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Veröffentlicht von:Rupprecht Radner Geändert vor über 10 Jahren
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HW/SW Partitioning – Ein Fallbeispiel aus dem Aerospace-Bereich
Werner FRIESENBICHLER
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Aufgabenstellung Analyse eines industriellen Designs hinsichtlich HW/SW Partitioning Fallbeispiel(e) aus dem Aero-SPACE Bereich: GNSS Video-Verarbeitungseinheit
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GNSS - Navigationsempfänger
Fallbeispiel 1 GNSS - Navigationsempfänger
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GNSS Grundlagen Global Navigation Satellite System GPS (USA)
GLONASS (Rus) COMPASS (China, lokal ab 2008?, Erweiterung geplant) GALILEO (Europa, GIOVE-Phase, Vollausbau >2008)
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GPS Architektur 24 Satelliten in 6 Orbits, ca. 20200 km, 12h Umlauf
Atomuhren mit MHz, Genauigkeit ca Bodensegment mit 6 Stationen, sendet Korrekturdaten 2 Codes (eindeutig) + Navigationsdaten C/A (Coarse Acquisition, zivil), MHz, 1 ms lang P(Y) (Precision, verschlüsselt, mil.), MHz, 7 Tage lang Navigationsdaten (Orbit, Zeit, Korrektur, Delay, Almanach), 50 Hz, 12.5 min lang 2 Frequenzen: L1 ( MHz), L2 ( MHz)
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GPS Signal (1)
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GPS Signal (2) GOLD-Codes (C/A), minimale Kreuzkorrelation untereinander Spread-Spectrum Technik Signalleistung 50 W, empfangen werden nur ca. –160 dBW (10-16 W), das ist mehr als 20 dB unter dem Rauschpegel Detektion Korrelation des empfangenen Codes mit lokal erzeugtem Code Aufgrund der ungenauen Receiver-Zeitbasis werden 4 Satelliten benötigt Genauigkeit: C/A: 100m...10m (ohne SA, seit 2000), P: 2 m
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Code-Phase Tracking Korrelationsdetektor
Aufgrund der Phasendifferenz zwischen lokaler und empfangener Codesequenz kann auf die Signallaufzeit und damit die Entfernung zum Satelliten geschlossen werden
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GNSS-Receiver Architektur
Front End Down-Conversion IF / Basisband Analog/Digital-Wandlung (mind. 2x, besser 3x so schnell wie das Basisbandsignal) Sample-Rate: 3 MHz (C/A) MHz (P) Basisband Prozessor Geteilte HW / SW Implementierung Auswertung der Navigationsdaten Receiver Konfiguration, Telemetrie, Housekeeping
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GPS Receiver Block Diagramm
Software Hardware
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Aufgaben für die Hardware
Repititive/Parallele Tasks Digitalisieren des I- und Q-Anteils (typ. 2 Bit) Downconversion IF ins Basisband Erzeugen der lokalen Codesequenz (LFSR) Despreading mit unterschiedlichen Phasen Permanente Korrelation mit empfangenem Code Generierung von lokalen Triggersignalen (Epoch)
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Aufgaben für die Software
Programmatische Tasks Evaluierung der Korrelationsergebnisse, ca. 1 kHz Auswertung der Navigationsdaten, 50 Hz Implementierung der Tracking Loops (Code Tracking, Carrier Tracking) Korrelatorkonfiguration (v.a. für P-Code) Auswahl der sichtbaren Satelliten Bestimmung der (Pseudo-)Ranges Automatic Gain Control des Front-Ends, Optimierung des SNR
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Zukunft - reine Softwarereceiver?
HW/SW Receiver GPS-Chipsets am Markt vorhanden Aufteilung HW/SW für Handheld Geräte notwendig Software Radio / Receiver Studien für Spaceborne Software-Receiver Größere Flexibilität als HW/SW-Lösung Erfordert hohe Rechenleistung Nicht für portable Geräte geeignet (kein Thema für SPACE) Für P-Code noch nicht machbar
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Ach ja, und der Sender... Ähnliche Architektur bei GNSS-Signalgeneratoren Hardware Code-Generatoren Modulation mit Navigationsdaten Verschlüsselung des P-Codes (top secret) Software Telemetrie-Interface zum Bodensegment Einfügen der Orbit- und Zeitkorrekturparameter Aufbau des Almanachs
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Video-Verarbeitungseinheit
Fallbeispiel 2 Video-Verarbeitungseinheit
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GAIA – Video-Verarbeitungseinheit
ESA-Projekt „GAIA“ Sternenteleskop Erstellung einer 3D-Sternenkarte Aufschluss über Entstehung und Veränderung unserer Galaxie Inputs für astrophysische Experimente und Thesen Positionierung am Lagrange Punkt (minimale Gravitation)
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GAIA Satellit
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GAIA Teleskop Focal Plane
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Focal Plane
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Messprinzip (1) – Time Delayed Integration (TDI)
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Messprinzip (2) Jede Millisekunde werden die Daten ein Pixel weitergeschoben und die letzte CCD-Zeile ausgelesen Zirka 2000 x 13 x 16-bit/ms = 416 Mbps Datenreduktion Nur die ersten beiden CCDs werden komplett ausgelesen (Objektidentifikation) Die restlichen CCDs nur bereichsweise Echttzeitverhalten ist gefordert um Datenverlust zu vermeiden
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GAIA Algorithmen (1) Erkennen eines Sterns
Verfolgen des Sterns über die gesamte Focal Plane Berechnung der Auslesebereiche Klassifizierung – Bright Star, Faint Star, Größe, etc. Aussondern von Near Earth Objects Datenreduktion und -kompression Paketierung der Daten und Übertragung zur Erde Es wird eine Rechenleistung von 700 MIPs benötigt (vgl. Pentium III 500 MHz hat ca MIPs)
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Rechenleistungen in SPACE
Rad-Hard Prozessoren LEON2, 86 MIPS (100 MHz) ERC32, 25 MIPS (32 MHz) Kommerzielle Prozessoren PowerPC, 1800 MIPs (800 MHz) Performanceeinbußen durch FT-Maßnahmen GAIA Algorithmen verlangen eine Aufteilung in HW und SW
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GAIA Algorithmen (2)
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GAIA – Hardware Algorithmen
Objekterkennung läuft immer gleich ab Berechnung von Objektparametern Helligkeit, Hintergrundkompensation Detektion von Sternextremitäten Verschiedene Pixelfilter (MAC-Operationen) Offset- und Gainkorrektur der CCDs Filterung von toten Pixeln SpaceWire-Interfaces nach außen Implementierung mittels 2 Actel FPGAs
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GAIA – Software Algorithmen
Software übernimmt höherwertige Algorithmen Berechnung des Auslesebereichs Sternklassifizierung Sortieren nach Eigenschaften Berechnung weiterer Sternparameter Formierung von Datenpaketen, Datenkompression Higher-Level Protokolle (MIL-1553) Realisierung auf SCS750 Board COTS-Computerboard für SPACE
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Maxwell SCS-750 Computerboard
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GAIA – Architektur
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Resümee (1) Hardware/Software-Partitioning im SPACE-Bereich ähnlich wie bei industriellen Designs Hardware kümmert sich um repititive Tasks Parallelisierung von Aufgaben zur Erhöhung der Performance Implementierung von Schnittstellen Co-Prozessor für Software-Algorithmen Software steuert Programmfluss Stärken bei Bedingungen, Verzweigungen, Sortieraufgaben
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Resümee (2) Entwicklung
Hardware ist meist billiger zu entwickeln als Software Geringerer Verifikationsaufwand SPACE-Softwareentwicklung ist sehr aufwendig Normativ geregelt Oftmals werden auch „unbequeme“ Algorithmen in Hardware implementiert um den Aufwand zu minimieren Aber: Ist VHDL nicht eigentlich Software?
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Quellen Parkinson, Spilker Jr., „Global Positioning System: Theory and Applications“ – Die BIBEL
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