מבוא

מערכות תקשורת לוויין מהוות את עמוד השדרה של קישוריות גלובלית מודרנית, תמיכה בכל דבר מאינטרנט רחב ורדיו טלוויזיה כדי לאבטח קישורים צבאיים וניווט GPS.כפי שהתעשייה דוחפת לעבר עומס גבוה יותר, גמישות רבה יותר, ואדריכלות רב-ביט, החומרה הבסיסית חייבת להתפתח כדי לשמור על קצב מחזורי קרינת תשלומים מסורתיים של מערכות משולבות יישומים (ASICs) מציעים ביצועים גבוהים ויעילות, אך חוסר היכולת להתאים פעם לוויין הוא במסלול קבוע, אשר דורש פיתוח קרינת Fected.

טכנולוגיית FPGA

FPGA הוא מכשיר מוליכים למחצה שנבנה סביב ממטריקס של בלוקים לוגיים configurable (CLBs) המחובר באמצעות חיבורים בין-תחומיים הניתנים לתוכנה.בניגוד למעבד המבצע הוראות באופן זמני, FPGA מיישמת מעגלים לוגיים ישירות בחומרה על ידי טעינת תצורה bitstream לתוך תאי הזיכרון שלה. bitstream זה מגדיר את ההתנהגות של טבלאות של סורק (Ls), flo-pms דיגיטלי, כגון עיבוד אותות אופציונליים, כלומר, מעבדים אופטיים, כלומר, מעבדים אופטיים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים אופטיים, מעבדים, מעבדים, כגון מעבדים של רכיבי תצורה של רכיבי אבטחה, מעבדים אופטיים, מעבדים, מעבדים, כלומר, מעבדים מתקדמים (D).

משפחות FPGA מודרניות - כגון מכשירי ה-FLT של AMD:0space-class Virtex-5QV ו-Sintex UltraScale+FLT:1 או מכשיר ה-V-Silpe-fluhenFLT:2Cyclone ו-Strtix-SpLT 3FLT - מדגימים ליבות קשות נוספות, כולל מעבדים משובצים (ARM), זיכרון קורטקס, ו-Ricerd ו-RICOS, לעתים קרובות, כולל מעבדי תיבות של מערכת אחסון של מערכת אבטחה ו-CRECRECRECRECRECRECRECRERICDRICDRICDLT, ו-R.

המעטפה הביצועית של FPGA נמדדת לעתים קרובות במונחים של ספירת יסוד לוגיקה, יכולת עיבוד DSP (פעילות מבוססת-מופת לשנייה), ו רוחב פס transceiver.לדוגמה, מרחב בעל ערך גבוה, FPGA יכול לספק כמה פעולות טרה לשנייה של עיבוד אותות, ישירות מתחרים ASICs עבור הרבה מקבילות עבודה, אבל עם היתרון הנוסף של תוכנית יכולת מקבילה, כמו מקבילה דיגיטלית, כמו סימולציה, כמו גם מקבילה, כמו טרנסג'נדרציה, כמו מקבילה, כלומר, כלומר, כמו מקבילה של ארבע משימות מקבילה דיגיטלית, כמו PG, כלומר, כלומר, כמו מקבילה מקבילה, כמו מקבילה, כלומר, כלומר, כלומר, 000 מקבילה של מקבילה, כלומר, כלומר, 000 מקבילה של כל משימות מקבילה של מקבילה של מקבילה, כלומר, כמו מקבילה, כלומר, כמו מקבילה של מקבילה, 000 מקבילה, 000 מקבילה של מקבילה, 000 מקבילה, כמו מקבילה של משימות מקבילה, כדי להפוך את כל משימות מקבילה, כדי להפוך את כל משימות מקבילה, 000 מקבילה

התפתחות ארכיטקטונית: מעמוד טהור ועד מערכות הטרוגניות

FPGAs מוקדם הכיל רק בלוקים לוגיים ו routing, מכריח מעצבים ליישם הכל מאפס באמצעות LUTs ו- t-flops. Contemporary-class FPGAs משלב מעבדים קשיחים (למשל, ARM Cortex-R5 או RISC-V ליבות רכות), מעבדי אותות דיגיטליים נוספים, מקלעי מרובות-gibit Transceivers, ואפילו אנלוגי-to-to-to-to-al אלה מאפשרים להחליף רכיבי ארכיטקטורציה יחיד.

למה FPGAs Excel בתקשורת

כמה מאפיינים טבועים להפוך את FPGAs במיוחד מתאים לסביבה הקיצונית ודורשים דרישות של עומסי לווינים ומערכות קרקע. גורמים אלה משלבים כדי לתת מעצבי מערכת פלטפורמה גמישה וחזקה ייחודית.

המונחים: Orbit Reconfigurability

תקני תקשורת מתפתחים, גלימות חדשות מופיעות, ועל אוביט omalies דורשות כתמים. FPGA יכול להיות מעודכן מרחוק על ידי העלאת bitstream חדש, המאפשר למפעילים לשנות תוכניות מודולציה, להוסיף אלגוריתמי הצפנה, או שגיאות עיצוב נכונות ללא החלפת חומרה. גמישות זו כמעט בלתי אפשרית עם שירותי ASICs קבועים ומרחיב את החיים השימושיים של לוויין.

עיבוד לטווח קצר, נמוך-לא עקבי

תוכנה הפועלת על מעבדים למטרות כלליות (GPPs) או יחידות עיבוד גרפיקה (GPUs) מציגה עיכובים לא-קבועים עקב מערכת הפעלה מעל ראש, תזמון משימה, וזיכרון CPGAs, לעומת זאת, נתוני תהליך במהירות חוט באמצעות לוגיקה עמוקה בשלב צינורות, מתן שקיפות נמדדת במחזורי שעון.

המונחים: Signal Processing

פרוסות DSP עצמאיות ואבני לוגיקה ב FPGA מאפשרות אלפי פעולות מרובות-אקוממות לרוץ בו-זמנית.בערוץ דיגיטלי טיפוסי, FPGA יכול לעבד מאות ערוצי פס צר במקביל, ביצוע המרה תדירות, סינון, ודגימה המרה עם הקלה. APU או GPU יאבקו כדי להתאים את זה באמצעות לוח וואט, במיוחד על חלליות כוח-קו-מסוג של 10GA יכול לדרוש פחות מ קיבולת.

קרינה סובלנות וגמישות

בעוד ש- FPGAs המסחרי הסטנדרטי רגישים להפרעות חד-משמעיות הנגרמות על ידי קרינה (SEUs), ספקים רבים מציעים גרסאות סובלניות או קרינה-קשה-היתר על ידי מכשירים אלה משתמשים בטכניקות עיצוב קנייניות – כגון תת-קרקעית, בידוד משולש ותצורה קשיחה (Fercenticial סיליקון) לפשט את המינון העוצמתי (TID) והלקטיפטור (Ricupupupupupation) בתוך תצורה של ה-Flasticial) של ה-RECFTM) ו-FTM) ו-RICOS) לפשטהטווח הפחתת ה-STM (RICFLTCDC) לצמצום של ה-Flasticial (RICOS) ו-RICFTM) לאפקטים (RICOS) להפחתה של ה-RICFTM) ו-FLTCDC (RICOS) לצמצום של הפחתת ה-Flasticial) ו-Flasticial סימולציה של ה-FLTGTM) לצמצום של ה-RICOS) לאפקטים של מערכת החיסון הבין-Flasticial) לצמצום של ה-SLTGRICR

עלויות היעילות של Niche Volumes

פיתוח ASIC כרוך בהנדסת חשמל גבוהה (NRE) עלויות ודורש זמני להוביל ארוכים, מה שהופך אותו ללא כלכלי עבור נפח ייצור נמוך יחסית טיפוסי של תעשיית הלוויין. FPGAs, אפילו יקר-היתר חלל, למנוע עלויות אלה upfront ועיכובים עת-לשיווק, מתן נתיב בר קיימא מסחרית עבור משימות רק קומץ יחידות.

דרישות מפתח במערכות לווין

FPGAs עכשיו מסמנים כמעט כל תת-מערכת של לוויין תקשורת מודרני, מהעומס ועד אלקטרוניקה האוטובוס.הגמישות שלהם הופכת אותם אבן הפינה של ארכיטקטורות מטען דיגיטלי.

עיבוד אותות וערוץ

היטל של לוויין בעל ביצועים גבוהים (HTS) חייב לקבל, לסנן ולסלול מאות אותות נושא. FPGAs ליישם את המעצורים הדיגיטליים (DDCs), upconverters (DUCs), וערוצים מבוססי FFT גדולים המבוססים על FFT אשר מחליפים את פילטרים אנלוגיים מרובים.על עיבוד דיגיטלי מאפשר תוכניות גמישות שניתן לבנות על הביקוש, למקסם את היעילות ה-oftralic.

קידוד ומודולציה (ACM)

סטנדרטים מודרניים כגון DVB-S2X וועדת הייעוץ של מערכות מידע חלל (CCSDS) פרוטוקולים דורשים מודולציה בזמן אמת ותיקון שגיאות קדימה (FEC) ⁇ . FPGA יכול לתמוך במספר רב של גלפורים בו זמנית, מעבר בין BPSK, QPSK 8PSK, ו- FPload גבוה יותר QAM, החל קודים LDPC או turbo מותאמים לתנאי הקישור זה הוא חיוני להתאמה אישית עבור מערכת ההפעלה.

Beamforming ו-שלב Array Antennas

מנגנונים סרוחים אלקטרוניים פעילים (AESAs) בשימוש ב- LEO ו- MEO דורשות שלב מדויק ובקרת אמפולנס על פני מאות אלמנטים. FPGAs לחדד את המשקל המורכב עבור beamforming, המאפשר ל- beam לנווט, ביטול היגוי לאחור כדי לשנות את רכיבי ה-PG, ו-am hopping - את הריצוף המהיר של אנטנות גבוהות על פני אזורים לוגיים.

Software-Defined Radio (SDR) Platforms

גישה SDR נעה הרבה של עיבוד הגלום חומרה אנלוגיה קבועה לתוך התחום הדיגיטלי המודע.FPGAs משמש כמנוע עיבוד מרכזי, ביצוע עיבוד בסיס, ערימה פרוטוקול האצה, ומשימות החזית הדיגיטלית בשילוב עם מעבד עלboard פועל תוכנה שליטה ברמה גבוהה, יוצר עומס לווייני רב צדדי שיכול לתמוך במשימות מרובות - תצפית כדור הארץ למטה, איסוף נתונים, גישה רחבה ורחבה - על ידי לוח זמנים יחיד פתוח אחד, יכול להפעיל מערכת הפעלה מחדש של מערכת יחסים אחת של לוח זמנים אחרת, כמו לוחמת אבטחה פשוטה יותר של לוחמת, כמו לוחמת מערכת הפעלה מחדש של לוחמת אבטחה אחת בלבד, כמו לוחמת אבטחה אחת בלבד, כמו לוחמת אבטחה אחת בלבד, כמו לוחמת מערכת טלוויזיה אחת בלבד.

על גבי נתונים נתונים ודיכוי

לווייני תצפית כדור הארץ מייצרים כמויות עצומות של נתונים גולמיים.FPGAs דחוסים תמונות באמצעות אלגוריתמים כגון JPEG2000 או דחיסה ללא אובדן מבוסס גלנט לפני ניכוי קישורים, צמצום דרמטי של דרישות אחסון ורוחב הפס.רחב יותר, מכשירים אלה גם מפעילים מודלים קלים ללמידה מכונה כדי לנפץ סצנות מחוספס ענן או לבצע דחיסה תכונה, משדרים רק מידע חשוב.

אבטחה ואנטי-מפרס

לווייני תקשורת, במיוחד אלה המשמשים להגנת, דורשים הצפנה ואימות חזקים.FPGAs יכול ליישם ליבות הצפנה ברמה צבאית (AES-256, SHA-3) בחומרה עם כוח מינימלי מעל פני השטח.יתר על כן, את התצורה bitstream ניתן מוצפן ואותנטיות, למנוע הנדסה הפוכה או תכנות מחדש לא מורשה. חלק מהמכשירים כוללים פונקציות ניהול פיזיות ללא תשלום (PUs) עבור חומרה של יכולת מפתח של יכולת הצפנה כדי לפתח אלגוריתמית אבטחה סודית אבטחה, כמו גם אלגוריתמית אבטחה פונקציונליות אבטחה סודית אבטחה פונקציונליות חומרת אבטחה סודית אבטחה.

Onboard Networking and Switch fabrics

לווייני ריבוי תשלום מודרניים דורשים החלפת נתונים במהירות גבוהה בין חיישנים, מעבדים, וממשקי מטה קישורים. FPGAs ליישם SpaceFibre, RapidIO, או בדים מתגים מותאם אישית כי זרם נתונים עם מהירויות ⁇ יות.הטבע ה-FPGAs יישם את ספקי הרשת כדי להתאים לאחר ההשקה כדי לשנות את צרכי המשימה, כגון הפעלת תנועה סביב transponder יקר, לדוגמה, עם מספר רב של תאים דינמית של לוויינים, ללא יכולת עיבוד דינמית.

תגיות: Space-Grade FPGAs

פיזור FPGA במסלול דורש התייחסות למערך ייחודי של מגבלות סביבתיות ותפעוליות.הצלחה תלויה בבחירת זהירה של מכשירים ושיטות עיצוב יסודיות.

קרינה מייגציה

החלל מלא בפרוטונים באנרגיה גבוהה, בצלים כבדים, וקרניים קוסמיים. שביתה חלקיק יחיד יכול להפוך את זיכרון התצורה (SEU), פוטנציאל לשנות את הפונקציה ההגיון.בחירת המכשיר היא קו ההגנה הראשון: קרינה-FPGA מופחתת כמו RTG4 של מיקרוצ'יפ (או של AMD XQRVtex) משתמשים ברציפות במשימות קשות של ירכיים ותצורה כי הם תצורה של אבטחה קצרה של מחזור חשמלי (אונקציה) עבור תצורה מוגבלת של זמן הפעלה אחורית (אונקציה מוגבלת) עבור תצורה מוגבלת של תאים).

ניהול ארס

כוח הניתוק על ידי FPGA חייב להתבצע בסביבה של ואקום, שבו convection אינו קיים. ביצועים גבוהים FPGAs יכול לצרוך עשרות וואט, הדורש עיצוב תרמי מתוחכם: צינורות חום, ממלאי פערים מוליכים, משטחים קורנים. מעצבים משתמשים גם בכלי סימולציה מוקדם במחזור הפיתוח ועשויים לסחור במהירות או מספר של פרוסות DSP פעיל כדי לענות על מתחים מתקדמים (F) אך לא רק כדי להפחית את רמת הכוח התדירות גבוהה יותר.

תקציבים וכלכלה

תקציב הכוח של לווין הוא סופי ומשותף על פני מספר רב של תת-מערכות. FPGA כוח דינמי הוא פרופורציה לפעילות המעבר ואת המורכבות של העיצוב.טכניקות כגון שעון מגולמת, באמצעות משפחות למכשירים נמוכים יותר, וריצוף זהיר יכול להפחית את הצריכה.היכולת לשנות באופן חלקי את יעילות ה-FPGA גם מאפשר חלקים של השבבים כאשר לא בשימוש.

שעון וסינכרון

תשלומים בחלל פועלים לעתים קרובות על פני תחומים מרובים של תדר עם דרישות Jitter. FPGAs כוללים בלוקים ייעודיים לניהול שעונים (למשל, PLLs ו CMs) כדי לסנתז ולהפיץ שעונים נמוכים ג'יר. מעצבים חייבים להבטיח כי השעון הגלובלי בתוך FPGA עומד מגבלות התזמון שנקבעו על ידי גלפורציה נתונים, במיוחד כאשר מקיפים עם מהירות גבוהה ADC ו- 10CHS מעל קריטריונים קריטיים של שימוש בפרוטוקולים).

עיצוב ואימות

משימות חלל לא יכולות להרשות לעצמן בכישלונות טיסה.תהליך אימות עבור עיצובים FPGA כולל סימולציה נרחבת, בדיקות חומרה-ב-ה-פרלופ, ובדיקות קרינה עם פרוטון או דבורים כבדות-יון כגון Questa או Synopsys של VCS משמשים אימות פונקציונלי, בעוד שבדיקות קרינה תקפים עם יעילות של TMR. כל חלק מהתצורה יש לבדוק עבור תקופות פעילות גופנית-אומטית לעתים קרובות, כלומר, בתנאי ניתוח פיזיקלימיים, כולל מחזורי זמן ארוך-PTS, כולל בדיקות טמפרטורה, כולל בדיקות תחזוקה תפקודיתולוגיים.

אתגרים של שימוש ב-FPGAs בחלל

למרות היתרונות שלהם, FPGAs הם לא פתרון אוניברסלי. צריכת חשמל נשאר דאגה עיקרית: אפילו מכשירים סובלניים קיצוני לעתים קרובות לצייר יותר כוח סטטי ודינאמי מאשר ASIC שווה ערך, הגבלת השימוש שלהם nano- ו micro-satellites שבו כוח הוא מגביל מאוד את המורכבות עיצוב הוא עוד hurdle - פיתוח משותף דורש מיומנויות מיוחדות בתיאור חומרה, תזמון, פיזי, עיצוב פיזי, ומיומנויות אלה הם גם על ידי פיתוח קיבולת קצר של תהליכים סטנדרטיים של זמן, כי הם כמה זמן קצר מאחורי הקלעים של שימוש אנליזה, כי הם גם כן, כי הם כמה תהליכים סטנדרטיים, כי הם רקמותרפיסטיים, כי הם גם כן, כי הם כמה זמן קצר על ידי שימוש â € â € â € â € â € â € â € â € â € â € â € â € â € â â â € â € â â â â â â € â € â € â â â € â € â € â â â â â â ¢ â â ¢ ¢ ¢ ¢ â â

בנוסף, הרגישות הפנימית לקרינה פירושה שאפקטים חד-לשוניים (SEE) עדיין יכולים לגרום לגזרים זמניים או הפרעות פונקציונליות, למרות ההפחתה של מערכות יש לתכנן כדי לזהות ולהחלים מאירועים כאלה באופן אוטונומי.סוף סוף, העלות של FPGA מוסמך לחלוטין, כולל כלי הפיתוח, רישיונות IP, ובדיקה, עדיין יכול להיות משמעותי - למרות לעתים קרובות פחות מאשר טופסי תיבות של אפשרויות רבות, עבור תוכניות רבות, כמו גם עבור ענישה.

מגמות עתידיות

התפקיד של FPGAs בתקשורת לווינית הוא להרחיב עוד כמה מגמות טכנולוגיות מתכנסות.עלונים בינה מלאכותית ולמידה מכונה (AI/ML) הוא ככל הנראה הטרנספורמציה ביותר.FPGAs משמשים כדי להאיץ את הרשת העצבית של משימות כמו זיהוי ספקטרום, תחזוקה חיזויית, והתאמה אוטונומית של קרינת מכ"ם:0 עיבוד בלתי ניתן לחיסכון בלוויינים על פני LTF1, כמו למשל קומפקטיות, מאפשר שיפור יעיל יותר של מערכות הפעלה של מערכות הגנה עצמית, או קומפקטיות.

מגמה נוספת היא אימוץ של ארכיטקטורות מטען מודולריות ומפוכחות באמצעות סטנדרטים פתוחים כמו SpaceVPX.FPGAs לשמש לוגיקה דבק גמישה, גירוד חיישנים, מעבדים, וקישורים אופטיים מהירים במהירות גבוהה.הופעת מעבדים רכות RISC-V מיידיות בתוך הבד FPGA מאפשר שבב יחיד כדי לארח את מאיץ חומרה מחשובי חומרה ותוכנית בקרה אישית, תוך הימנעות ממעבד אבטחה אלחוטית זה קשור באופן ישיר עם מגבלות אבטחה.

במערכת האקולוגית הרחבה יותר של קישוריות, שילוב רשתות לוויין עם 5G/6G תשתית הארצית (רשתות לא-ארציות, או NTN) ידרוש עיבוד לווייני של חומרת לוויינים מורכבים והתאמה גלפורטיבית. FPGAs ממוקמים באופן אידיאלי כדי להתמודד עם משימות אלה, במיוחד עם מכשירים הדור הבא של PGRand-Hulti-Girdth של פונקציות פיתוח רב-gibitceivers ושילוב הדוק יותר של פונקציות אנלוגיות מעורבות כבר להגדיר מראש של PGDIVEL.

קישורים אופטיים ומודולים Multi-Chip

בעוד ששיעורי הנתונים עולים על 100 Gbps לערוץ, אותות חשמליים על פני כוכבי לכת הופכים יותר ויותר אבודים. PGAs חדש ברמה החלל החדש משלב נמלים אופטיים או ממשק עם מודולים פוטוניקה חיצוניים.מודול Multi-chip (MC) מאפשר ערימה של מספר FPGA או שילוב של AFPGA ייעודי עבור פונקציות קריטיות של נתונים קריטיים, השגת ביצועים דומים עיצובים חד-כימיים תוך כדי שילוב של זיכרון חד-מי עם טיפול אופטי של FPGA אחד עם FPGA אחד עם FPGA או FPGA מתקדם עם FPGA עם FPGA עם AFPGA עם AFPGA עם AFPGA עם AFPGA עם AFPGA עם AFPGA עם AFPGA עם AFPGA עם AFPGA עם פונקציות קריטי עבור פונקציות קריטי עבור פונקציות קריטי עבור פונקציות קריטי עבור פונקציות קריטיות, 000 מתקדם עם AFPGA, 000 מתקדם עם גישה אופטית עם AFPGA, עם AFPGA עם AFPGA עם AFPGA עם AFPGA עם AFPGA עם AFPGA, 000 עבור פונקציות קריטי עבור פונקציות נתונים מתקדמים עבור פונקציות נתונים מתקדמים עבור פונקציות קריטיות, 000 מתקדם עם AFPGA, 000, 000 מתקדמות עבור פונקציות נתונים מתקדמים עבור

מסקנה

FPGAs ביססו את עצמם כטכנולוגיה חיונית במערכות תקשורת לווייניות, תוך שימת דגש על ההתפלגות בין הגמישות של ASICs לבין מגבלות הביצועים של מעבדי תוכנה.היכולת שלהם לספק עיבוד מקביל מסיבי, להסתגל לסטנדרטים חדשים לאחר ההשקה, לעמוד בשקיקה של החלל גורם להם את הבחירה המועדפת על מטענים מתקדמים יותר על פני תוכניות ממשלתיות ומסחריות.