航天測控基于ATCA的高性能測試系統(tǒng)架構
摘要： ATCA組織由代表工業(yè)和電信設備制造商及終端用戶的105個公司組成，大多數委員會成員業(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標準的修改來滿足電信市場的需求，但只取得了有限的效果，最終不得不承認原有的CompactPCI規(guī)范不能滿足電信應用對單板空間、功耗、帶寬、系統(tǒng)管理的要求，新的標準應運而生。
Abstract：
Key words :
ATCA組織由代表工業(yè)和電信設備制造商及終端用戶的105個公司組成，大多數委員會成員業(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標準的修改來滿足電信市場的需求，但只取得了有限的效果，最終不得不承認原有的CompactPCI規(guī)范不能滿足電信應用對單板空間、功耗、帶寬、系統(tǒng)管理的要求，新的標準應運而生。ATCA代表著全開放、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(wěn)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(guī)模生產，從而降低產品的價格，標準化和模塊化可使產品快速進入市場。標準化的內、外部接口和開放式的平臺，使得只要處理板或刀片服務器遵循ATCA接口規(guī)范就可以插入到平臺中，在快速實現集成或升級換代的同時，增強了系統(tǒng)的整體兼容性。ATCA的諸多優(yōu)勢能夠很好的滿足產品的設計需求。
一、高端測試應用需求
未來的測試領域對ATCA也存在很大的應用需求。測試總線技術如VXI、PXI總線是自動測試系統(tǒng)的一個關鍵組成部分。VXI、PXI總線都是基于共享總線技術，即多個模塊共享該總線帶寬，當測試系統(tǒng)內的模塊增多時，每個模塊只能分配一定的帶寬。近幾年來，隨著通信、雷達等系統(tǒng)帶寬不斷的增加，為了完成對這些系統(tǒng)的測試，現有的基于共享總線的測試總線技術有限的信息交換能力越來越難以滿足應用需求。正是在應用需求的牽引下，近幾年來陸續(xù)出現了多種高速串行總線技術，如PCI-E、RapidIO、Gigbe、Infiniband、StarFabric，這些總線可構成先進的交換架構，數據吞吐量相對于早期的VXI、PXI總線提高了幾十上百倍。圖1給出了現有并行總線和ATCA的數據傳輸性能對比。
二、基于ATCA的測試系統(tǒng)架構
ATCA標準包括核心核心規(guī)范和輔助規(guī)范，ATCA核心規(guī)范即PICMG 3.0，核心規(guī)范中定義了機械結構、電源分配、散熱管理和系統(tǒng)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(tǒng)之上，故不會因為單點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, 而每種傳輸類型又可被區(qū)分為單個獨立的傳輸。
一、高端測試應用需求
未來的測試領域對ATCA也存在很大的應用需求。測試總線技術如VXI、PXI總線是自動測試系統(tǒng)的一個關鍵組成部分。VXI、PXI總線都是基于共享總線技術，即多個模塊共享該總線帶寬，當測試系統(tǒng)內的模塊增多時，每個模塊只能分配一定的帶寬。近幾年來，隨著通信、雷達等系統(tǒng)帶寬不斷的增加，為了完成對這些系統(tǒng)的測試，現有的基于共享總線的測試總線技術有限的信息交換能力越來越難以滿足應用需求。正是在應用需求的牽引下，近幾年來陸續(xù)出現了多種高速串行總線技術，如PCI-E、RapidIO、Gigbe、Infiniband、StarFabric，這些總線可構成先進的交換架構，數據吞吐量相對于早期的VXI、PXI總線提高了幾十上百倍。圖1給出了現有并行總線和ATCA的數據傳輸性能對比。
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圖1 總線技術發(fā)展趨勢
基于這些高速串行總線的交換架構可成功的解決測試系統(tǒng)的瓶頸問題，提供了一種最佳的、理想的解決方案。下面舉幾個ATCA在測試領域的應用實例。
軟件無線電技術是統(tǒng)一的通信信號處理平臺，即用軟件實現無線電信號的調制與解調，軟件無線電由前端信號調理、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鍵和核心所在。目前軍用的無線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(tǒng)協調和控制板、應用板卡，軟件無線電平臺中板卡和板卡之間數據交互量是驚人的，ATCA無疑為該類應用提供了一個良好的解決方案。
雷達信號處理平臺和軟件無線電平臺有著相似的構成，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(tǒng)協調與控制板卡、應用板卡。多塊雷達信號處理板卡負責處理各類雷達信號，包括常規(guī)雷達、參差雷達、抖動雷達、捷變頻雷達、線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（和軟件無線電類似，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(guī)范及其輔助規(guī)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，這樣必涉及到多個模塊之間的高速數據交換。近幾年來，通信技術不斷進步和發(fā)展，其中一個最大的推動便是多媒體業(yè)務需求。兩大網絡，即移動通信網絡和Internet網絡的帶寬不斷提升，如移動通信終端已經歷了2G、2.5G的歷程，現正進入3G通信時代，終端能夠提供的信息速率也從十幾KHz至幾百KHz，Internet網絡終端也經歷了十兆、百兆至千兆以太網，兩大網絡性能提升都和多媒體應用需求有著密切的關系。對于移動通信網絡和Internet網絡，核心網絡的多媒體測試是重要的，容易看出，核心網絡的流媒體數據量是巨大的。無疑，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(tǒng)。為了完成測試與故障診斷需求，需要采集多路視頻、語音或其它傳感器信號，某些信號需要傳遞到多個遠程控制終端，某些信號還要按一定的要求存儲備份一段時間。由于涉及到多路視頻、語音和其它傳感器信號，對中心交換單元的數據吞吐量有著很高的要求，對于中心交換單元的延遲也有不同等級的要求，如對視頻和語音信號要求中心交換單元能夠高質量的服務等級，而對于某些傳感器信號服務等級要求不是很高。基于PCI-E協議規(guī)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質量，解決了遠程分布式測試與故障診斷系統(tǒng)數據交換瓶頸，并為該系統(tǒng)未來二十多年的擴展升級作了預留。
幾年前，VXI、PXI測試總線技術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，未來的測試系統(tǒng)具備最佳的模塊化結構、更佳的易擴展性、更高的性能、更低的價格。ATCA高級交換帶來的全方位的信息互通將是未來先進測試系統(tǒng)革新的源動力和技術保障。
軟件無線電技術是統(tǒng)一的通信信號處理平臺，即用軟件實現無線電信號的調制與解調，軟件無線電由前端信號調理、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鍵和核心所在。目前軍用的無線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(tǒng)協調和控制板、應用板卡，軟件無線電平臺中板卡和板卡之間數據交互量是驚人的，ATCA無疑為該類應用提供了一個良好的解決方案。
雷達信號處理平臺和軟件無線電平臺有著相似的構成，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(tǒng)協調與控制板卡、應用板卡。多塊雷達信號處理板卡負責處理各類雷達信號，包括常規(guī)雷達、參差雷達、抖動雷達、捷變頻雷達、線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（和軟件無線電類似，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(guī)范及其輔助規(guī)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，這樣必涉及到多個模塊之間的高速數據交換。近幾年來，通信技術不斷進步和發(fā)展，其中一個最大的推動便是多媒體業(yè)務需求。兩大網絡，即移動通信網絡和Internet網絡的帶寬不斷提升，如移動通信終端已經歷了2G、2.5G的歷程，現正進入3G通信時代，終端能夠提供的信息速率也從十幾KHz至幾百KHz，Internet網絡終端也經歷了十兆、百兆至千兆以太網，兩大網絡性能提升都和多媒體應用需求有著密切的關系。對于移動通信網絡和Internet網絡，核心網絡的多媒體測試是重要的，容易看出，核心網絡的流媒體數據量是巨大的。無疑，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(tǒng)。為了完成測試與故障診斷需求，需要采集多路視頻、語音或其它傳感器信號，某些信號需要傳遞到多個遠程控制終端，某些信號還要按一定的要求存儲備份一段時間。由于涉及到多路視頻、語音和其它傳感器信號，對中心交換單元的數據吞吐量有著很高的要求，對于中心交換單元的延遲也有不同等級的要求，如對視頻和語音信號要求中心交換單元能夠高質量的服務等級，而對于某些傳感器信號服務等級要求不是很高。基于PCI-E協議規(guī)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質量，解決了遠程分布式測試與故障診斷系統(tǒng)數據交換瓶頸，并為該系統(tǒng)未來二十多年的擴展升級作了預留。
幾年前，VXI、PXI測試總線技術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，未來的測試系統(tǒng)具備最佳的模塊化結構、更佳的易擴展性、更高的性能、更低的價格。ATCA高級交換帶來的全方位的信息互通將是未來先進測試系統(tǒng)革新的源動力和技術保障。
二、基于ATCA的測試系統(tǒng)架構
ATCA標準包括核心核心規(guī)范和輔助規(guī)范，ATCA核心規(guī)范即PICMG 3.0，核心規(guī)范中定義了機械結構、電源分配、散熱管理和系統(tǒng)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(tǒng)之上，故不會因為單點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, 而每種傳輸類型又可被區(qū)分為單個獨立的傳輸。
圖2 PCI-E協議體系結構
輔助規(guī)范PICMG 3.1- PICMG 3.5定義了點對點之間連接的協議，其中PICMG 3.1是千兆以太網和光纖傳輸，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(guī)范中除了PICMG 3.1包括ISO定義的7層協議，其它可視為3層體系結構，即物理層、數據鏈路層和事務層。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(guī)范的物理層相同，因此同一個ATCA機箱中可插入支持不同輔助規(guī)范的功能刀片。圖2給出了PICMG 3.4即PCI-E協議體系架構。
傳統(tǒng)的VXI、PXI測試總線基于共享總線結構，而ATCA基于高級交換框架結構，技術上的革新導致了數據吞吐量和數據傳輸的實時性都有不同等級的提升。傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)通常由控制計算機（控制器）、零槽控制器和多個模塊化儀器組成。ATCA系統(tǒng)基于交換架構，控制器和模塊化儀器之間通過交換刀片交互數據，另外，模塊化儀器之間也可以通過交換刀片交互數據，從組件在測試系統(tǒng)中充當的角色來看，ATCA中交換刀片的作用類似于傳統(tǒng)測試系統(tǒng)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(tǒng)架構。
傳統(tǒng)的VXI、PXI測試總線基于共享總線結構，而ATCA基于高級交換框架結構，技術上的革新導致了數據吞吐量和數據傳輸的實時性都有不同等級的提升。傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)通常由控制計算機（控制器）、零槽控制器和多個模塊化儀器組成。ATCA系統(tǒng)基于交換架構，控制器和模塊化儀器之間通過交換刀片交互數據，另外，模塊化儀器之間也可以通過交換刀片交互數據，從組件在測試系統(tǒng)中充當的角色來看，ATCA中交換刀片的作用類似于傳統(tǒng)測試系統(tǒng)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(tǒng)架構。
圖3 基于雙星型互連的ATCA拓撲結構
圖4 基于全網狀互連的ATCA拓撲結構
交換架構除了雙星型外，還可采用全網狀互連，其拓撲結構如圖4所示。全網狀互連增加了數據交換的帶寬，但增加了測試系統(tǒng)實現的復雜度和成本，另外測試系統(tǒng)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(tǒng)應用。
圖5 基于ATCA架構的測試系統(tǒng)應用示例
圖5給出了一個典型的基于ATCA架構的測試系統(tǒng)，刀片互連拓撲結構為雙星型，系統(tǒng)中包括2個交換刀片、1個處理器刀片、4個數字化儀刀片和2個高速存儲刀片。處理器刀片通常由多個Intel處理器組成，以增加多任務處理性能，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的一個輔助規(guī)范，交換刀片能夠提供不同的質量服務等級Qos，以滿足實時業(yè)務（如圖像、語音業(yè)務）的數據交換需求。
綜上，ATCA體現了開放式、標準化、模塊化、可擴展、可重構的設計理念，ATCA的靈活性、穩(wěn)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。它的采用使自動測試系統(tǒng)技術進入一個嶄新階段，完全解決了高速測試領域和相關軍事應用領域的數據傳輸瓶頸問題，因此開展此項技術研究能夠進一步推動國防工業(yè)試驗與測試技術發(fā)展，能解決未來型號對試驗與測試技術的高速傳輸要求及電子戰(zhàn)技術所需I/O技術，從根本上解決航天器和武器裝備測試系統(tǒng)控制、通信、數據傳輸、存貯、處理等應用需求。
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