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1高速數據通信與系統加固技術的發展現狀

1.1高速數據通信的發展現狀基于TTL或者是CMOS電平的并行總線技術，由于接口比較簡單，并且容易實現，因此，在早期的電路設計中應用非常廣泛。隨著數字技術的不斷發展，現代化的處理機設計的難度在逐漸增加，所以促使并行總線的技術更加笨重。這主要體現在以下幾個方面：（1）并行總線需要嚴格按位為每個信號提供更多的鏈路，從而占據大量的PCB布線空間；（2）總線采用的信號形式嚴重阻礙了其速率的提高；（3）由于總線之間的串擾以及外部干擾對傳輸質量產生了嚴重的影響，極大地限制了其實際的應用速率以及傳輸距離；（4）由于各個鏈路之間的達到時間不一致，容易導致出錯。并行總線無法充分地滿足高速系統中有關數據的傳輸速率以及功能的具體要求，導致串行總線逐漸在取代并行總線。串行總線主要是通過串化的方式，將高低層次不同的數據串行在一條數據鏈路上進行發送，這種做法大大地降低了系統互聯的難度和復雜性，有效地提高了數據傳輸的質量。在早期，串行技術對干擾信息的質量具有直接的影響，并且數據傳輸同步的質量直接決定著數據能否在接收端可靠恢復，同時，由于電平轉換以及信號較弱等影響因素，導致數據的傳輸速率以及傳輸距離限定在一定的范圍內。從出現低電壓差分信號（LVDS）之后，逐漸打破了數據傳輸的瓶頸，給高速數據通信的發展帶來了新的契機。在20世紀90年代，美國一家半導體公司提出了LDVS，這是一種高速的串行信號形式，主要是以3.5mA的恒流模式發送信號。這種形式明顯具有傳輸速率高、功耗低、傳輸距離遠、容易匹配以及抗干擾能力強等優勢，因此，許多廠商積極引進LVDS，導致LVDS的應用范圍在不斷地擴大。目前，大部分的高速數據通信方案，一般都是采用LVDS技術的串行總線技術。

1.2系統加固技術的研究現狀系統加固技術主要是指通過增加冗余設計或者是改進電子元器件，尤其是一些集成電路的材質以及結構等，從而有效地增加通信系統的抗干擾能力以及抗核子輻照的能力，進而極大地提高其運行的穩定性，延長了機械設備的壽命。輻照是造成航天器電子設備出現故障的一個重要原因。輻照的來源主要有核爆炸以及各種宇宙射線等。在1975年，美國的通訊衛星的數字電路中的JK觸發器由于受到重核粒子的影響而出現誤翻轉的情況，這是第一次明確記錄單粒子翻轉的現象。隨著集成技術的不斷發展和進步，數字集成電路更加容易受到輻照因素的影響。根據有關的數據資料顯示：大約有40%以上的故障主要是來源于太空輻照。因此，需要加強對抗輻照技術的研究，從而有效地提高航天電器設備的使用壽命。目前，對抗輻照加固技術的研究主要分為模型仿真以及試驗驗證兩個方面。進行輻射仿真研究，是通過計算以及分析的方式探索輻照對電子設備的影響，這種技術涉及到空間的原始輻射模型以及應用分析兩個方面的內容。國際上研究輻照技術的機構主要是美國的國家實驗室、美國的噴氣推進實驗室、意大利的國家核物理研究院以及波音公司輻射效應實驗室等機構。我國雖然很早就對抗輻照技術進行多方面的研究，但是由于受到各種條件的限制，目前對輻照的損傷機理和模型以及抗輻照的措施研究得較多，而具體的模擬實驗研究則相對較少。

2系統加固技術研究

2.1差錯控制差錯控制是星載系統常用的一種容錯技術。由于前向的糾錯技術的星載容錯系統在一定程度上可以有效地提高通信系統的抗輻照能力。在星載系統設計中，在使用SRAM工藝的FPGA時，需要利用片內RAM以及片外SRAM資源對數據進行緩沖和存儲。為了減少RAM資源受到單粒子效應的影響，可以充分地利用錯誤檢測與糾正電路，有效地降低單粒子效應引發的通信系統故障率。在進行檢錯和糾錯時，所遵循的基本思想是在通信數據寫入時，嚴格按照數據生成一定的校檢驗碼，與其對應的數據保存在一起；在讀出時，主要是使用校驗證碼對數據進行判斷。如果不存在錯誤或者是錯誤可恢復，則能夠將數據正確地輸出，完成回寫之后，可以有效地覆蓋原來的通信數據；如果錯誤不能恢復，則會產生錯誤報告，并且及時通知相關的控制器進行異常處理。這些操作都是硬件自動完成的，明顯具有實時性和自動性的顯著特征，能夠有效地提高通信系統的可靠性。

2.2冗余設計冗余設計的基本思路是增加備份的功能模塊，在必要時需要替換受損模塊，從而有效地降低通信系統的故障率。冗余設計的方法多種多樣，比較常見的冗余設計包括硬件冗余、時間冗余、信息冗余以及軟件冗余等，應用最廣泛的冗余設計是硬件三模冗余容錯技術。

2.3動態重構動態重構主要是指通信系統在運行時，對于其中一些需要修改的部分邏輯單元重新配置，但是需要在不影響其它單元正常工作的前提下，這種方式也稱為運行時重構。通過動態重構，可以有效地修復單粒子效應造成的通信系統故障。下面主要詳細地介紹幾種系統構建加固技術：（1）模塊化動態重構技術。模塊化主要是嚴格按照邏輯功能將電路范圍幾個獨立的子模塊，一般主要分為固定模塊和課重構模塊兩種類型，通過總線宏將子模塊連接起來，利用通信系統模塊的調度算法的控制，對重構模塊進行重新配置，從而有效地解決恢復單粒子效應依法的模塊故障。（2）重構技術。重構技術主要是通過HDL語言編制的RTL代碼，通過EDA通信工具綜合和布局布線，產生相應的FPGA配置的二進制流文件。基于差異的動態構建屬于一種基于比較的設計方法。這種設計方法是將受損的FPGA邏輯與正常的通信邏輯進行比較，找出其中的差異，緊接著進行局部重建。現階段，FPGA開發工具的功能比較強，可以將任何的動態構建文件轉化成圖形化的FPGA內部資源，這種方式支持用戶直接訪問或者是修改這些資源，甚至可以直接進行SLICE配置的內部連線。

2.4ASIC設計利用ASIC技術能夠有效地解決星載設備中存在的諸多問題，并且可以將ASIC技術替代以往通用的可編制的門陣列FPGA技術，這種技術能夠縮小通信系統的體積、減少質量、降低功耗并且能夠有效地提供通信系統的可靠性。在進行ASIC設計時，需要根據實際的通信系統的操作需求來確定集成規模，主要是采用專門的材質以及加固技術，大大地提高通信系統的抗干擾能力和可靠性，從而真正地解決芯片對輻照的敏感性。同時，ASIC技術也具有較大的風險，并且耗資比較大、開發周期相對較長等，如果流片完成之后，就不能隨意進行更改，因此，這種技術具有較差的靈活性。ASIC技術一般具有門陣列以及標準單元兩種基本結構。門陣列的基本元件是或門，或門主要包括一些相同的較少數量的未連接的晶體管。實際上，門陣列中的晶體管開始都是沒有連接的形式，怎樣連接主要是由用戶決定的。門陣列具有周轉期非常快的優勢，但是在進行一些復雜的運算處理時則不方便。在一般情況下，每個標準單元基本都包括了生產以及連接晶體管的布線層，它無法像門陣列一樣可以共用，并且每個用戶的設計風格都是不一樣的，有的可能需要進行重新設計。如果制造商的設計中包含一些比較復雜的單元，設計者則需要作出相應的修改，可以根據具體的規則進行修改，比如，硬件乘法器以及通用的微處理器核等。

3結語

隨著科學技術的快速發展，對高速數據通信與系統加固技術提出了更高的要求。由于數據處理任務量的加大以及高實時性的要求，促使通信系統的發展規模在不斷地擴大，系統的結構變得更加地復雜，設計難度也在逐漸提高。因此，需要加強高速數據通信與系統加固技術的研究。

作者：毛勇單位：中國民用航空新疆空中交通管理局