于 威，張秀忠，朱人杰，3，陳 嵐，吳亞軍，3，郭紹光

(1.中國科學(xué)院上海天文臺(tái)，上海 200030；2.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，上海 200235；3.中國科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008)

Mark5B格式器及10 G網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)在VLBI中的應(yīng)用

于 威1，張秀忠1，朱人杰1，3，陳 嵐2，吳亞軍1，3，郭紹光1

(1.中國科學(xué)院上海天文臺(tái)，上海 200030；2.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，上海 200235；3.中國科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008)

由于遙遠(yuǎn)的天體發(fā)出的無線電信號極其微弱，信噪比極低，VLBI系統(tǒng)要想得到較高的測量精度，必須盡量加大測量帶寬和提高采樣位數(shù)，但是這樣會(huì)導(dǎo)致VLBI終端(比如數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器)產(chǎn)生的觀測數(shù)據(jù)激增。傳統(tǒng)的VLBI終端數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用VSI接口，數(shù)據(jù)最高傳輸速率限制在2 Gbps，且數(shù)據(jù)記錄設(shè)備必須采用定制的Mark5B設(shè)備，極其不靈活，因此已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)在VLBI系統(tǒng)的觀測需求。為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率，增加數(shù)據(jù)記錄設(shè)備的靈活性，上海天文臺(tái)新研制的基于多相濾波器組和快速傅里葉變換方式的數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用了高速靈活的10 G網(wǎng)絡(luò)接口。10 G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸采用報(bào)文交換方式，因此數(shù)據(jù)到達(dá)接收端的時(shí)間不是精確可靠的，這要求數(shù)據(jù)在進(jìn)入10 G網(wǎng)絡(luò)接口之前必須已經(jīng)具有標(biāo)準(zhǔn)的VLBI數(shù)據(jù)格式，所以在10 G網(wǎng)絡(luò)前端設(shè)計(jì)了Mark5B格式器。詳細(xì)介紹了基于現(xiàn)場可編程門陣列的Mark5B格式器及10 G網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，并在文章的最后通過三組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其功能的正確性和性能的穩(wěn)定性。

多相濾波器組；數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器；10 G網(wǎng)絡(luò)；Mark5B格式器

CN53－1189/P ISSN1672－7673

數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器(Digital Base-Band Converter，DBBC)是甚長基線干涉測量技術(shù)(Very Long Baseline Interferometry，VLBI)接收系統(tǒng)中最重要的數(shù)字設(shè)備之一，承擔(dān)著頻段選擇、數(shù)據(jù)采集等任務(wù)[1]，其把接收機(jī)接收的寬帶中頻信號數(shù)字化后分成多個(gè)通道并轉(zhuǎn)換為基帶信號，以供相關(guān)處理機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。國際上應(yīng)用于VLBI系統(tǒng)的數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式，第一種為混頻方式，既數(shù)字化后的中頻信號與不同頻率的本振信號相乘，然后通過特定帶寬的低通濾波器濾出所需的基帶信號，最后再通過抽取器降低數(shù)據(jù)速率。第二種采用多相濾波器組的方式，既數(shù)字化后的中頻信號先做并行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)，然后經(jīng)過一個(gè)多相濾波器組，并行輸出多個(gè)通道的基帶信號。第一種方式的優(yōu)點(diǎn)是通道帶寬可選，應(yīng)用起來比較靈活，缺點(diǎn)是各個(gè)通道之間時(shí)延一致性較差，這會(huì)限制VLBI系統(tǒng)最終的時(shí)延精度。第二種方式的優(yōu)點(diǎn)是各個(gè)通道之間時(shí)延一致性較好，缺點(diǎn)是各個(gè)通道帶寬大小固定，不夠靈活。

上海天文臺(tái)VLBI技術(shù)實(shí)驗(yàn)室2007年研制成功基于混頻方式的數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器，并命名為CDAS (Chinese VLBI Data Acquisition System)，CDAS接口方式為通過VSI(VLBI Standard Interface)接口連接到Mark5B記錄設(shè)備[2]，目前CDAS已經(jīng)為嫦娥一號、嫦娥二號的VLBI軌道定位做出了巨大貢獻(xiàn)。為了進(jìn)一步降低各個(gè)通道之間的時(shí)延，上海天文臺(tái)VLBI技術(shù)實(shí)驗(yàn)室新研制了基于多相濾波器組的數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器(以下稱其為Polyphase DBBC)。

VSI接口必須使用Mark5B設(shè)備作為數(shù)據(jù)記錄終端，且數(shù)據(jù)記錄速率最高為2 Gbps，這大大限制了數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器的輸出速率和接收設(shè)備的靈活性，現(xiàn)在國際上新開發(fā)的數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器，如美國的DBE(Digital Backend)[3]和歐洲的EVN DBBC[4]都不再采用VSI接口，而是采用10 G網(wǎng)絡(luò)輸出，數(shù)據(jù)記錄端采用具有10 G網(wǎng)絡(luò)接口的Mark5C或Mark6設(shè)備，這樣數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)發(fā)送速率可以升級到4 Gbps、8 Gbps等更高的速率。DBE主要與Mark5C相配合，使用的是CX4接口的10 G網(wǎng)絡(luò)，這種接口使用較粗的銅纜作為傳輸介質(zhì)，傳輸距離不如光纖遠(yuǎn)，使用起來也不如光纖方便，而且具有CX4接口的通用服務(wù)器較少，所以如果要使用通用服務(wù)器作為DBE的數(shù)據(jù)記錄設(shè)備，必須要加同時(shí)具有CX4接口和SFP＋光纖接口的交換機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。EVN DBBC的10 G網(wǎng)絡(luò)既支持CX4接口也支持SFP＋光纖接口，不過其10 G接口是在一塊名叫FILA10G的單獨(dú)PCB板上。由于前端接口不同F(xiàn)ILA10G板不能與Polyphase DBBC相連，所以必須開發(fā)自己的10 G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的VSI總線包括32位數(shù)據(jù)線和1位時(shí)鐘線，這樣數(shù)據(jù)和時(shí)鐘可以同步傳輸?shù)組ark5B設(shè)備，然后由Mark5B設(shè)備內(nèi)部的格式器為數(shù)據(jù)添加上時(shí)間碼、同步字、校驗(yàn)位等幀頭信息并打包成Mark5B數(shù)據(jù)格式。由于網(wǎng)絡(luò)傳輸是基于報(bào)文交換的方式，因此報(bào)文從數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器到數(shù)據(jù)接收設(shè)備所經(jīng)歷的時(shí)間就變的非常不確定，這樣在數(shù)據(jù)接收設(shè)備中為報(bào)文添加時(shí)間信息顯然是不準(zhǔn)確的，為了解決這個(gè)問題，使用10 G網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器本身要具有格式器功能，其數(shù)據(jù)格式可以是Mark5B格式也可以是VLBI新的幀格式:VDIF(VLBI Data Interchange Format)格式。由于現(xiàn)在上海天文臺(tái)開發(fā)的相關(guān)處理機(jī)還只能處理Mark5B幀格式，所以為Polyphase DBBC設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)格式為Mark5B格式。成品的Polyphase DBBC設(shè)備共有16個(gè)通道，每個(gè)通道的帶寬為32 MHz，數(shù)據(jù)輸出接口在保留VSI總線的基礎(chǔ)上主要采用SFP＋光纖接口的10 G網(wǎng)絡(luò)。

1 總體設(shè)計(jì)

Polyphase DBBC數(shù)據(jù)流程框圖如圖1。其數(shù)據(jù)處理模塊通過一系列復(fù)雜的數(shù)字信號處理算法把輸入的512 MHz帶寬的中頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐盘?，然后輸出時(shí)鐘頻率為64 MHz的32 bits數(shù)據(jù)，32 bits包含16個(gè)通道，每個(gè)通道位寬為2 bits，帶寬為32 MHz。Mark5B格式器把Polyphase DBBC數(shù)據(jù)處理模塊輸出的數(shù)據(jù)打包成標(biāo)準(zhǔn)的Mark5B幀格式，然后通過10 G網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送出去。數(shù)據(jù)記錄設(shè)備為一臺(tái)高性能具有磁盤陣列的服務(wù)器，它通過10 G光纖網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)記錄下來存成文件。Mark5B格式器在為數(shù)據(jù)打格式的時(shí)候需要初始時(shí)間來與別的DBBC設(shè)備進(jìn)行時(shí)間同步，因此設(shè)計(jì)了1 G網(wǎng)絡(luò)模塊把外部時(shí)間服務(wù)器的初始時(shí)間傳送到Mark5B格式器中。本設(shè)計(jì)中Polyphase DBBC數(shù)據(jù)處理模塊在前面板中實(shí)現(xiàn)，前面板的照片如圖2，圖1虛線框中其余模塊在后面板中實(shí)現(xiàn)，并且除了10 G網(wǎng)絡(luò)模塊和1 G網(wǎng)絡(luò)模塊中的物理層芯片外全部集成在一片現(xiàn)場可編程門陣列中，現(xiàn)場可編程門陣列的型號為XILINX公司的Virtex6 XC6VLX75T，后面板的照片如圖3。前面板通過CPCI總線把數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶竺姘濉?/p>

圖1 Polyphase DBBC數(shù)據(jù)流程框圖Fig.1 A flowchart of the Polyphase DBBC

2 Mark5B格式器的設(shè)計(jì)

2.1 Mark5B幀格式

Mark5B幀格式包括4個(gè)32位的幀頭和緊接著2500個(gè)32位的數(shù)據(jù)隊(duì)列。幀頭格式如圖4，包括以下信息:

字0為同步字“ABADDEED”。

字1中比特31～16為用戶自定義內(nèi)容(比如，臺(tái)站ID號)；比特15是測試向量標(biāo)志；比特14～0是每一秒內(nèi)的幀序號(當(dāng)整數(shù)秒時(shí)刻到來時(shí)，幀序號從零開始)。

字2～3為BCD格式的時(shí)間碼和16比特循環(huán)冗余校驗(yàn)碼[5]。

圖4 Mark5B幀頭Fig.4 The header of the Mark5B frame format

表1至表6分別為當(dāng)系統(tǒng)記錄的有效采樣位數(shù)為1、2、4、8、16和32時(shí)每一個(gè)32位數(shù)據(jù)隊(duì)列的格式，方格代表一次采樣得到的數(shù)據(jù)位數(shù)，數(shù)字表示采樣順序。可以看到各次采樣值按從低位到高位的順序排列。幀頭中記錄的時(shí)間是此幀第1個(gè)數(shù)據(jù)字中第1個(gè)采樣值被采樣的時(shí)刻。

表1 1比特流的數(shù)據(jù)字格式Table 1 The data string format in a 1-bit stream

表2 2比特流的數(shù)據(jù)字格式Table 2 The data string format in a 2-bit stream

表3 4比特流的數(shù)據(jù)字格式Table 3 The data string format in a 4-bit stream

表4 8比特流的數(shù)據(jù)字格式Table 4 The data string format in an 8-bit stream

表5 16比特流的數(shù)據(jù)字格式Table 5 The data string format in a 16-bit stream

表6 32比特流的數(shù)據(jù)字格式Table 6 The data string format in a 32-bit stream

2.2 Mark5B格式器的設(shè)計(jì)

Mark5B格式器的數(shù)據(jù)流程框圖如圖5。由于Mark5B幀格式的幀頭是非替代的，既在連續(xù)的數(shù)據(jù)流中每隔一定的時(shí)間間隔插入一個(gè)幀頭，所以Mark5B格式器模塊的輸出時(shí)鐘一定要比輸入時(shí)鐘頻率高。本設(shè)計(jì)中Mark5B格式器后面連接著系統(tǒng)時(shí)鐘為156.25 MHz的10 G網(wǎng)絡(luò)模塊，因此為了方便時(shí)鐘同步，把Mark5B格式器的輸出時(shí)鐘也定為156.25 MHz。從圖5可以看出此模塊虛線左邊時(shí)鐘為64 MHz，虛線右邊時(shí)鐘為156.25 MHz時(shí)鐘，其中64 MHz時(shí)鐘為Polyphase DBBC信號處理模塊輸出的時(shí)鐘。圖中cpcidata[31∶0]為Polyphase DBBC信號處理模塊輸出的32位數(shù)據(jù)，由于10 G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率較高，本設(shè)計(jì)沒有添加“比特流屏蔽字”功能(“比特流屏蔽字”主要是為了降低數(shù)據(jù)輸出速率)。

圖5 Mark5B格式器流程框圖Fig.5 The flowchart of the Mark5B formatter

cpcidata[31∶0]數(shù)據(jù)首先進(jìn)入數(shù)據(jù)緩存器(圖5 Data fifo)中緩存起來，然后被幀成型模塊(圖5 frame generator)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候輸出到幀緩存器(圖5 framefifo)中。時(shí)間產(chǎn)生模塊(圖5 BCD＿timegenerator)根據(jù)初始時(shí)間信號(圖5 start＿time)、秒信號(圖5 ppsin)以及64 MHz時(shí)鐘，通過分頻的方式生成BCD碼格式的時(shí)間(圖5 vlbatime[47∶0])供幀頭生成模塊(圖5 header generator)使用。幀頭生成模塊以起始信號(圖5 start)的高電平為起始時(shí)刻，每隔2 500個(gè)64 MHz時(shí)鐘生成一個(gè)幀頭，并存入幀頭緩存器(圖5 Header fifo)中，每個(gè)幀頭為4個(gè)32位的字，包括同步字、秒內(nèi)幀序號、VLBA時(shí)間和CRC校驗(yàn)碼等。幀成型模塊產(chǎn)生完整的Mark5B數(shù)據(jù)幀，其內(nèi)部包括一個(gè)多路選擇器，每當(dāng)幀頭緩存器中有數(shù)據(jù)時(shí)，多路選擇器就把其中的4個(gè)數(shù)據(jù)讀出，寫入幀緩存器中，然后切換到數(shù)據(jù)緩存器，從中讀取2 500個(gè)數(shù)據(jù)并存入幀緩存器中，此后多路選擇器再次切換回幀頭緩存器等待讀取4個(gè)字的幀頭，如此循環(huán)進(jìn)行下去[6]。幀緩存器模塊中存入的數(shù)據(jù)是完整的Mark5B幀格式的數(shù)據(jù)，接下來只需要把其中的數(shù)據(jù)按順序輸出到10 G網(wǎng)絡(luò)模塊即可。

3 10 G網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的10 G網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)分為兩大部分:數(shù)據(jù)發(fā)送端和數(shù)據(jù)接收端，數(shù)據(jù)發(fā)送端即為圖1中10 G網(wǎng)絡(luò)模塊，這部分除物理層芯片外，全部用現(xiàn)場可編程門陣列硬件實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)接收端是運(yùn)行在圖1中數(shù)據(jù)記錄設(shè)備上的軟件程序。

3.1 數(shù)據(jù)發(fā)送端的設(shè)計(jì)

圖6為10 G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的結(jié)構(gòu)框圖。該模塊主要功能是把Mark5B數(shù)據(jù)幀(以下稱其為原始數(shù)據(jù))打包成UDP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。每個(gè)UDP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包包含1 416個(gè)字節(jié)的原始數(shù)據(jù)，而每個(gè)Mark5B數(shù)據(jù)幀為10 016個(gè)字節(jié)(即上文提到的4個(gè)32位的幀頭和緊接著的2 500個(gè)32位的數(shù)據(jù)隊(duì)列，總共10 016個(gè)字節(jié))，因此UDP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包和Mark5B數(shù)據(jù)幀沒有對應(yīng)關(guān)系。協(xié)議封裝模塊把原始數(shù)據(jù)按照UDP協(xié)議、IP協(xié)議、以太網(wǎng)MAC層協(xié)議等一層層加上頭部和尾部，然后發(fā)送到XAUI模塊，XAUI是一個(gè)接口擴(kuò)展器，可用于把以太網(wǎng)MAC層與物理層相連[7]，它擴(kuò)展的接口是XGMII(與介質(zhì)無關(guān)的萬兆接口)。圖中xgmii＿txd、xgmii＿txc、xgmii＿rxd、xgmii＿rxc四路信號即為XGMII接口。其中xgmii＿txd為64位的數(shù)據(jù)發(fā)送信號，xgmii＿txc為8位的控制信息發(fā)送信號，xgmii＿rxd為64位的數(shù)據(jù)接收信號，xgmii＿rxc為8位的控制信息接收信號。由于本設(shè)計(jì)中只用此模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，因此xgmii＿rxd和xgmii＿rxc暫時(shí)沒有用到。

圖中GTX0、GTX1、GTX2、GTX3為相同的高速串行總線，10 G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模塊通過使用XAUI和GTX來減少與外部物理層芯片連接的信號線數(shù)量，因?yàn)槲锢韺有酒c10 G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)上層協(xié)議的芯片通常是分離的元器件，如果兩者之間連接的信號線太多使用起來會(huì)非常不方便。從圖6可以看出，如果協(xié)議封裝模塊和物理層芯片直接連接總共需要144根信號線，而通過XAUI和GTX擴(kuò)展后只有16根信號線。

圖7為協(xié)議封裝模塊發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖。本設(shè)計(jì)中各層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的頭部全都固定不變(如MAC層源地址和目的地址，IP層源地址和目的地址，UDP協(xié)議源端口號和目的端口號，這樣做的好處是不用每次都為其計(jì)算IP校驗(yàn)，節(jié)約邏輯資源。但是這種方式下有兩個(gè)問題需要解決:

(1)不同的數(shù)據(jù)接收設(shè)備MAC地址不同，那么在Polyphase DBBC發(fā)出的網(wǎng)絡(luò)包目的MAC地址已經(jīng)固定的情況下，如何更換不同的接收設(shè)備?

(2)UDP校驗(yàn)和校驗(yàn)的內(nèi)容包括UDP頭部和UDP數(shù)據(jù)，不同的UDP數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)部分是變化的，那么UDP的校驗(yàn)和該如何固定不變?

在本設(shè)計(jì)中的解決方法是:

(1)把發(fā)送模塊的目的MAC地址設(shè)置為全1的廣播地址，這樣任何與Polyphase DBBC相連的接收設(shè)備都可以接收其發(fā)出的網(wǎng)絡(luò)包。

(2)UDP校驗(yàn)和字段其實(shí)是可選的，如果把其配置成全0，則接收設(shè)備運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的UDP接收程序時(shí)默認(rèn)不計(jì)算接收的UDP校驗(yàn)和，所以本設(shè)計(jì)把這個(gè)字段設(shè)置為全0。

協(xié)議封裝模塊主要由一個(gè)發(fā)送狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，其發(fā)送數(shù)據(jù)流程如圖7。狀態(tài)機(jī)有IDLE、START＿SEND、HEADER＿SEND、DATA＿SEND、FINISH 5個(gè)狀態(tài)。發(fā)送狀態(tài)機(jī)首先進(jìn)入IDLE工作狀態(tài)，此狀態(tài)下不斷發(fā)送幀間隙。IDLE工作狀態(tài)一旦判斷到發(fā)送緩沖區(qū)中已有177個(gè)數(shù)據(jù)，就把發(fā)送狀態(tài)機(jī)切換到START＿SEND狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)下xgmii＿txd發(fā)送以太網(wǎng)幀起始標(biāo)志，xgmii＿txc發(fā)送的控制信息為0x01。此后發(fā)送狀態(tài)機(jī)切換到HEADER＿SEND狀態(tài)，在此狀態(tài)下，xgmii＿txd發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包包頭中的前40個(gè)字節(jié)，xgmii＿txc發(fā)送的控制信息為0x00，同時(shí)64位的CRC計(jì)算模塊啟動(dòng)計(jì)算。發(fā)送完40個(gè)字節(jié)的包頭后，狀態(tài)機(jī)切換到DATA＿SEND狀態(tài)，在此狀態(tài)下，xgmii＿txd首先發(fā)送2字節(jié)的包頭與前6個(gè)字節(jié)的原始數(shù)據(jù)拼成的64位數(shù)據(jù)，接下來每次發(fā)送8字節(jié)的原始數(shù)據(jù)，xgmii＿txc發(fā)送的控制信息一直為0x0。DATA＿SEND狀態(tài)下循環(huán)發(fā)送了177次以后狀態(tài)機(jī)切換到FINISH狀態(tài)，在此狀態(tài)下xgmii＿txd以太網(wǎng)幀結(jié)束標(biāo)志以及FCS字段。xgmii＿txc發(fā)送0xC0，意思是xgmii＿txd中的后面6個(gè)字節(jié)是有效的，之后狀態(tài)機(jī)切換回IDLE狀態(tài)。

圖7 協(xié)議封裝模塊發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖Fig.7 The flowchart of the protocol encapsulation module

3.2 數(shù)據(jù)記錄設(shè)備接收程序的設(shè)計(jì)

圖8為接收端接收數(shù)據(jù)的流程圖。接收端是基于Linux操作系統(tǒng)由C語言編寫的應(yīng)用程序。工作流程如下:

(1)建立UDP套接字并初始化。

(2)建立兩個(gè)緩沖區(qū)buffA和buffB，這兩個(gè)緩沖區(qū)此后用乒乓操作的方式交替緩存數(shù)據(jù)包，緩沖區(qū)的大小都為1 416×20 080字節(jié)(DBBC發(fā)送的數(shù)據(jù)包每包的有效原始數(shù)據(jù)為1 416字節(jié)，實(shí)際上一個(gè)緩沖區(qū)存放20 000個(gè)數(shù)據(jù)包，緩沖區(qū)開的稍大是為了防止出現(xiàn)意外而溢出)。

(3)生成兩個(gè)線程(th1和th2)，th1用來接收UDP數(shù)據(jù)包，th2用來把緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入磁盤存成文件，兩線程并行工作。

線程th1工作流程如下:

(1)用建立的UDP套接字接收UDP數(shù)據(jù)包。

(2)接收一個(gè)UDP數(shù)據(jù)包后根據(jù)flg標(biāo)志判斷把數(shù)據(jù)填入哪個(gè)緩沖區(qū)。判斷方式為:當(dāng)flg為0時(shí)，往緩沖區(qū)buffA中填入數(shù)據(jù)；當(dāng)flg為1時(shí)，往緩沖區(qū)buffB中填入數(shù)據(jù)，flg初始值為0。當(dāng)每個(gè)緩沖區(qū)中填入的數(shù)據(jù)達(dá)到20 000個(gè)UDP數(shù)據(jù)包時(shí)，把這個(gè)緩沖區(qū)的滿標(biāo)志置為1(buffA的滿標(biāo)志為fullA，buffB的滿標(biāo)志為fullB)。

線程th2工作流程如下:

(1)根據(jù)buffA和buffB的滿標(biāo)志判斷是否有緩沖區(qū)已滿，如果有則進(jìn)入步驟(2)，否則一直循環(huán)判斷。

(2)把已滿的緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫入磁盤，存成一個(gè)單獨(dú)的文件，并把滿標(biāo)志置為0，返回步驟(1)。

圖8 接收端接收數(shù)據(jù)的流程圖Fig.8 The flowchart of the data-receiving program

4 結(jié)果測試及分析

本文共做了3組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)果測試，每組實(shí)驗(yàn)都做了48 h的長時(shí)間測試。實(shí)驗(yàn)中用一臺(tái)噪聲儀產(chǎn)生寬帶射頻白噪聲信號，然后通過模擬下變頻器產(chǎn)生512 MHz帶寬的中頻信號，中頻信號通過功率分配器后一分為二分別輸入兩臺(tái)Polyphase DBBC的中頻信號輸入端。第1組實(shí)驗(yàn)用一臺(tái)高性能10 G服務(wù)器和一臺(tái)Mark5B設(shè)備同時(shí)記錄同一臺(tái)Polyphase DBBC產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，Polyphase DBBC中的格式器和Mark5B設(shè)備中的格式器在記錄前用時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行時(shí)間同步。第2組實(shí)驗(yàn)用一臺(tái)高性能10 G服務(wù)器和一臺(tái)Mark5B設(shè)備分別記錄兩臺(tái)Polyphase DBBC產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，Polyphase DBBC中的格式器和Mark5B設(shè)備中的格式器在記錄前用時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行時(shí)間同步。第3組實(shí)驗(yàn)用兩臺(tái)高性能10 G服務(wù)器分別記錄兩臺(tái)Polyphase DBBC產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，兩臺(tái)Polyphase DBBC中的格式器在記錄前用時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行時(shí)間同步。最后用MATLAB程序分別解算每組實(shí)驗(yàn)中兩路數(shù)據(jù)的自相關(guān)結(jié)果和相應(yīng)通道間的互相關(guān)結(jié)果，解算自相關(guān)的MATLAB程序快速傅里葉變換長度為4 096點(diǎn)，積分時(shí)間為1 024個(gè)快速傅里葉變換周期，解算互相關(guān)的MATLAB程序快速傅里葉變換長度為16 384點(diǎn)，積分時(shí)間為1 024個(gè)快速傅里葉變換周期。

圖9、10、11分別為3組實(shí)驗(yàn)兩路數(shù)據(jù)各自16個(gè)通道的自相關(guān)幅度譜，由圖可知除第一個(gè)通道外其余通道幅度較為平坦，且兩路數(shù)據(jù)對應(yīng)通道幅度一致性較好。圖12、13、14分別為3組實(shí)驗(yàn)兩路數(shù)據(jù)第8個(gè)通道的互相關(guān)幅度和相位譜(上圖為幅度譜，下圖為相位譜)。通過48 h長時(shí)間測試，發(fā)現(xiàn)每組實(shí)驗(yàn)的互相關(guān)時(shí)延都穩(wěn)定不變，圖中第1組實(shí)驗(yàn)幾何時(shí)延為39.265 6 us，殘余時(shí)延約為0 ns (這與兩路數(shù)據(jù)來自同一臺(tái)Polyphase DBBC相吻合)。第2組幾何時(shí)延為39.265 6 us，殘余時(shí)延約為9.6 ns，第3組幾何時(shí)延為0.062 5 us，殘余時(shí)延約為－12.1 ns(后兩組實(shí)驗(yàn)殘余時(shí)延不為0與兩路數(shù)據(jù)來自于不同的Polyphase DBBC相吻合)。

圖9 第1組實(shí)驗(yàn)自相關(guān)幅度譜Fig.9 The spectra of self-correlation amplitudes in the first set of experiments

圖10 第2組實(shí)驗(yàn)自相關(guān)幅度譜Fig.10 The spectra of self-correlation amplitudes in the second set of experiments

圖11 第3組實(shí)驗(yàn)自相關(guān)幅度譜Fig.11 The spectra of self-correlation amplitudes in the third set of experiments

圖12 第1組實(shí)驗(yàn)互相關(guān)幅度和相位譜Fig.12 The spectra of cross-correlation amplitudes and correlation phases in the first set of experiments

圖13 第2組實(shí)驗(yàn)互相關(guān)幅度和相位譜Fig.13 The spectra of cross-correlation amplitudes and correlation phases in the second set of experiments

圖14 第3組實(shí)驗(yàn)互相關(guān)幅度和相位譜Fig.14 The spectra of cross-correlation amplitudes and correlation phases in the third set of experiments

通過以上實(shí)驗(yàn)可知，本文設(shè)計(jì)的Mark5B格式器以及10 G網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)工作正常，性能穩(wěn)定，已經(jīng)完全可以取代原有的DBBC通過VSI總線與Mark5B相連的老系統(tǒng)。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收端只需要通用的具有10 G網(wǎng)口的服務(wù)器即可，也可以是Mark5C或者M(jìn)ark5B，應(yīng)用非常靈活，且由于使用了10 G網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳送速率有很大的提升空間。后續(xù)所要做的工作主要有:(1)開發(fā)VDIF格式器，通過外部參數(shù)控制DBBC數(shù)據(jù)格式在VDIF與Mark5B之間切換；(2)優(yōu)化接收端接收程序，提高接收速率。

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A Mark5B Formatter and a 10G Network Transmission System Applied to VLBI

Yu Wei1，Zhang Xiuzhong1，Zhu Renjie1，3，Chen Lan2，Wu Yajun1，3，Guo Shaoguang1
(1.Shanghai Astronomical Observatory，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200030，China，Email:yuwei001＠m(xù)ail.ustc.edu.cn；2.Shanghai Institute of Technology，Shanghai 200235，China；3.Key Laboratory of Radio Astronomy，Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210008，China)

Radio signals from distant radio sources are extremely weak and have very low signal-to-noise ratios when observed with current radio telescopes.In order for VLBI data to reach high measurement accuracies，large measurement bandwidths and sampling bits need to be adopted，resulting in huge amounts of observation data produced by the VLBI terminals(such as Digital Base-Band Converters).Traditional data transmission systems of VLBI terminals use VSI interfaces，which cannot meet the requirements of broadband VLBI observation.The limitation of VSI interfaces is due to two factors:First，their data transmission speeds do not exceed 2Gbps，and second，their data-recording equipments are conformed to the rather rigid Mark5B format.We have designed a 10G network system for a new Digital Base-Band Converter(which is developed by the Shanghai Astronomical Observatory based on polyphase-filter banks and the FFT)to enhance its flexibility and transmission speed.The data-transmission method of this system is the packet switching，so a data arrival time at the data receiver is not accurate and reliable.This requires that data must be of a standard VLBI format before being processed by the 10G system.To achieve this we have also designed a Mark5B data formatter to convert data before being sent to the 10G system.This paper describes the principles of the Mark5B formatter and the 10G network system，which are both based on FPGA.The final part of the paper describes three sets of experiments verifying the accurateness and stableness of our designs.

Polyphase-filter banks；Digital Base-Band Converter；10G network interface；Mark5B formatter

TN713

A

1672－7673(2014)03－0287－12

2013－10－29；

2013－11－16

于 威，男，助理工程師.研究方向:深空探測，射電天文，F(xiàn)PGA數(shù)字電路.Email:yuwei001＠m(xù)ail.ustc.edu.cn