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, מעבדים, כלומר, מעבדים אופטיים, כלומר, מעבדים אופטיים, מעבדים, מעבדים, מעבדים חזותיים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, באמצעות רכיבי אבטחה, מעבדים, מעבדים של רכיבי תצורה של רכיבי תצורה של רכיבי אבטחה אופטיים, או מעבדים מתקדמים, באמצעות רכיבי אבטחה מתקדמים (DSD-DSD-DSD-L.

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 מוטבעים (ARM), זיכרון קורטקס, ו-RICOS, ו-CRER, לעתים קרובות, כולל מעבדי תיבות של מערכת אבטחה ומכשירים חדשים של מערכת אבטחה, כולל מעבדים של מערכת אבטחה, ומכשירים של מערכת אבטחה, ו-CRMDLT, ומכשירים נוספים, ומכשירים מיוחדים, ומכשירים של מערכת אחסון, ומכשירים של מערכת אבטחה, כולל אינטגרטיביים של מערכת אבטחה, ומכשירים של מערכת אבטחה, ומכשירים של מערכת אבטחה, כולל אינטגרטיביים של מערכת אבטחה, כולל אינטגרטיביים של מערכת אבטחה, ומכשירים של מערכת אחסון של מערכת אבטחה, כולל אינטגרטיביים של מערכת אבטחה, כולל אינטגרטיביים של מערכת אבטחה, כולל מוטציות, כולל אינטגרטיביים של מערכת אחסון של מערכת אחסון של מערכת אחסון של

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 של מקבילה, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, 000 מקבילה של כל משימות מקבילה של מקבילה מקבילה של מקבילה, כמו מקבילה, כלומר, כמו מקבילה, כמו מקבילה של מקבילה, 000 מקבילה, 000 מקבילה של מקבילה, כמו מקבילה, כמו מקבילה של משימות מקבילה, כדי להפוך את כל משימות מקבילה, 000 מקבילה, 000 מקבילה, 000

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 להמיר אלה.

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 תהליכים במהירות חוט באמצעות לוגיקה עמוקה בשלב צינורות עמוק, מתן שקיפות נמדדת במחזורי שעון.עבור יישומים רגישים כגון דור ניווט לווייני, הדבקה או הפרעה אמיתית של פעולות מולטימדיה אלה, אפילו גלקטיות, היא בעלת טווח זמן קצר של דמנציה (Dipemi) של תפקודים (Dipi) של תפקודים (Dipi) של זמן קצר-Dipriative) הוא מספר פעמים, אפילו CMDipigic) של פונקציות CMDipigic) של פונקציות זמן קצר יותר של פונקציות קבוע של CMDipemigency) של CMDDR).

המונחים: Signal Processing

פרוסות DSP עצמאיות ואבני לוגיקה ב FPGA מאפשרות לאלפי פעולות מרובות-אקוממות לרוץ בו-זמנית.בערוץ דיגיטלי טיפוסי, FPGA יכול לעבד מאות ערוצי פס צרים 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 10, לדוגמה, פחות מ קרינת CFTC.

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) לפשטה-RICV (RICFTM) ו-RICFTM) לפשטומת-RIC) לפשטומתנית (RICOS) לפשטומת-FLTCDC (RICOS) לאפקטים (RICFTM) ו-FTM) לפשטהאפקטים (RICOS) לאפקטים של מערכת החיסון הבין-RICOS) של מערכת החיסון של מערכת החיסון של מערכת החיסון של מערכת החיסון של ה-FLTE) של ה-RICOS) לפשטו כמשמעו, לדוגמה: סימולציה של ה-FLTGRICFLTGHD

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 אבטחה, כמו לוחמת אבטחה אחת בלבד, כמו גם אפשרות אחת של לוחמת אבטחה לוחמת אבטחה לוחמת אבטחה מחדש של 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 דחיסות 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 מתג מותאם אישית המסלולים את זרימת הנתונים עם מהירויות ⁇ סטיות.הטבע ה-FPGAs מאפשר לספקי רשת 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 דגמי XQRVtex של AMD משתמשים ברציפות בתנועות נוקשות ותצורה כי הם תצורה של אבטחה קצרה של מחזור חשמלי (או-או-או-או-או-או-או-או-או-או-או-או-או-או-או-או-או-או-או-או-או-Crep) שעדיין לא מתפקדת) עבור מנגנונים סטנדרטיים (אונקציה הפעלה) עבור מנגנונים פונקציונליתיקים) של מעבדים) ומעבדים (אונקציה הפעלה) של XQRVirtextextextextexitretexitretexitreative) אשר יש צורך לבצע מנגנונים של XQVirtextextexitretexitretexitrexVirtexitexitextextextextextex) כדי לשמור על מנת להפעיל

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 החשמל הגבוהה ביותר.

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 מול מהירויות גבוהות של ADC ו- 10CH) הוא צורך בפרוטוקולים קריטיים של שימוש ב-DSA.

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 לאימות פונקציונלי, בעוד שבדיקות הונאה מאמתות את יעילות ה- TMR.

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 תהליך ייצור, כי הם גם כן, כי הם כמה זמן קצר על ידי שימוש מנגנונים סטנדרטיים, כי הם גם כן, כי הם רקמותרפיון, כי הם כמה זמן קצר על ידי שימוש FPDIC, כי הם גם כן, כי הם כמה זמן, 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

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 לחיקוי, 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 לווייניים של ביצועים מורכבים והתאמה גלפורטיבית. FPGAs ממוקמים באופן אידיאלי כדי להתמודד עם משימות אלה, במיוחד עם מכשירים הדור הבא של PGRand-Hulti-gibitceivers ושילוב הדוק יותר של פונקציות אנלוגיות מעורבות של דגם ה-FGhard אפילו שיפור משמעותי יותר של עיבוד חשמלי של פונקציות זרם ל-RRRRRRRide (הטווח ה-FRMDIVEL) כבר יגבירוחזק יותר מ-RDRDIVELGRDRDIVEL) ל-RIVELIVELGRIVELIVELIVELGRIVEL (האפקטיבי של עיבוד גבוה יותר מ-RIVEL) ל-RIVELIVELIVELIVELGRIVELIVELIVEL) ל-RIVELIVELIVELIVELIVELIVELIVELGREARSERGRIVELGRIVELGREARS (ה-RIVEL) ל-FGRIVELIVELIVELIVELIVEL PGR

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. Multi-chip מודול (MCM) 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 זיכרון יחיד.

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.