NASASTRS开放架构硬件模块

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1、NASASTRS开放架构硬件模块胡行毅(中国科学院空间科学与应用研究中心北京100080)摘要为满足NASA未来空间新任务的需求，要求未来的空间无线电系统能有较大程度的互操作性与灵活性。基于软件无线电的空间通信无线电系统（STRS）开放架构框架是近年来空间通信与导航讨论的热点。由于NASASTRS开放架构的内容很多，拟分别介绍其硬件和软件部分。本文综合介绍NASASTRS开放架构硬件模块的相关内容，供我国空间科学与应用顶层设计和试验床验证参考。关键词空间任务空间通信软件无线电STRS1引言为了满足未来的空间科学与探索任务的遥操作、自主

2、运行和智能/认知无线电的需求，改善跨NASA任务和服务的能力，NASA正在研发一种基于软件无线电（SDR）的标准平台用于空间通信与导航。它是以空间通信无线电系统（STRS）架构作为一个开放的标准框架。其目的是要在每项新空间任务的天基系统和地基系统中不需要按惯例重新进行完整的硬件和软件的系统设计。NASA希望代之以自适应和灵活的系统，能满足任务的发展和发射以后的各类不同的无线电系统的需求。此外，系统的硬软件架构也要力求能保护合同者关于提供部分系统于国际运营的知识产权。STRS开放架构框架定义了一个能在NASA空间任务之间公共的供SDR用

3、的硬件架构方法。硬件架构由模块、无线电功能单元和接口组成。模块是由一个典型的通信无线电系统组成的公共无线电功能的逻辑部分。除要满足不同的空间任务需求而配置灵活与可调谐的射频前端外，该架构涵盖了通用目的处理器（GPP）、DSP、FPGA和ASIC等可重配置处理技术。本文综合介绍了STRS开放架构硬件模块描述，包括：模块定义、各个模块实现的典型功能及接口。也介绍了在基于部件的传统惯常架构和基于功能的开放架构间的权衡比较。这里的架构并不指定一个模块的内部物理实现，也不是必须遵循的标准或者构造这个无线电系统的硬件级别。STRS开放架构是为软硬

4、件架构定义部件和规则集合的框架，是为NASA的空间任务SDR研发考虑建立一种标准开放架构的方法。2空间软件无线电2.1空间SDR含义SDR的概念是可重新编程或可重构类型的无线电系统。它是提供各类网络通信系统可重配置的硬软件技术的集合。其功能结构是具有划分硬软件模块的可编程系统。这些模块受遵从于接口定义、允许设计可重用、软件可移植以及跨硬件平台的可伸缩性的管理软件的控制。SDR允许用户只改变软件而不用改变任何硬件就能改变诸如调制类型、宽窄带运行、辐射功率和空间接口等收发通信特性。和功能固定与专一性的传统无线电系统比较，SDR在数字和射频

5、域内灵活而自适应运行的优点给无线电系统提供了有重要意义的能力与性能。SDR在构建多模式、多频段、多功能的无线电系统时，用动态地改变升级软件具有可以节省空间任务成本的潜力。亦即通过可编程软件模块修改同样价格的硬件来完成不同时间的不同功能，从而减少了一个给定的空间任务所需无线电系统的总数量。基于一个标准架构的499SDR让NASA可以用一个一致性的公共的框架去研发、保证空间品质、运行和维护这些复杂的可重配置与可重编程的空间无线电系统。2.2SDR惯常的架构SDR架构定义为‘一个综合性的，遵照无线电通信系统可能的组织、设计、构建、部署、运行

6、和与时俱进相一致的功能、部件与设计规则的集合。一个有用的架构划分功能和部件，例如：a)功能明确地分配到部件；b)部件间的物理接口对应于其功能间的逻辑接口。’当前空间部署的SDR硬件实现是采用由SDR组成的设备部件的典型代表。图1给出了一个高级别的、基于部件的空间惯常硬件架构。习惯的方法是强调典型的硬件收发信机功能单元（例如ASIC与FPGA），特定的存储器功能单元（例如RAM和EEROM），物理接口（RS-232、Spacewire等）和射频信号转换以及滤波部件（例如BPF和专门的ADC）。通常，这些都是现有技术的代表。图示为无线电处

7、理装置、处理功能单元和射频前端的惯常连接。这些惯常的无线电接口连接一般是属于无线电研发者私有的。图1惯常实现的空间SDR硬件架构惯常的方法能提供一种有效解决方案以满足特殊任务的需求。这对于无线电设计和实现，包括设计、研发、测试和空间品质是专门的和唯一的。然而，设计的修改和新软件的研发经常要求能容纳由于日益过时而需更新的部件，并要求允许使用新的技术以满足新任务的需求。私有性专用接口限制了NASA从一个任务到另一个任务的软件研发投资的扩展和重用能力。惯常的实现也限制了NASA对有类似一组需求的任务只能采用相同的供应者，也许其硬件可以重用，

8、但却由于缺乏竞争而增加了成本。3STRS开放架构硬件模块描述在NASA考虑未来的空间探索时，可重配置电子学和SDR的发展提供了一个机会去改变空间任务研发和运行空间通信/导航收发信机的方法。NASA近年一直在研发和评估一种