אלקטרוניקה דיגיטלית במערכות תקשורת לוויין: אתגרים ופתרונות

תפקיד האלקטרוניקה הדיגיטלית בתקשורת בלוויין

מערכות תקשורת לווייניות הן עמוד השדרה של קישוריות גלובלית מודרנית, המאפשרות הכל בשידורי טלוויזיה חיים וגישה לאינטרנט באזורים מרוחקים לניווט מדויק וקישורים צבאיים פיקודיים. בלב המערכות הללו טמונה חבילה מורכבת של אלקטרוניקה דיגיטלית האחראית לעיבוד, ⁇ , מודולציה, וסימנים מתמרנים על פני מרחקים מהירים שיכולים לחדור עשרות אלפי קילומטרים.

אתגרים מרכזיים העומדים בפני אלקטרוניקה דיגיטלית בסביבת החלל

השפעות קרינה ואירוע יחיד

אולי האיום הגדול ביותר של מכשירים מוליכים למחצה במסלול הוא קרינה.סביבת החלל מלאה בפרוטונים ואלקטרונים לכודים בחגורת ואן אלן, קרניים קוסמיות גלקטיות, חלקיקים אנרגטיים סולאריים.כאשר חלקיקים אלה תוקפים אזורים רגישים של שבב דיגיטלי, הם יכולים לגרום להפרעות חד-משמעיות (SEUs) - פיסות בתאים זיכרון או רישום - או אירוע הרסני יותר ל-SEL) ל-SPTS) יכולות לחדור להשפעות עמוקות של חומר חשמליות (S) על פני כדור הארץ, אפילו למניעהחומרים).

כדי להחמיר את המצב, גדלים המאפיין הצטמצמים של תהליכים CMOS מודרניים (כיום בשבעה nm ולמטה) להגדיל את הפגיעות ל-SEUs כי צומת קטן דורש פחות תשלום כדי להפוך מדינה.אך תהליכים מתקדמים אלה מציעים את הביצועים ואת היתרונות של כוח כי לווינים לשלם נואשות צורך.המתח בין באמצעות סיליקון מסחרי חדשני והשגת סובלנות הקרינה הנדרשת מגדיר הרבה של אתגר עיצוב אלקטרוניקה מודרני.

כוח ריכוזים ואנרגיה

לווינים מייצרים חשמל או באמצעות לוחות סולאריים (מערך פוטו-וולטאי) או, בחלל עמוק, באמצעות גנרטורים תרמואלקטריים רדיואיזוטופים (RTGs) בשני המקרים, הכוח הזמין מוגבל לחלוטין - בדרך כלל כמה קילווואט עבור לוויין תקשורת גיאוגרפי גדול, ולעתים קרובות רק עשרות עד מאות וואט עבור קוביות קטנות של חשמל דיגיטליים, במיוחד מעבדים, כגון PGce, כלומר, לחץ דם גבוה יותר, לחץ דם גבוה יותר, כגון משימות עיבוד מהיר יותר.

ניהול תרמי ב Vacuum

בוואקום של החלל, אין הדבקה או התנהגות באוויר כדי להסיר חום.חום יכול רק לעבור באמצעות קרינה או על ידי התנהגות ישירה דרך מבנה החללית.אלקטרוניקה דיגיטלית לייצר חום פסולת, במיוחד במעגלים מהירים במהירות גבוהה, חום זה חייב להיות סחף ביעילות כדי לשמור על טמפרטורות צומת בתוך גבולות בטוחים.

מיניטור ו-Peting Constraints

שיגור מסה הוא נהג עלות קריטי.כל קילוגרם שנשלח למסלול של אלפי דולרים, ומגבלות נפח בתוך ההגינות הן מחמירות באותה מידה. Command ו-Data Treatment subsystems, Transponders, ומעבדי תשלום חייבים להיות קטנים ואור ככל האפשר.זה מניעה את השימוש בפתרונות משולבים מאוד כגון מעצבי מערכת-onchip (SoC) ו- MultiSW (MMC) יכולות לשרוד את הפחתת הדחיסות הקטנות של חומר האלקטרומגנטיות (אך) כדי להוביל להפרעות של חומר קרינת דלק (R) לצמצום (Rense) ולהגדיל את גודל האלקטרומגנטיות (R).

אינטגריטי אות ו- Noise Immunity

אלקטרוניקה דיגיטלית בלווין חייב לפעול בסביבה עשירה עם רעש אלקטרומגנטי. משדרים כוח גבוה, מערכות הנעה חשמלית, ואפילו המנועים של החללית יכולים לייצר הפרעה כי זוגות לקווים דיגיטליים רגישים.יתר על כן, הקישור התקשורת עצמו סובל מאובדן נתיב, אטמוספרי אטמוס אטמוספירי אותות, ודפטר על גבי התקני הגנה דיגיטליים, תוך כדי שמירה על איכות גבוהה או חסימת אותות תקשורת.

פתרונות הנדסה וחדשנות

קרינה - מוקפת בעיצוב (RHBD) ותהליך הארדינג

כדי להילחם באפקטים של קרינה, התעשייה פיתחה שתי גישות רחבות: תהליך קשיחות ועיצוב .רכיבים המופעלים על ידי תהליכים מתפתלים - כגון סיליקון-על-על-על-ידי קונסולת, SOI) או להשתמש בתהליכים של rad-Hard-hards אשר עומדים בפני נזק מוחלט של המינון (Ric Systems radancy , המשמש במשימות רבות של נאס"א, מוטבעת ב-150 סיליקון-Ric-Creme-Ric-R) או שימוש בטכניקות סטנדרטיות (Ricredexicial) כגון: CRicial-R.

קיצור של Low-Power Circuit and Architecture Techniques

מגבלות כוח הובילו חידושים הן בחומרה והן בתוכנה. בצד החומרה, מהנדסים משתמשים במתח דינמי ותדירות (DVFS), שעון מתפתל, וכוח המגביר את הצריכה כאשר ביצועים מלאים אינם נדרשים. Asynchronous או ליד תזמון מהירויות מחשוב משולבות (DVF) מאפשר גם להפחית את כוח העבודה באופן כללי יותר.

בקרת התרמומטר ו- Passive Cooling

בנוסף ניהול תרמי לוויין מסתמך רבות על טכנולוגיות פסיביות. צינורות חום הם צינורות חתומות המכילות נוזל עבודה כי מתעמלים בצד החם ו condens בצד הקר, תחבורה חום עם התנגדות תרמית נמוכה מאוד. הם לעתים קרובות מוטבעים במבנה כדי להפיץ חום ממעבדים כדי רדיורנים.L. Loop תנורי חום ו- capillary-pumped לולאות מרחיבים את הרעיון הזה לרמות גבוהות יותר.

אינטגרציה גבוהה ומערכת-on-Chip (SoC) Solutions

הפונקציונליות של ה- PCB הובילה לפיתוח של SoCs סובלניים קרינה המשלב מעבד, זיכרון, ממשקים ולוגיקה מחודשת על מוות יחיד. GR740 מ Cobham Gaisler, לדוגמה, הוא חלק מ-Leon4 SDS מבוסס על יישומים בחלל שמשלבים בקרים היקפיים וזיכרון.

תיקון שגיאות Robust ו עיבוד אותות הסתגלות

כדי לשמור על שלמות אותות על ערוצים רועשים, מקלטים דיגיטליים לווייניים משתמשים בחבילה של תיקון שגיאות קדימה (FEC) קודים - כגון קידודים נמוכים של רזולוציה (LDPC) וקודי טורבו - גישה למגבלת שאנון.קודים אלה מוסיפים פיסות מותקנות בשלב זהה של אלגוריתמים חדשים המופעלים על ידי אלגוריתמים דיגיטליים (למשל, אלגוריתמים של מוטציות דיגיטליות, כלומר, מוטציות, להורדת מגבלות של מוטציות וגרסאות הפעלה מחדש של מוטציות).

אדריכלות: Redundancy and Fault-Tolerant Architectures

בהתחשב בעלות גבוהה של כשלים לווייניים, אלקטרוניקה דיגיטלית כמעט תמיד מתוכננים עם יחידות דיור קר או חם (מעבדים, בנקים זיכרון, אספקת חשמל) ניתן לעבור אם יחידה ראשית נכשל. רוב מעבדים מתוחזקים בחלל ו- FPGAs כוללים מבנים מדגמים עצמיים (BIST) ודיווח שגיאות ברמת המערכת, כגון שליטה משולשת וטיפול בנתונים (מערכת ניהול C-Hmon), מבטיחות קבועות של פונקציות אפילו לא פגום.

מגמות עתידיות: אלקטרוניקה דיגיטלית בדור הבא של לוויינים

אינטליגנציה מלאכותית על הצוק

מערכות לוויין עתידיות יהטמיעו יותר ויותר בינה מלאכותית (AI) ולמידה מכונה (ML) ישירות לתוך האלקטרוניקה של לוח הבקרה. AI יכול לייעל ניהול חשמל, לחזות כישלונות, לבצע דחיסה אינטליגנטית ואפילו להתאים באופן אוטונומי את הפרמטרים של תקשורת (ML) באמצעות לוח הזמנים של מאיצים ברשת עצבית מודרנית, אך בצורת רוחב פס של רד-רד או קיצוני, חברות מתחילות לפתח מעבדים דיגיטליים של גרסאות של AI (LGIRD) של אדג's, שבו יש צורך להפחית את כמות ה-HID, באמצעות אדג's של נתונים של אדג's אדג'ט, עבור אדג'ט, עבור אדג'ט, עבור אדג'ט (L.

קישורים בין-Satellite

אלקטרוניקה דיגיטלית מהירה גבוהה הם קריטי עבור קישורים אופטיים בין-כוכביים (OISL) קישורים אלה משתמשים לייזרים להעביר נתונים בין לווינים בשיעורים עד 100 Gbps ומעבר.החזית הדיגיטלית חייבת לבצע סידוריזציה / deserialization, שחזור שעון, ומהירויות קיצוניות, לעתים קרובות עם יעילות כוח נמדדת ב picojoules ל- bit. New ב-Selds במהירות גבוהה SerDes (אנרגיה) הם שילוב של לייזרים דיגיטליים של מערכות לייזרים בין כוכבים.

לוויינים מבוססי Software-Definated

הרעיון של לוויין מוגדר תוכנה (SDS) הוא צובר מערכת ההפעלה. An SDS משתמש בעומס תשלום דיגיטלי גמיש - בעצם FPGA גדול או מעבדים קטנים רבים - שניתן לתכנת מחדש במסלול לשינוי להקות תדר, תוכניות מודולציה או דפוסי כיסוי מודרניים.זה מאפשר פלטפורמה לווינית אחת לשרת משימות מרובות לאורך כל חייו, צמצום העלות למשתמש.

מסקנה

אלקטרוניקה דיגיטלית היא מערכת העצבים של כל לוויין מודרני, המאפשרת את הקיבולת הגבוהה, שירותי תקשורת בעלות נמוכה כי העולם תלוי יותר ויותר. האתגרים של קרינה, כוח, קיצוניות תרמיים, מיניורציה, ושלמות האותות הם ניתנים למדידה, אבל הם נפגשו עם זרם קבוע של החידושים: מתהליכים קשיחים ושגיאות תיקון קודים מתקדמים לשליטה תרמית והגדרה של טכנולוגיות חלליות, אנחנו ממשיכים רק כדי לקדם סיליקון רחבות של טכנולוגיות חלליות אפשריות.

לקריאה נוספת על השפעות קרינה והפחתה, ניתן למצוא את האפקטים של נאס"א וקבוצת ניתוח של קבוצת ניתוח 1 (CCSDS) משאבים נרחבים.סטנדרטים טכניים עבור מערכות נתונים בחלל:2 ועדת התפוצה של מערכות מידע חלל (CCSDS)FLT 3: 3.