.
Фрейм передачи
(кодовые блоки R–S
или Турбо)
Генератор
псевдослучайной
последовательности
ASM
+
Зашумленный выход
На модулятор или сверточ-
ное кодирующее устройст-
во (если используется)
Рис. 14. Конфигурация блока наложения «шума»
Разработка систем передачи телеметрической информации для космических объектов
Системні дослідження та інформаційні технології, 2005, № 3 71
Первые 40 бит псевдослучайной последовательности от генератора по-
казаны ниже. Крайний левый бит является первым битом последовательно-
сти, который будет сложен с первым битом фрейма передачи или кодового
блока в схеме «исключающее ИЛИ», второй бит последовательности соот-
ветственно со вторым битом кодового блока или фрейма передачи и т. д.
1111 1111 0100 1000 0000 1110 1100 0000 1001 1010... (*)
На рис. 15 приведена структура генератора указанной последователь-
ности.
Моделирование генератора псевдослучайной последовательности в
среде Active–HDL. Проект состоит из двух файлов — BitDelay.vhd и
Main.vhd. Первый выполняет задержку каждого бита в каждом блоке за-
держки. Сигнал Sync играет роль синхроимпульса. Cледует отметить, что на
каждый блок задержки, а также на ключ приходит синхроимпульс с часто-
той 100 МГц.
Присвоим сигналам имена, для чего используем схему алгоритма.
MainSignalIn и MainSignalOut — входные и выходные сигналы. MainSync
играет роль синхроимпульса. Сигналы D1÷D11 распределены так, как пока-
зано на рис. 7. Результат моделирования генератора псевдослучайной по-
следовательности показан на рис. 16.
Рис. 16. Результат выполнения программы
Х8 Х7 Х6 Х5 Х4 Х3 Х2 Х1
Входные данные (кодовый блок
или фрейм передачи)
Инициализация состояния «все единицы» для каждого кодового блока или
фрейма передачи
= исключающее-ИЛИ = 1 бит задержка
Зашумленные
данные
(кодовый блок
или фрейм
передачи)
Рис. 15. Структурная схема генератора псевдослучайной последовательности
«исключающее ИЛИ»
В.П. Зинченко, В.А. Буров, С.В. Зинченко, А.В. Штефлюк
ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2005, № 3 72
ВЫВОДЫ
Приведенные в данной работе методы кодирования информации ТК, струк-
тур кодеров и декодеров, рандомизатора формирователя ТК обладают пол-
нотой, достаточной для его моделирования с помощью VHDL–проекта.
В состав формирователя ТК входят блоки сверточного кодирования–
декодирования, рандомизатора и блок добавления синхромаркера (ASM)
структурной схемы, составленной в соответствии с рекомендациями
CCSDS.
В дальнейшем предполагается проверить правильность функциониро-
вания формирователя ТК на тестовых стендах (test bench). Затем спроекти-
ровать структуру для загрузки проекта в программируемые пользователем
логические интегральные схемы ПЛИС XCV 300E–PQ240 [7]. После отлад-
ки добавить блоки кодирования–декодирования по методам Рида–Соломона
и Турбо, проверив тем самым возможности реконфигурирования формиро-
вателя ТК.
ЛИТЕРАТУРА
1. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, прото-
колы. — СПб.: Питер, 1999. — 672 с.
2. Бортовые цифровые вычислительные машины и системы: Учеб. пособие для
вузов / Под ред. В.И. Матова. — М.: Высш. шк., 1988. — 216 с.
3. Фитч В. Применение микропроцессоров в системах управления. — М.: Мир,
1994. — 463 с.
4. http://www.ccsds.org/
5. Потемкин В.Г. Система MatLab: Справочное пособие. — М.: Диалог-МИФИ,
1998. — 350 с.
6. Программно-управляемый обмен данными в системах реального времени /
В.П. Зинченко, С.В. Зинченко, Ф.Н. Горин, Н.С. Броварская // Технології
створення перспективних комп’ютерних засобів та систем з використанням
новітньої елементної бази: Сб. науч. тр. — Київ: Ін-т кібернетики
ім. В.М. Глушкова НАНУ, 2000. — С. 55 – 60.
7. David Van den Bout. The Practical Xilinx Designer Lab Book, Vertion 1.5. Pren-
tice Hall, Upper Saddle River. — New Jersey, 07458, 1999. — 450 p.
Поступила 14.02.2005
ПРОБЛЕМНО І ФУНКЦІОНАЛЬНО ОРІЄНТОВАНІ КОМП’ЮТЕРНІ СИСТЕМИ ТА МЕРЕЖІ
Разработка систем передачи телеметрической информации для космических объектов
В.П. Зинченко, В.А. Буров, С.В. Зинченко, А.В. Штефлюк
Введение
Выводы
Рис. 1. Внутренняя организация подслоя передачи информации
Рис. 2. Структурная схема канала передачи информации
Рис. 3. Диаграммы сигналов формирователя ТК
Рис.6. Имена сигналов
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-14088 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1681–6048 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:17:47Z |
| publishDate | 2005 |
| publisher | Навчально-науковий комплекс "Інститут прикладного системного аналізу" НТУУ "КПІ" МОН та НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Зинченко, В.П. Буров, В.А. Зинченко, С.В. Штефлюк, А.В. 2010-12-13T16:17:53Z 2010-12-13T16:17:53Z 2005 Разработка систем передачи телеметрической информации для космических объектов / В.П. Зинченко, В.А. Буров, С.В. Зинченко, А.В. Штефлюк // Систем. дослідж. та інформ. технології. — 2005. — № 3. — С. 57-72. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1681–6048 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/14088 681.327+656.34 Рассмотрены вопросы разработки космических объектов в соответствии с протоколами Консультативного комитета по космическим информационным системам (CCSDS). Описаны методы кодирования информации телеметрического кадра, структуры кодеров и декодеров, рандомизатора формирователя телеметрического кадра, обладающих полнотой, достаточной для моделирования формирователя телеметрического кадра на основе VHDL-проекта с последующей загрузкой в программируемые логические схемы XCV 300Е-PQ240 и отладкой. Розглянуто питання розробки космічних об’єктів відповідно до протоколів Консультативного комітету із космічних інформаційних систем (CCSDS). Описано методи кодування інформації телеметричного кадру, структури кодерів і декодерів, рандомизатора формувача телеметричного кадру, які достатні для моделювання формувача телеметричного кадру на основі VHDL-проекту з подальшим завантаженням у програмовані логічні схеми XCV 300E-PQ240 і відладкою. The question about development of space objects are considered according to proceedings of Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS). The coding methods of information of telemetry frame, structures of encoders and decoders, randomizer of the shaper of telemetry frame having entirety, sufficient for simulation of the shaper of telemetry frame with the help of the VHDL-project with the subsequent loading in programmed logical circuits XCV 300E-PQ240 and debugging are described. ru Навчально-науковий комплекс "Інститут прикладного системного аналізу" НТУУ "КПІ" МОН та НАН України Проблемно і функціонально орієнтовані комп’ютерні системи та мережі Разработка систем передачи телеметрической информации для космических объектов Development of the transmission systems of the telemetry information for space objects Розробка систем передачі телеметричної інформації для космічних об’єктів Article published earlier |
| spellingShingle | Разработка систем передачи телеметрической информации для космических объектов Зинченко, В.П. Буров, В.А. Зинченко, С.В. Штефлюк, А.В. Проблемно і функціонально орієнтовані комп’ютерні системи та мережі |
| title | Разработка систем передачи телеметрической информации для космических объектов |
| title_alt | Development of the transmission systems of the telemetry information for space objects Розробка систем передачі телеметричної інформації для космічних об’єктів |
| title_full | Разработка систем передачи телеметрической информации для космических объектов |
| title_fullStr | Разработка систем передачи телеметрической информации для космических объектов |
| title_full_unstemmed | Разработка систем передачи телеметрической информации для космических объектов |
| title_short | Разработка систем передачи телеметрической информации для космических объектов |
| title_sort | разработка систем передачи телеметрической информации для космических объектов |
| topic | Проблемно і функціонально орієнтовані комп’ютерні системи та мережі |
| topic_facet | Проблемно і функціонально орієнтовані комп’ютерні системи та мережі |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/14088 |
| work_keys_str_mv | AT zinčenkovp razrabotkasistemperedačitelemetričeskoiinformaciidlâkosmičeskihobʺektov AT burovva razrabotkasistemperedačitelemetričeskoiinformaciidlâkosmičeskihobʺektov AT zinčenkosv razrabotkasistemperedačitelemetričeskoiinformaciidlâkosmičeskihobʺektov AT šteflûkav razrabotkasistemperedačitelemetričeskoiinformaciidlâkosmičeskihobʺektov AT zinčenkovp developmentofthetransmissionsystemsofthetelemetryinformationforspaceobjects AT burovva developmentofthetransmissionsystemsofthetelemetryinformationforspaceobjects AT zinčenkosv developmentofthetransmissionsystemsofthetelemetryinformationforspaceobjects AT šteflûkav developmentofthetransmissionsystemsofthetelemetryinformationforspaceobjects AT zinčenkovp rozrobkasistemperedačítelemetričnoíínformacíídlâkosmíčnihobêktív AT burovva rozrobkasistemperedačítelemetričnoíínformacíídlâkosmíčnihobêktív AT zinčenkosv rozrobkasistemperedačítelemetričnoíínformacíídlâkosmíčnihobêktív AT šteflûkav rozrobkasistemperedačítelemetričnoíínformacíídlâkosmíčnihobêktív |