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[资料] 基于USB3.0总线的卫星数传基带数据接收模块设计

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发表于 2022-4-3 19:00:01 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 广东省深圳市
摘要:卫星数传基带数据接收是卫星数传系统测试的基础。通过对USB3.0总线协议的分析,提出了一种基于USB3.0总线的卫星数传基带数据接收模块的设计方法。该模块以FPGA和USB 3.0接口芯片(CYUSB3014)为核心,采用FPGA实现数据流的同步、加扰、RS译码操作,采用USB3.0接口芯片实现数传数据接收。经试验证明,该模块结合PC机,数据接收速率可到2.1Gbps,与主流基于CPCIe\VPX高速串行总线的数据接收平台相比,成本降低显著,便携性高。

随着星基遥感探测技术的发展,卫星数传基带数据的速率日愈提高。在地面验证时,上Gbps的数据需要实时同步、解扰、译码后存储。目前主流解决方案是基于高速串行总线CPCIe\VPX的接收板卡,并配置机箱和控制器实现数据的接收。机箱和控制器虽是货架产品,但价格居高不下。基于高速串行总线CPCIe\VPX的接收板卡无货架产品,需根据CCSDS协议定制,价格不菲。
USB3.0总线高达5Gbps的理论带宽,为数传基带数据的接收提供了一种新的解决途径。采用支持USB3.0接口的卫星数传基带数据接收模块,结合普通PC机,可构成一个高速数据接收平台。而USB接口的广泛使用,即插即用的特性,也保证了该平台的经济性和便携性。

1、系统组成及原理
1.1USB3.0总线
USB总线是一种成熟的串行总线,广泛应用于计算机外设的联接。USB3.0总线与早期的USB2.0总线相比,性能有了质的飞跃,如表1所示。
特性
USB2.0
USB3.0
芯数
4
8
工作模式
半双工
全双工
理论速率
480Mbps
5Gbps
供电电流
500mA
900mA

由上表可知,USB2.0总线半双工模式、480Mbps理论带宽的限制,不适用高速数传数据的接收。而USB3.0总线5Gbps的理论带宽、全双工模式,可有效应对卫星数传系统上Gbps传输速率的需求。其900mA供电电流为接收模块提供更高的工作功率;USB总线热插拔、即插即用的特性,也便于数据接收模块的快速应用。

1.2 架构设计
数传基带数据接收模块架构设计上综合考虑了通用性、低功耗的要求,最终采用LVDS接口电路 + FPGA + USB接口芯片模式。LVDS接口电路把数传基带LVDS信号转换为LVTTL信号;FPGA作为前级单元,其可配置特性为数据的预处理,提供了良好的通用性;与FPGA联接的RAM器件,用于板级的数据缓冲;E2PROM芯片存储固件程序,在上电时自动载入USB接口芯片运行,与上位机USB口通讯,如图1所示。
图片1.jpg
数传基带数据通过LVDS接口芯片转换为LVTTL电平后,输入FPGA;由FPGA协同RAM完成数据的同步、解扰、译码后,通过GPIF-II通讯接口送入USB接口芯片;在USB接口芯片固件程序的调度下,实时向上位机传送数据。
数传基带数据接收模块工作在slave模式下,通过USB口与上位机连接;上位机采用支持USB3.0接口的PC机,工作在host模式下,用于数据接收模块的识别、管理和数据吞吐。
1)电源管理
USB总线接口为数据接收模块提供5V,900mA的电源,通过TI公司的TPS70448PWP、TPS70445PWP电源管理芯片,转换为3.3V、2.5V和1.2V电压提供给FPGA、USB接口芯片等电路。在硬件设计,采用滤波电路,降低电源纹波,保证电压的稳定和精度。
2)USB接口芯片
USB接口芯片选用CYPRESS公司的CYUSB3014。该芯片符合 USB3.0规范 1.0版,向下兼容USB2.0总线;支持5Gbps物理层传输速率;具备100MHz通用可编程接口GPIF-II,支持8/16/32bit数据总线,16根可配置控制线;内置32bitCPU ARM926EJ 内核,512KB SRAM;支持I2C、I2S、UART、SPI等外设接口;时钟输入频率19.2、 26、 38.4和 52 MHz可选;内核和 I/O区供电独立;内核断电模式下功耗低于60μA。
3)FPGA芯片
FPGA是数据接收模块的核心,综合考虑芯片逻辑资源量、最大时钟频率、I/O引脚数、价格等因素,选用Altera公司CycloneIII系列EP3C40F324I8。该芯片具有39600个逻辑单元,126个M9K嵌入式存储器模块,126个18xl8的嵌入式硬件乘法器,4个PLL锁相环,最多195个设计可用I/O引脚。
4)E2PROM芯片
E2PROM芯片选用24LC256芯片,支持I2C接口,存储容量为256Kbit.通过I2C接口与USB接口芯片CYUSB3014通讯,存储数据接收模块的固件程序。当数据接收模块上电时,自动载入CYUSB3014运行。

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