מערכות תקשורת לווייניות חיוניות לקישוריות גלובלית, ומאפשרות הכל מטלוויזיות ועד ניווט GPS.בלב המערכות הללו מצוי מרכיב מכריע: מעבד האות הדיגיטלי (DSP) להבין את תפקידו של DSP עוזר לנו להעריך כיצד התקשורת בלוויין משיג יעילות גבוהה ואמינות. מאמר זה מרחיב על בסיס זה, בוחן את העבודה הפנימית של DSP ברשתות מבוססות חלל, את המגבלות הספציפיות של סביבות דיגיטליות, וטכנולוגיות מתקדמות על עיבוד אותות.

מהו תהליך אות דיגיטלי?

מעבד אותות דיגיטלי הוא מיקרומעבד מיוחד המיועד לבצע חישובים מהירים במהירות גבוהה.בניגוד CPUים למטרות כלליות, DSPs הם אופטימיזציה לעיבוד בזמן אמת של אותות, מה שהופך אותם חיוניים במערכות תקשורת, עיבוד אודיו ויישומים מכ"ם. DSPs להשיג זאת באמצעות ארכיטקטורת הרווארד שמפרידה תוכנית וזיכרון, יחידות חומרה רב-מכפלות, והדרכה יחידה-ה-המחזור אלה מאפשרות למעבדים מתקדמים, כגון פונקציות מיקרוסקופיות, כגון פעולות מיקרוסקופיות מיקרוסקופיות מיקרוסקופיות, כגון פעולות מיקרוסקופיות, פעולות מיקרוסקופיות, כלומר, ארבעה-מפרקות מתמטיות-אומטיות, ארבעה-אומטיות, פעולות מתמטיות, פעולות מתמטיות, כגון: ארבעה-מפרקות-אומטיות-אומטיות-אומטיות-אומטיות-אומטיות-ארבעהמות-אומטיות-אומטיות-או-או-מחדשות-או-מחדשות-רקטיביות, פעולות-מחדשות-מחדשות-מחדשות-מחדשות-מפרקטיביות, פעולות-ארבעה, לדוגמה, פעולות-מפרקות-או-ארבעהמות-מחדשות-מפרקיות, פעולות-מחדשניות-מפרקיות,

בתקשורת לוויינית, ה-DSP חייב להתמודד עם זרמים מתמשכים של אותות אנלוגיים דיגיטליים מן הטראנסים של הלוויין.המעבד ממיר זרמים אלה לנתונים דיגיטליים של בסיס פס, חל על אלגוריתמים לנקות ולפעום את המידע, ולאחר מכן מחדש אותות לשידור בחזרה לכדור הארץ.יכולת זו בזמן אמת היא מה שמבחין DSP ממיקרו-בקר סטנדרטי או מעבד.

תפקיד DSP בתקשורת בלוויין

במערכות תקשורת לווייניות, DSPs לבצע מספר פונקציות קריטיות המבטיחות העברת נתונים ברורה ואמינה.אלה כוללים Modulation, Demodulation, סינון, תיקון שגיאות, וקידוד אותות עיבוד.על ידי אותות עיבוד דיגיטלית, DSPs לספק גמישות רבה יותר ודיוק בהשוואה לשיטות אנלוגיות. לוויינים שפעם השתמשו במסננים אנלוגיים רבתיים ומגברים יכולים כעת להיות מוחלפים עם יחידות דיגיטליות קומפקטיות פחותות וצריכת כוח.

שינוי אותות ודמויות

DSPs מקודמים נתונים לתדירות רדיו באמצעות טכניקות מודולציה כגון Quadrature Amplitude Modulation (QAM), שלב Shift Keying (PSK), ו- Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) על הקצה המקבל, הם הורסים את האותות כדי לשחזר את הנתונים המקוריים.תהליך זה חיוני להעברת מידע על פני מרחקים עצומים עם מערכות מודרניות לעתים קרובות להסתגל, כלומר, לדוגמה דינמי, על ידי DAM, על בסיס טיפול אלקטרונים, ללא קשר כבד.

הצד הדמוי הוא מתוחכם באותה מידה. אלגוריתמים סינכרוניזציה לנעול על תדירות נושא ותזמון סמל, גם כאשר שינויים דופלר נוכחים בשל תנועה לווייניתנית. חוויות לוויין טיפוסיות של דופלר משמרות של רק כמה מהרץ, אבל קבוצות כוכבים בעלות נמוכה של כדור הארץ כמו Starlink חייבות לעקוב אחר שינויים של כמה קילוולץ.

ניכוי מסנן ו- Noise Reduction

אותות לוויין נתקלים לעתים קרובות רעש והתערבות.DSPs מעסיקים מסננים דיגיטליים כדי לדכא אותות לא רצויים, שיפור הבהירות והשלמות של הנתונים שהתקבלו.זה משפר את ביצועי המערכת הכוללת, במיוחד בסביבות מאתגרות.תגובה אימפולסית (FIR) ותגובה אימפולסית אינסופית (IIR) מסננים נפוצים, כל אחד עם עצירות סחר בין latency ועצירת נחיתות.

טכניקות מתקדמות כמו סינון הסתגלותי מאפשרות ל-DSP ללמוד את המאפיינים הרעשים של הערוץ ולבטל אותם בזמן אמת.זה שימושי במיוחד לביטול ההתערבות העצמית במערכות לוויין מורכבות או להפרעות מלוויינים שכנים בקישוטים מקיפים. הפחתה של רעש מרחיבה את החיים השימושיים של לווינים מבוגרים על ידי פיזור של רכיבים אנלוגיים.

תיקון שגיאות וגידול נתונים

שגיאות יכולות להתרחש במהלך שידור עקב החדירה אטמוספירית, קרינה סולארית, פגמים בחומרה או התנגשות עם חללי חלל.DSPs ליישם אלגוריתמי תיקון שגיאות כדי לזהות ולתקן שגיאות אלה, להבטיח את הנתונים שהתקבלו משחקים הנתונים שנשלחו.תהליך זה חיוני לשמירה על קישורים אמינים תקשורת תיקון (FEC) תיקון תיקון תיקון תיקון תיקון תיקון תיקון (FEC) כגון קודים מהפכתיים, קודים של ריד-Solomon, ו-Density) הם כעת קודים סטנדרטיים (DS) של קודים, קיבולת טלוויזיה סטנדרטית-DSDSDSDSDSD2K) וקודים (DS) של קודים, קיבולת קודים, קיבולת טלוויזיה סטנדרטית (DSDSDS) של קודים, , , קיבולת קודים, קיבולת קודים, קרינת VDSDSDSDSDSDSDSDSDSDSD.D.

פרוטוקולים חוזרים אוטומטית (ARQ) יכולים גם להיות מנוהלים על ידי DSP, אבל בלווינים קישורים עם עיכובים ארוכים של ההרחבה (250 ms עבור נסיעות עגולות גיאוסטציונריות), מומלץ להימנע מסגירת יתר על פני השטח.היכולת של DSP לצנרת פעולות קידוד מאפשר לתקן שגיאות בשיעורי נתונים מעל 1 Gbps, מה שהופך לווייניטים מודרניים אפשריים.

DSP Hardware Constraints בחלל

לוויין DSP חייב לפעול בתנאים קיצוניים: ריק, תנודות טמפרטורה מ -150 מעלות צלזיוס ל +120 מעלות צלזיוס, ורמות גבוהות של קרינה מייננת.DSPs מסחריים סטנדרטיים אינם מתאימים; מעבדים בעלי ערך חלל עוברים בדיקות קפדניות ועשויים להגיב קרינה-התרדת באמצעות עיצוב או הגנה.סביבת הקרינה עלולה לגרום להפרעות חד-פעמיות (ב) או לנצ'סטרים שגורמים למהנדסים לתקן את ה-ק (R) לזיכרון (D) ולצמצם את ה-DLCC, אם הוא מפסיק את ה-DLCC, כלומר, כלומר, להפחתה של כל ה-DLCC, כדי ל-DLCDLCC, אם הוא מתואם, כדי ל-DLCDLCDLCDLCDLCDLCDLCD) או ל-DLCDLCDLCDLCDS, כלומר, כדי ל-DLCDLCDLCDLCD.

כוח הוא עוד מעצורים.לוחים סולאריים של לוויין מייצרים וואט מוגבל, וכל מילימטר המשמש לעיבוד אותות מקטין את הכוח הזמין עבור המגבר הסופי של Transponder.DSP אדריכלים חייבים לאזן עיבוד באמצעות יעילות אנרגיה. לוויינים מודרניים רבים כוללים מאיץ חומרה ייעודי עבור, FFT, וסינון פעולות, לכבות את הליבה הכללית כאשר אין צורך זהה ביצועים של 10 וואט טוב יותר מאשר ביצועים CPU כללי.

דוגמאות ל-DSPs המשמשות במערכות לווין

כמה משפחות של DSPs טסו על לווייניים.סדרת טקסס מכשירים TMS320C67x, עם יכולת הצף שלה, נעשה שימוש בפלטפורמת ההתייחסות של נאס"א (STRS) של נאס"א (כיום AMD) Zynq UltraSc + RFSoC משלבת את DSP עם ליבה של ARM Cortex ו- RFsampling ישיר, ביטול הצורך עבור מעבדי Ix / IEX.

היתרונות של שימוש ב-DSPs במערכות לווין

  • (FLT:0) יכולות עיבוד מהירות גבוהה של עיבוד מהיר (FLT:1): DSPs יכולים להוציא מיליארדי פעולות מכפלות לשנייה, המאפשרות עיבוד בזמן אמת של ערוצי לוויין רחבים.
  • (FLT:0) לחיקוי בהטמעת אלגוריתמים מורכבים FLT:1: תוכניות שינוי, פילטר אפקטיביות, וקודי תיקון שגיאות ניתן לשנות באמצעות העלאת תוכנה, ומאפשר לוויין להסתגל לתקני פלח קרקעיים מתפתחים.
  • (FLT:0) שיפור איכות האות והחזקה של עוצמה 1 (FLT: עיבוד דיגיטלי מבטל את הסחף ואת הלא-לינאריות הטבועים במעגלים אנלוגיים, ומספק ביצועים עקביים לאורך חיי ה-15 של הלוויין.
  • (FLT:0) ,המורכבות החומרה של עיבוד דיגיטלי: DSP אחד יכול להחליף עשרות רכיבים אנלוגיים, ירידה במסה, נפח, ואת הסיכון של כשל רכיב.
  • (FLT:0) אצולה לעדכן ולשפר את תפקוד המערכת באמצעות תוכנה: עדכוני תוכנה In-orbit שימשו לתיקון באגים, להוסיף שירותים חדשים, ואפילו לשנות את תוכנית התדר של הלוויין ללא תיקון חומרה יקר.

בסך הכל, השילוב של DSPs במערכות תקשורת לווייני משפר את הביצועים, האמינות וההתאמה.כאשר הטכנולוגיה של לווין מתקדמת, DSPs ימשיכו לשחק תפקיד מרכזי במתן קישוריות גלובלית חלקה.

השוואה ל- Analog Signal Processing

עיבוד אותות אנליסט היה תקן עבור טרמפדרים לוויין מוקדם.עיגולים המשמשים מחנכים, capacitors, ו derete transistors כדי לסנן ולהגביר אותות.עיגולים אלה סבלו מסחף טמפרטורה, הזדקנות, וסובלנות הייצור.שינוי פורמט המודולציה הנדרשת החלפת חומרה פיזית או החזרת המטען.DSPs מבטל כמעט את כל המגבלות האלה.

ה- Trading-off הוא שעיבוד דיגיטלי מוסיף שקיפות בשל המרה אנלוגית-ל-דיגיטלית, מבולעת ועיכוב אלגוריתמי.עבור תקשורת קולית או שליטה בזמן אמת, יש למזער את השקיפות הזו.ללוויינים גיאוסטיים כבר יש עיכוב חד-כימי של כ-125 מ"מ.

העתיד: לוויינים מבוססי תוכנה

פלטפורמות הלווין המתקדמות ביותר כיום משתמשות ב-FLT:0 ,Randware-ההגדרה רדיו (SDR)BuildFLT:1 Architecture, שבו DSP הוא ה- Centerpiece. in a SDR, כל עיבוד ה-Clelele-layer יושם בתוכנה או קושחה שניתן לעדכן במסלול. גמישות זו מאפשרת לוויין לשנות את שטח הכיסוי הפרטי שלו, להקצות רוחב פס ללקוחות שונים, ואפילו לעבור בין תקני תקשורת שונים (למשל, פרוטוקול BGX) או אותו.

DSPs עם הרחבות עיבוד ומכשירים למידה מאיצים מתחילים להופיע במטענים לווייניים.אלה יכולים לבצע אופטימיזציה מתאימה, ספקטרום רגיש ואפילו עיבוד תמונה על לוח עבור לווייני תצפית כדור הארץ. לדוגמה, לוויין מצויד עם רשת עצבית מנוע הסימון יכול מראש עיבוד תמונה היפרספקטיבה, רק שליחת הפיקסלים המכילים תכונות מעניינות יותר מאשר כל שטף נתונים, צמצום באופן דרסטי דרישות רוחב פס.

מערכות לוויין אמיתיות בעולם מתחדשות על DSPs

מספר קבוצות לוויין מבצעיות מראות את חוסר יכולתה של DSPs:

  • (FLT:0)GPSIRLT:1; כל לוויין GPS משתמש ב-DSP כדי ליצור אותות תזמון מדויקים וקודים גלויים להפיץ המאפשר מקלטים על הקרקע כדי לחשב את המיקום.
  • (FLT:0) Iridium NEXTFLT:1: זה נמוך כדור הארץ-אוביט קבוצה תלוי על לוח DSP לתקשורת בין לווינים.ללא קשר מבוסס DSP ו rout, רשת mesh לא תהיה אפשרית.
  • (FLT:0)StarlinkveFLT:1: מערכת החללX משתמשת אנאנטנות של קרינת-ריי המויגו על ידי DSPs כדי לעקוב אחר לווינים ולנהל קישורים משתמשים.הטרמינלים הקרקעיים מכילים מספר רב של DSPs אשר מטפלות בצביעות, Modulation ותיקון שגיאות.
  • (FLT:0 Hispasat's Amazonas 5cioFLT:1) : לוויין גיאוגרפי זה משתמש ערוץ דיגיטלי שיכול לסלול כל להקה תדר לכל קרן, הכל נשלט על ידי בנק של DSP ביצועים גבוהים.

דרישות עבור לוויינים

כאשר מהנדסים בוחרים או מתכננים DSP למשימה לווינית, עליהם לשקול את הגורמים הבאים:

  • (ב) ואפקטים חד-משמעיים (SEE) מכתיבים: מנה שלמה של יון (TID) ואפקטים חד-פעמיים (SEE) תכתיב אם ניתן להשתמש ב- off-shelf DSP או אם נדרש חלק rad-hard-Hard-hard.FLT:2 NASAA's SmallSat Technology PartnershipFLT 3 מספק הנחיות ל-DSP בקווים שונים.
  • (FLT:0 Throughput vs.mia PowerFLT:1: לוויין בעל משקל נמוך לכדור הארץ עשוי לדרוש 100 GOPs (במילוני פעולות לשנייה) לעיבוד פס רחב, בעוד לוויין מזג אוויר גיאוסטציונרי עשוי רק צריך 10 GOPs.DSP הנבחר חייב לעמוד אלה ללא מעל תקציב החשמל.
  • (FLT:0) מזכר והנתונים רוחב פס FLT:1: לוויני DSPs לעתים קרובות יש מהיר על שבב SRAM וקישורים סידוריים מהירים רבים (JESD204B או SpaceWire) להתחבר לזיכרון ADC / DACs. Insufficient Memory יכול להגביל את גודל ה-FFTs או מסננים.
  • (ב) ⁇ :0 (Qualification CycleFLT:1: DSPs) מתחום החלל דורש בדיקות נרחבות, כולל ריק תרמי, רטט ובדיקות קרינה, אשר יכולים להוסיף שנים ללוח הזמנים לפיתוח.

מסקנה

מעבד האות הדיגיטלי הפך למערכת העצבים המרכזית של תשתיות תקשורת לווייניות מודרניות.היכולת שלו להתמודד עם Modulation, ירידה ברעש, תיקון שגיאות ואלגוריתמים מתאימים בזמן אמת מאפשרת את שיעורי הנתונים הגבוהים, האמינות והגמישות שמשתמשים מצפים משירותי לווייניים.כפי שהתעשייה נעה לעבר מגה-קונסטלציות, להקות תדר גבוהות יותר (Ka, V, אופטי), על אינטליגנציה, התפקיד של DSP יגדל רק בין מהנדסי חללים וטכנולוגיות כוח, כלומר, מערכות חשמל, יש להשקיע רק בדור הבא.

לקריאה נוספת על טכנולוגיית ה-DSP של לווין, ראה את המאמר:0IEEE על ערוצים דיגיטליים ב-Lows ComploadsFLT:1 ואת ה-FLT:2GPS מסמך טכני על מבנה אות FLT 3: