SDR平台抗SEU性能评价关键技术研究

论文摘要

随着空间科学和探索活动的快速发展,传统空间无线电技术已经难以满足日益多样化复杂化的空间任务的需求,软件定义无线电（SDR,Software Defined Radio）技术的空间应用引起了人们的广泛重视。由于传统抗辐射加固器件难以满足SDR平台的对处理性能的苛刻要求,也难以满足SDR技术对可重构硬件体系结构的本质要求,因此,研究人员开始试图在空间SDR平台中引入各种高性能的商用现货（COTS,Commecial-Off-The-Shelft）处理器件,并采用各种应用层的加固设计措施,以提高平台在空间辐射环境中对抗单粒子翻转（SEU,Single Event Upset）的能力。为确保SDR平台能够满足空间任务对其可信性的要求,深入开展抗SEU性能的评价方面的研究有重要意义。本文立足于高性能COTS处理器件构成的SDR平台,围绕着支撑SDR平台空间应用的抗SEU加固设计以及抗SEU性能评价的关键技术问题,主要进行了以下方面的研究:（1）空间应用的SDR平台的体系结构及其抗SEU加固技术,包括SDR平台可靠性体系结构角度的考虑,以及微处理器、FPGA在应用设计时分别需要考虑提高系统抗SEU性能的措施。（2）针对随机Petri网模型（SPN）在可信性建模分析方面的优点,探讨了SPN模型在空间辐射环境下SDR平台可信性——抗SEU性能的分析和评价方面研究的适用性。（3）研究SEU仿真注入测试的原理和关键技术,并设计实现了SEU-SIT（SEU Simulation & Injection Testbed）系统,能够对由SRAM型FPGA和DSP构成的SDR平台开展抗SEU性能的SEU仿真注入测试。最后,以扩频应答机数字基带为SDR平台空间应用的典型代表,利用本文所设计的SEU-SIT系统,对该SDR平台抗SEU性能进行了定量评价,为进一步采取更有效的抗SEU措施起到了指导作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 软件定义无线电平台及其空间应用
• 1.1.2 空间辐射环境与集成电路的单粒子效应
• 1.1.3 SEU 对SDR 平台的威胁
• 1.2 国内外研究现状综述
• 1.2.1 抗辐射加固的研究现状
• 1.2.2 抗SEU 性能的评价方法研究现状
• 1.3 课题主要研究工作及论文安排
• 第二章 SDR 平台体系结构及其抗SEU 设计加固技术
• 2.1 SDR 平台的体系结构
• 2.1.1 SDR 平台的硬件体系结构
• 2.1.2 SDR 平台的软件体系结构
• 2.2 高可靠的SDR 平台体系结构
• 2.2.1 金字塔形体系结构
• 2.2.2 对等可重构体系结构
• 2.3 应用层抗SEU 设计加固技术
• 2.3.1 微处理器的应用层抗SEU 设计加固
• 2.3.2 SRAM 型FPGA 的应用层抗SEU 设计加固
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于SPN 的建模分析方法
• 3.1 Petri 网和随机Petri 网模型
• 3.1.1 PN 模型
• 3.1.2 SPN 模型
• 3.2 SPN 建模分析方法
• 3.2.1 SPN 建模及可信性分析方法
• 3.2.2 硬件系统的SPN 建模
• 3.2.3 软件系统的SPN 建模
• 3.3 SPN 性能评价建模工具PIPE
• 3.4 SPN 模型的适用性问题
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于SEU 仿真注入的评价方法和测试系统设计
• 4.1 SEU 仿真注入测试原理
• 4.1.1 SEU 离散随机事件模型
• 4.1.2 测试注入集
• 4.2 SEU 仿真注入的关键技术
• 4.2.1 注入集压缩分解
• 4.2.2 位翻转并发注入
• 4.3 SEU 仿真注入测试系统的设计与实现
• 4.3.1 SEU 仿真注入测试系统的结构分析
• 4.3.2 SEU-SIT 系统的设计实现
• 4.3.3 测试流程设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 扩频应答机数字基带的SEU 仿真注入测试
• 5.1 扩频应答机数字基带
• 5.1.1 扩频应答机的系统结构
• 5.1.2 数字基带的硬件构成
• 5.1.3 软件的可靠性设计
• 5.2 TMS320C6412 的注入测试及结果分析
• 5.3 XC2V3000 的注入测试及结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文