航天测控基于ATCA的高性能测试系统架构
摘要：ATCA组织由代表工业和电信设备制造商及终端用户的105个公司组成，大多数委员会成员业已根生于CompactPCI生态环境，并搜索新的平台用以承载下一代通信和资料应用。期间大家曾尝试对2.X标准的修改来满足电信市场的需求，但只取得了有限的效果，最终不得不承认原有的CompactPCI规范不能满足电信应用对单板空间、功耗、带宽、系统管理的要求，新的标准应运而生。
Abstract：
Key words :
ATCA组织由代表工业和电信设备制造商及终端用户的105个公司组成，大多数委员会成员业已根生于CompactPCI生态环境，并搜索新的平台用以承载下一代通信和资料应用。期间大家曾尝试对2.X标准的修改来满足电信市场的需求，但只取得了有限的效果，最终不得不承认原有的CompactPCI规范不能满足电信应用对单板空间、功耗、带宽、系统管理的要求，新的标准应运而生。ATCA代表着全开放、模块化的工业标准，它可以使设备制造商采用第三方厂商的可互操作性、成熟的商业化（COTS）软硬件组件。ATCA体现了开放式、标准化、模块化、可扩展、可重构的设计理念，ATCA的灵活性、稳定性、互操作性、可管理性以及计算性能都有不同等级的得到提升。标准化、模块化的设备很容易大规模生产，从而降低产品的价格，标准化和模块化可使产品快速进入市场。标准化的内、外部接口和开放式的平台，使得只要处理板或刀片服务器遵循ATCA接口规范就可以插入到平台中，在快速实现集成或升级换代的同时，增强了系统的整体兼容性。ATCA的诸多优势能够很好的满足产品的设计需求。
一、高端测试应用需求
未来的测试领域对ATCA也存在很大的应用需求。测试总线技术如VXI、PXI总线是自动测试系统的一个关键组成部分。VXI、PXI总线都是基于共享总线技术，即多个模块共享该总线带宽，当测试系统内的模块增多时，每个模块只能分配一定的带宽。近几年来，随着通信、雷达等系统带宽不断的增加，为了完成对这些系统的测试，现有的基于共享总线的测试总线技术有限的信息交换能力越来越难以满足应用需求。正是在应用需求的牵引下，近几年来陆续出现了多种高速串行总线技术，如PCI-E、RapidIO、Gigbe、Infiniband、StarFabric，这些总线可构成先进的交换架构，数据吞吐量相对于早期的VXI、PXI总线提高了几十上百倍。图1给出了现有并行总线和ATCA的数据传输性能对比。
二、基于ATCA的测试系统架构
ATCA标准包括核心核心规范和辅助规范，ATCA核心规范即PICMG 3.0，核心规范中定义了机械结构、电源分配、散热管理和系统管理。各自的电气连结和数据传输的拓扑结构因基于特定传输的需求而不尽相同。ATCA的所有传输模式都是构架在高可靠度的系统之上，故不会因为单点故障而导致传输的瘫痪。多传输模式的选择使得控制和数据传输分离, 而每种传输类型又可被区分为单个独立的传输。
一、高端测试应用需求
未来的测试领域对ATCA也存在很大的应用需求。测试总线技术如VXI、PXI总线是自动测试系统的一个关键组成部分。VXI、PXI总线都是基于共享总线技术，即多个模块共享该总线带宽，当测试系统内的模块增多时，每个模块只能分配一定的带宽。近几年来，随着通信、雷达等系统带宽不断的增加，为了完成对这些系统的测试，现有的基于共享总线的测试总线技术有限的信息交换能力越来越难以满足应用需求。正是在应用需求的牵引下，近几年来陆续出现了多种高速串行总线技术，如PCI-E、RapidIO、Gigbe、Infiniband、StarFabric，这些总线可构成先进的交换架构，数据吞吐量相对于早期的VXI、PXI总线提高了几十上百倍。图1给出了现有并行总线和ATCA的数据传输性能对比。
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图1 总线技术发展趋势
基于这些高速串行总线的交换架构可成功的解决测试系统的瓶颈问题，提供了一种最佳的、理想的解决方案。下面举几个ATCA在测试领域的应用实例。
软件无线电技术是统一的通信信号处理平台，即用软件实现无线电信号的调制与解调，软件无线电由前端信号调理、高速A/D和通信信号处理3大部分组成，其中通信信号处理是其关键和核心所在。目前军用的无线电信号正在向宽带或超宽带发展，为了处理这样的通信信号，A/D采集速率通常为几GHz或几十GHz,为了处理多种通信信号格式如TH-CDMA、FH-CDMA、DS-CDMA、OFDM，则需要多块通信信号处理板，另外还需要系统协调和控制板、应用板卡，软件无线电平台中板卡和板卡之间数据交互量是惊人的，ATCA无疑为该类应用提供了一个良好的解决方案。
雷达信号处理平台和软件无线电平台有着相似的构成，包括微波/射频组件、高速A/D采集组件、多块雷达信号处理板卡、系统协调与控制板卡、应用板卡。多块雷达信号处理板卡负责处理各类雷达信号，包括常规雷达、参差雷达、抖动雷达、捷变频雷达、线性调频雷达及其多种参数组合的雷达。将数字处理手段提升到雷达信号处理的前端（和软件无线电类似，将数字化部分延伸到射频部分）将获得更佳的性能和更佳的可靠性，这就对高速数字传输提出了更高的要求。ATCA核心规范及其辅助规范为通用雷达信号处理平台提供了良好的解决方案。
多媒体测试涉及多路流媒体信号的处理和分析，信号处理的运算量是巨大的，中间的测试信息需要存储，这样必涉及到多个模块之间的高速数据交换。近几年来，通信技术不断进步和发展，其中一个最大的推动便是多媒体业务需求。两大网络，即移动通信网络和Internet网络的带宽不断提升，如移动通信终端已经历了2G、2.5G的历程，现正进入3G通信时代，终端能够提供的信息速率也从十几KHz至几百KHz，Internet网络终端也经历了十兆、百兆至千兆以太网，两大网络性能提升都和多媒体应用需求有着密切的关系。对于移动通信网络和Internet网络，核心网络的多媒体测试是重要的，容易看出，核心网络的流媒体数据量是巨大的。无疑，ATCA的高级交换框架结构为多媒体测试提供了理想的平台。
分布式测试与故障诊断系统。为了完成测试与故障诊断需求，需要采集多路视频、语音或其它传感器信号，某些信号需要传递到多个远程控制终端，某些信号还要按一定的要求存储备份一段时间。由于涉及到多路视频、语音和其它传感器信号，对中心交换单元的数据吞吐量有着很高的要求，对于中心交换单元的延迟也有不同等级的要求，如对视频和语音信号要求中心交换单元能够高质量的服务等级，而对于某些传感器信号服务等级要求不是很高。基于PCI-E协议规范的ATCA的高级交换框架结构能够拓展到2.5Tbps的超高速数据交换及其不同等级的服务质量，解决了远程分布式测试与故障诊断系统数据交换瓶颈，并为该系统未来二十多年的扩展升级作了预留。
几年前，VXI、PXI测试总线技术只能提供有限的数据交换能力，因此一些模块插卡只能交换一些运算结果信息，而舍弃一些中间运算结果信息，ATCA的高级框架结构能够提供更高的数据交换能力，基于这一特性，未来的测试系统具备最佳的模块化结构、更佳的易扩展性、更高的性能、更低的价格。ATCA高级交换带来的全方位的信息互通将是未来先进测试系统革新的源动力和技术保障。
软件无线电技术是统一的通信信号处理平台，即用软件实现无线电信号的调制与解调，软件无线电由前端信号调理、高速A/D和通信信号处理3大部分组成，其中通信信号处理是其关键和核心所在。目前军用的无线电信号正在向宽带或超宽带发展，为了处理这样的通信信号，A/D采集速率通常为几GHz或几十GHz,为了处理多种通信信号格式如TH-CDMA、FH-CDMA、DS-CDMA、OFDM，则需要多块通信信号处理板，另外还需要系统协调和控制板、应用板卡，软件无线电平台中板卡和板卡之间数据交互量是惊人的，ATCA无疑为该类应用提供了一个良好的解决方案。
雷达信号处理平台和软件无线电平台有着相似的构成，包括微波/射频组件、高速A/D采集组件、多块雷达信号处理板卡、系统协调与控制板卡、应用板卡。多块雷达信号处理板卡负责处理各类雷达信号，包括常规雷达、参差雷达、抖动雷达、捷变频雷达、线性调频雷达及其多种参数组合的雷达。将数字处理手段提升到雷达信号处理的前端（和软件无线电类似，将数字化部分延伸到射频部分）将获得更佳的性能和更佳的可靠性，这就对高速数字传输提出了更高的要求。ATCA核心规范及其辅助规范为通用雷达信号处理平台提供了良好的解决方案。
多媒体测试涉及多路流媒体信号的处理和分析，信号处理的运算量是巨大的，中间的测试信息需要存储，这样必涉及到多个模块之间的高速数据交换。近几年来，通信技术不断进步和发展，其中一个最大的推动便是多媒体业务需求。两大网络，即移动通信网络和Internet网络的带宽不断提升，如移动通信终端已经历了2G、2.5G的历程，现正进入3G通信时代，终端能够提供的信息速率也从十几KHz至几百KHz，Internet网络终端也经历了十兆、百兆至千兆以太网，两大网络性能提升都和多媒体应用需求有着密切的关系。对于移动通信网络和Internet网络，核心网络的多媒体测试是重要的，容易看出，核心网络的流媒体数据量是巨大的。无疑，ATCA的高级交换框架结构为多媒体测试提供了理想的平台。
分布式测试与故障诊断系统。为了完成测试与故障诊断需求，需要采集多路视频、语音或其它传感器信号，某些信号需要传递到多个远程控制终端，某些信号还要按一定的要求存储备份一段时间。由于涉及到多路视频、语音和其它传感器信号，对中心交换单元的数据吞吐量有着很高的要求，对于中心交换单元的延迟也有不同等级的要求，如对视频和语音信号要求中心交换单元能够高质量的服务等级，而对于某些传感器信号服务等级要求不是很高。基于PCI-E协议规范的ATCA的高级交换框架结构能够拓展到2.5Tbps的超高速数据交换及其不同等级的服务质量，解决了远程分布式测试与故障诊断系统数据交换瓶颈，并为该系统未来二十多年的扩展升级作了预留。
几年前，VXI、PXI测试总线技术只能提供有限的数据交换能力，因此一些模块插卡只能交换一些运算结果信息，而舍弃一些中间运算结果信息，ATCA的高级框架结构能够提供更高的数据交换能力，基于这一特性，未来的测试系统具备最佳的模块化结构、更佳的易扩展性、更高的性能、更低的价格。ATCA高级交换带来的全方位的信息互通将是未来先进测试系统革新的源动力和技术保障。
二、基于ATCA的测试系统架构
ATCA标准包括核心核心规范和辅助规范，ATCA核心规范即PICMG 3.0，核心规范中定义了机械结构、电源分配、散热管理和系统管理。各自的电气连结和数据传输的拓扑结构因基于特定传输的需求而不尽相同。ATCA的所有传输模式都是构架在高可靠度的系统之上，故不会因为单点故障而导致传输的瘫痪。多传输模式的选择使得控制和数据传输分离, 而每种传输类型又可被区分为单个独立的传输。
图2 PCI-E协议体系结构
辅助规范PICMG 3.1- PICMG 3.5定义了点对点之间连接的协议，其中PICMG 3.1是千兆以太网和光纤传输，PICMG 3.2是InfiniBand传输，PICMG 3.3是StarFabric传输，PICMG 3.4是PCI-E传输，PIC3.5是RapidIO传输。辅助规范中除了PICMG 3.1包括ISO定义的7层协议，其它可视为3层体系结构，即物理层、数据链路层和事务层。物理层采用低电压差分信号LVDS，为了平衡直流分量和减少EMI，物理层采用8b/10b编码，因为辅助规范的物理层相同，因此同一个ATCA机箱中可插入支持不同辅助规范的功能刀片。图2给出了PICMG 3.4即PCI-E协议体系架构。
传统的VXI、PXI测试总线基于共享总线结构，而ATCA基于高级交换框架结构，技术上的革新导致了数据吞吐量和数据传输的实时性都有不同等级的提升。传统的测试系统通常由控制计算机（控制器）、零槽控制器和多个模块化仪器组成。ATCA系统基于交换架构，控制器和模块化仪器之间通过交换刀片交互数据，另外，模块化仪器之间也可以通过交换刀片交互数据，从组件在测试系统中充当的角色来看，ATCA中交换刀片的作用类似于传统测试系统中的零槽控制器。图3给出了基于双星型互连的ATCA测试系统架构。
传统的VXI、PXI测试总线基于共享总线结构，而ATCA基于高级交换框架结构，技术上的革新导致了数据吞吐量和数据传输的实时性都有不同等级的提升。传统的测试系统通常由控制计算机（控制器）、零槽控制器和多个模块化仪器组成。ATCA系统基于交换架构，控制器和模块化仪器之间通过交换刀片交互数据，另外，模块化仪器之间也可以通过交换刀片交互数据，从组件在测试系统中充当的角色来看，ATCA中交换刀片的作用类似于传统测试系统中的零槽控制器。图3给出了基于双星型互连的ATCA测试系统架构。
图3 基于双星型互连的ATCA拓扑结构
图4 基于全网状互连的ATCA拓扑结构
交换架构除了双星型外，还可采用全网状互连，其拓扑结构如图4所示。全网状互连增加了数据交换的带宽，但增加了测试系统实现的复杂度和成本，另外测试系统的数据交换吞吐量需求要低于电信应用，因此双星型互连的拓扑结构非常适合测试系统应用。
图5 基于ATCA架构的测试系统应用示例
图5给出了一个典型的基于ATCA架构的测试系统，刀片互连拓扑结构为双星型，系统中包括2个交换刀片、1个处理器刀片、4个数字化仪刀片和2个高速存储刀片。处理器刀片通常由多个Intel处理器组成，以增加多任务处理性能，平台软件运行于处理器刀片上。交换刀片是ATCA的核心所在，应承载ATCA的一个辅助规范，交换刀片能够提供不同的质量服务等级Qos，以满足实时业务（如图像、语音业务）的数据交换需求。
综上，ATCA体现了开放式、标准化、模块化、可扩展、可重构的设计理念，ATCA的灵活性、稳定性、互操作性、可管理性以及计算性能都有不同等级的得到提升。它的采用使自动测试系统技术进入一个崭新阶段，完全解决了高速测试领域和相关军事应用领域的数据传输瓶颈问题，因此开展此项技术研究能够进一步推动国防工业试验与测试技术发展，能解决未来型号对试验与测试技术的高速传输要求及电子战技术所需I/O技术，从根本上解决航天器和武器装备测试系统控制、通信、数据传输、存贮、处理等应用需求。
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