一种编码纠错的抗辐照数据补偿存储加固系统的制作方法

1.本发明涉及信号处理领域，具体涉及一种编码纠错的抗辐照数据补偿存储加固系统。


背景技术：

2.随着科技的不断发展，信息技术从各个领域不同程度上都在影响着每一个人的生活，而雷达技术自问世以来就在军事领域发挥着举足轻重的作用。近年来，应用于航空航天领域的雷达也越来越多，与地面、机载、舰载等其他领域雷达不同，卫星运行在宇宙空间中，空间环境中的各种高能粒子通过卫星时可能会影响半导体电路的逻辑状态，如单粒子翻转现象(seu：single events upset)，虽然只引起存储器内容的“0”、“1”翻转，但是却可能影响整个系统的正常工作。随着技术的进步，对星载雷达天线阵面功能的要求越来越复杂，性能要求越来越高，fpga也越来越多地应用到航天领域，成为星载sar天线阵面控制的关键部件，而为了扩展系统对数据的存储功能，通常在fpga外增加一片flash做为数据存储的专用器件，flash内部存储天线内部需要使用的各类补偿数据，在天线测试过程中，生成补偿数据写入flash，正常工作时从flash中调用实现对天线波束的补偿。目前，从fpga在星载型号产品中的使用情况来看，单粒子效应成为了影响大规模fpga可用性和可靠性的主要因素。单粒子效应导致fpga中的一个数据位的翻转会使得整个程序失效，此外，flash在空间环境中也极易受到单粒子效应的影响而造成存储数据的错误，如果补偿数据出现错误，会使天线波束性能下降。随着星载天线阵面控制系统的复杂程度日益增高，补偿数据读取与存储的稳定性和可靠性成了影响雷达性能的关键因素。
3.为追赶并超越合成孔径体制星载sar在成像分辨率上与世界先进水平的代差，合成孔径雷达天线阵面需具备更复杂的控制系统、同时需要解决复杂控制系统可靠性、高可靠算法补偿数据存储、系统内高可靠补偿数据传输等技术难点。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提出了一种编码纠错的抗辐照数据补偿存储加固系统，包括flash操作控制模块、补偿数据编码模块、补偿数据译码模块、投票表决模块和flash存储器；
5.flash操作控制模块作为系统的主控模块，对输入指令进行解析，完成对flash存储器中数据的读取、写入与擦除操作；执行读取操作时，根据投票表决模块反馈的表决结果决定是否对flash内部错误数据进行改写；
6.补偿数据编码模块对写入数据按要求进行补偿数据编码后写入flash存储器中；
7.补偿数据译码模块对从flash存储器读取的数据进行汉明译码，当有比特位出现错误时，进行纠错；
8.投票表决模块根据数据读取指令从flash存储器中读取三个数据，对读取的三个数据进行投票表决，并且将表决结果反馈给flash操作控制模块。
9.进一步地，所述系统工作之前，先将存储数据汉明编码后以三模冗余方式写入flash存储器。
10.进一步地，根据投票表决模块反馈的表决结果决定是否对flash内部错误数据进行改写具体为：
11.如果表决结果为3:0，表示三个数据相同，那么认为数据没有发生错误，将正确结果经过补偿数据译码后输出，并且输出反馈给补偿数据译码模块和flash操作控制模块，当前没有错误发生；
12.如果表决结果为2：1，即认为相同的两个数据代表正确数据，不同的那个数据受环境影响发生了错误，输出补偿数据译码后正确数据的同时，输出错误反馈给flash操作控制模块，flash操作控制模块收到后，根据反馈的错误位置，将存储器内错误位置存储的数据擦除，写入读出的正确数据；
13.如果表决结果为1:1:1，代表三个数据都不相同，此时三个数据中至少有两个数据发生错误，采用逐个比特进行表决的方法，得到正确数据；当有两个数据的相同比特位同时被打翻，导致表决得到的数据有一位是错误时，该错误通过补偿数据译码纠错；补偿数据译码后输出正确数据的同时，输出错误反馈给flash操作控制模块，flash操作控制模块收到后，根据反馈的错误位置，将flash存储器内错误的两个存储位置存储的数据擦除，然后对译码输出的正确数据进行汉明编码后写入擦除后的位置。
14.进一步地，补偿数据编码模块对写入数据按要求进行补偿数据编码具体通过高可靠抗单粒子翻转数据编码技术实现，具体为使用6位特征码，10位有效数据的改进型汉明码进行汉明编码：
15.在(n,k)汉明码中，n-k个附加的监督码元是由信息码元的线性运算产生的；码长为n，信息元长度为k，2k个码字构成n维线性空间中的一个k维子空间，编码的实质就是要在n维线性空间中，找出一组长为n的k个线性无关的矢量g
0,
g1…gk-1
，使得每个码字c都可以表示为k个矢量的线性组合，即
16.c＝[c
n-1cn-2
…
c0]＝c
k-1
g0+c
k-2
g1+
…
+c0g
k-1
ꢀꢀ
(1)
[0017]
其中ci∈{0,1}，i＝0,1,
…
,k-1，将上式写成矩阵形式得
[0018][0019]
由此[c
k-1ck-2
…
c0]是带编码信息的信息组，g是一个n
×
k的矩阵，g就是(n,k)汉明码的生成矩阵；当n＝16,k＝10时g确定，即可完成汉明码的编码。
[0020]
进一步地，补偿数据译码模块对从flash存储器读取的数据进行汉明译码，当有比特位出现错误时，进行纠错，具体为：
[0021]
由式(2)得到监督矩阵h,且
[0022]
hc
t
＝0
t
或ch
t
＝0
ꢀꢀꢀ
(3)
[0023]
h是一个(n-k)
×
k的矩阵，h的后n-k列组成一个(n-k)
×
(n-k)的单位子阵，这种h称为监督矩阵的标准形式，一般形式的h通过行列的初等变换得到；
[0024]
发送码字c在传输过程中如果发生错误，假设收到的码字为：
[0025]
r＝[r
n-1rn-2
…
r0]
ꢀꢀ
(4)
[0026]
则收发码字之差为：
[0027]
e＝r-c＝[e
n-1en-2
…
e0]
ꢀꢀ
(5)
[0028]
其中，
[0029]
将上式写为：
[0030]
r＝c+e
ꢀꢀ
(6)
[0031]
在接收端计算：
[0032]
rh
t
＝(c+e)h
t
＝ch
t
+eh
t
ꢀꢀ
(7)
[0033]
由于ch
t
＝0，所以
[0034]
s＝eh
t
ꢀꢀꢀ
(8)
[0035]
s称作接收码字r的校验子阵或伴随式；由矩阵h进行译码，根据所得的伴随式判断码字中哪一位码元发生了错误，从而纠正一位随机错误；伴随式只与错误图样e有关，用s作为判别错误的参量，如果s＝0，则接收到的是正确的码字，否则，说明r中存在差错。
[0036]
进一步地，将存储数据汉明编码后以三模冗余方式写入flash存储器具体包括：
[0037]
以任意方法将flash存储器等分为三个存储区域分别为存储区域一、二和三，存储区域一作为主数据存储区，存储区域二、三作为冗余备份存储区；向flash存储器写入数据时，依次向存储区域一、二和三三个区域中都写入数据；读取数据时，依次读取三个区域中写入地址存储的数据，将三个数据进行表决。
[0038]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0039]
1.对flash存储器内存储的阵面补偿数据采用高可靠抗单粒子翻转数据编码技术，使用10位有效数据，6位编码的edac编码纠错技术进行数据编码加固，错误检验能力2bit，纠错能力1bit；
[0040]
2.使用10位有效数据，6位编码的编码方式，适配flash存储器16bit的存储位宽，同时满足雷达阵面控制补偿数据虚位要求；
[0041]
3.采用三模冗余数据传输表决技术，完成传输数据的校验，实现对阵面补偿数据传输的可靠性加固；
[0042]
4.采用三模冗余数据存储技术，读取时对存储的补偿数据进行校验与自动修正，实现补偿数据存储的可靠性加固。
附图说明
[0043]
图1为本发明实施例的系统架构示意图。
具体实施方式
[0044]
以下结合附图对本发明的一种编码纠错的抗辐照数据补偿存储加固系统的具体实施方式做详细说明
[0045]
本实施例主要提供了一种编码纠错的抗辐照数据补偿存储加固系统，该系统基于高分辨率大规模分布式雷达天线阵面控制系统而设计，适用于合成孔径星载sar大规模相控阵雷达阵面控制系统。
[0046]
所述数据补偿存储加固系统分布于分布式雷达天线阵面各子系统中，嵌入在数百
个雷达天线阵面控制器中，各个天线阵面控制器同时工作，该系统对每个天线阵面控制器内阵面补偿数据的存储与传输独立保护，天线阵面控制器互不影响；具备高可靠性、高通用性(分布式与集中式波控系统都适用)，工程实现简单等特点。
[0047]
所述数据补偿存储加固系统由两部分组成，阵面控制逻辑部分与补偿数据存储部分。逻辑控制部分由fpga实现，补偿数据存储部分由flash存储器实现。逻辑控制部分接收指令实现对天线阵面的波束控制，在实现过程中需要对flash内存储补偿数据进行读写操作、对数据正确性判断的投票表决以及读写数据时对数据的汉明编译码。flash存储器接收fpga发送的数据读写指令，对数据进行存储与读取。
[0048]
本系统的设计流程包括编码纠错的抗辐照数据补偿存储加固需求分析-》编码纠错的抗辐照数据补偿存储加固技术规格设计-》子功能模块设计-》功能仿真-》分布式系统集成-》系统应用等。
[0049]
一、技术规格：
[0050]
编码纠错的抗辐照数据补偿存储加固技术规格书规定了系统接口、逻辑功能和电性能参数、可靠性及考核测试要求。
[0051]
二、系统组成：
[0052]
编码纠错的抗辐照数据补偿存储加固技术由多个子功能模块按分布式架构组成。每个子功能模块内部包括一个flash操作控制模块，一个补偿数据编码模块，一个补偿数据译码模块，一个投票表决模块。
[0053]
三、信号流走向：
[0054]
编码纠错的抗辐照数据补偿存储加固技术：
[0055]
1、补偿数据写入途径：补偿数据写入途径连接flash操作控制模块和补偿数据编码模块。
[0056]
2、补偿数据读取途径：补偿数据读取途径连接flash操作控制模块，补偿数据译码模块和投票表决模块。
[0057]
子功能模块：
[0058]
1、flash操作控制模块：模块有一组信号输入端口与一组信号输出接口，输入接口接收控制指令对flash进行读取或写入操作，执行读取操作时，根据输入表决结果决定是否需要对flash内部错误数据进行改写；
[0059]
2、补偿数据编码模块：模块有一组信号输入端口与一组信号输出接口，输入信号经过(16,10)的补偿数据编码后输出；
[0060]
3、补偿数据译码模块：模块有一组信号输入端口与一组信号输出接口，输入信号经过(16,10)的补偿数据译码后输出，若输入信号中有错误比特位，则经过纠正后输出；
[0061]
4、投票表决模块：投票表决模块收到数据读取指令，即从三块存储区域中读出三个数据进行表决，如果表决结果为3:0，即代表三个数据相同，那么认为数据没有发生错误，将正确结果经过补偿数据译码后输出，并且输出反馈给补偿数据译码模块和flash操作控制模块，当前没有错误发生。如果表决结果为2：1，即认为相同的两个数据代表的正确数据，不同的那个数据受环境影响发生了错误，输出补偿数据译码后正确数据的同时，输出错误反馈给flash操作控制模块，flash操作控制模块收到后，根据反馈的错误位置，将存储器内错误位置存储的数据擦除，写入读出的正确数据。如果表决结果为1:1:1，即代表三个数据
都不相同，此时认为三个数据中至少有两个数据发生错误，因为两个数据的同一比特位同时被翻转的概率极低，可以认为三个数据中任两个数据的相同比特位基本不会同时被打翻，所以可以采用逐个比特进行表决的方法，得到正确数据。即使有两个数据的相同比特位同时被打翻，导致表决得到的数据有一位是错误的，还是可以通过补偿数据译码纠错。补偿数据译码后输出正确数据的同时，输出错误反馈给flash操作控制模块，flash操作控制模块收到后，根据反馈的错误位置，将存储器内错误的两个存储位置存储的数据擦数，然后对译码输出的正确数据进行补偿数据编码后写入这擦除后的位置。
[0062]
四、发明系统功能设计：
[0063]
1、采用高可靠抗单粒子翻转数据编码技术，采用6位特征码，10位有效数据的改进型汉明码edac编码纠错技术进行数据存储加固，错误检验能力2bit，纠错能力1bit；
[0064]
在(n,k)汉明码中，n-k个附加的监督码元是由信息码元的线性运算产生的。码长为n，信息元长度为k，2k个码字构成n维线性空间中的一个k维子空间，编码的实质就是要在n维线性空间中，找出一组长为n的k个线性无关的矢量g
0,
g1…gk-1
，使得每个码字c都可以表示为k个矢量的线性组合，即
[0065]
c＝[c
n-1cn-2
…
c0]＝c
k-1
g0+c
k-2
g1+
…
+c0g
k-1
ꢀꢀ
(1)
[0066]
其中ci∈{0,1}，i＝0,1,
…
,k-1。将上式写成矩阵形式得
[0067][0068]
由此[c
k-1ck-2
…
c0]是带编码信息的信息组，g是一个n
×
k的矩阵，g就是(n,k)汉明码的生成矩阵。当n＝16,k＝10时g确定后，就可以完成汉明码的编码。
[0069]
由式(2)可得到监督方程，从而得到监督矩阵h,且
[0070]
hc
t
＝0
t
或ch
t
＝0
ꢀꢀ
(3)
[0071]
h称为监督矩阵，是一个(n-k)
×
k的矩阵，h的后n-k列组成一个(n-k)
×
(n-k)的单位子阵。这种h称为监督矩阵的标准形式，一般形式的h可以通过行列的初等变换得到。
[0072]
发送码字c在传输过程中如果发生误码，假设收到的码字为
[0073]
r＝[r
n-1rn-2
…
r0]
ꢀꢀꢀ
(4)
[0074]
则收发码字之差为
[0075]
e＝r-c＝[e
n-1en-2
…
e0]
ꢀꢀꢀ
(5)
[0076]
其中
[0077][0078]
上式也可以写为
[0079]
r＝c+e
ꢀꢀꢀ
(6)
[0080]
在接收端计算
[0081]
rh
t
＝(c+e)h
t
＝ch
t
+eh
t
ꢀꢀꢀ
(7)
[0082]
由于ch
t
＝0，所以
[0083]
s＝eh
t
ꢀꢀꢀ
(8)
[0084]
s称作接收码字r的校验子阵或伴随式。由矩阵h进行译码，根据所得的伴随式就可以判断码字中哪一位码元发生了错误，就可以纠正一位随机错误。伴随式只与错误图样e有关，可以用s作为判别错误的参量，如果s＝0，则接收到的是正确的码字，否则，说明r中存在差错。
[0085]
2.采用三模冗余数据传输表决技术，将原先设计中一块逻辑电路复制成3份，如框图1中的逻辑块1、冗余逻辑块2和冗余逻辑块3，同时运行这3部分逻辑电路，输出结果进行大数表决，表决出一个置信度高的结果输出。同时检测出哪个冗余逻辑块发生翻转并反馈。
[0086]
3.采用三模冗余数据存储技术，以任意方法将flash存储器等分为三个存储区域分别为存储区域一、二和三，存储区域一作为主数据存储区，存储区域二、三作为冗余备份存储区。向存储器写入数据时，依次向三个区域中都写入数据。读取数据时，依次读取三个区域中写入地址存储的数据，将三个数据进行表决，若三个数据相同，则认为读出数据正确，输出这个数据，并且反馈无错误，若三个数据中有一个数据出错，则按2:1表决原则，输出表决后的数据，并根据判定的错误数据存储区，输出反馈，根据反馈结果，擦除错误数据存储区，写入正确数据。
[0087]
该编码纠错的抗辐照阵面数据补偿存储加固系统是首次应用在高分辨率超大规模天线阵面的星载sar合成孔径雷达阵面控制系统中，填补了国内该技术领域空白，与星载sar合成孔径雷达阵面控制补偿数据存储与传输技术相比具有以下特点：
[0088]
1.对flash内存储的阵面补偿数据采用高可靠抗单粒子翻转数据编码技术，使用10位有效数据，6位编码的edac编码纠错技术进行数据编码加固，错误检验能力2bit，纠错能力1bit；
[0089]
2.使用10位有效数据，6位编码的编码方式，适配flash 16bit的存储位宽，同时满足雷达阵面控制补偿数据虚位要求；
[0090]
3.采用三模冗余数据传输表决技术，完成传输数据的校验，实现对阵面补偿数据传输的可靠性加固；
[0091]
4.采用三模冗余数据存储技术，读取时对存储的补偿数据进行校验与自动修正，实现补偿数据存储的可靠性加固。
[0092]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种编码纠错的抗辐照数据补偿存储加固系统，其特征在于，包括flash操作控制模块、补偿数据编码模块、补偿数据译码模块、投票表决模块和flash存储器；flash操作控制模块作为系统的主控模块，对输入指令进行解析，完成对flash存储器中数据的读取、写入与擦除操作；执行读取操作时，根据投票表决模块反馈的表决结果决定是否对flash内部错误数据进行改写；补偿数据编码模块对写入数据按要求进行补偿数据编码后写入flash存储器中；补偿数据译码模块对从flash存储器读取的数据进行汉明译码，当有比特位出现错误时，进行纠错；投票表决模块根据数据读取指令从flash存储器中读取三个数据，对读取的三个数据进行投票表决，并且将表决结果反馈给flash操作控制模块。2.根据权利要求1所述的编码纠错的抗辐照数据补偿存储加固系统，其特征在于，所述系统工作之前，先将存储数据汉明编码后以三模冗余方式写入flash存储器。3.根据权利要求2所述的编码纠错的抗辐照数据补偿存储加固系统，其特征在于，根据投票表决模块反馈的表决结果决定是否对flash内部错误数据进行改写具体为：如果表决结果为3:0，表示三个数据相同，那么认为数据没有发生错误，将正确结果经过补偿数据译码后输出，并且输出反馈给补偿数据译码模块和flash操作控制模块，当前没有错误发生；如果表决结果为2：1，即认为相同的两个数据代表正确数据，不同的那个数据受环境影响发生了错误，输出补偿数据译码后正确数据的同时，输出错误反馈给flash操作控制模块，flash操作控制模块收到后，根据反馈的错误位置，将存储器内错误位置存储的数据擦除，写入读出的正确数据；如果表决结果为1:1:1，代表三个数据都不相同，此时三个数据中至少有两个数据发生错误，采用逐个比特进行表决的方法，得到正确数据；当有两个数据的相同比特位同时被打翻，导致表决得到的数据有一位是错误时，该错误通过补偿数据译码纠错；补偿数据译码后输出正确数据的同时，输出错误反馈给flash操作控制模块，flash操作控制模块收到后，根据反馈的错误位置，将flash存储器内错误的两个存储位置存储的数据擦除，然后对译码输出的正确数据进行汉明编码后写入擦除后的位置。4.根据权利要求3所述的编码纠错的抗辐照数据补偿存储加固系统，其特征在于，补偿数据编码模块对写入数据按要求进行补偿数据编码具体通过高可靠抗单粒子翻转数据编码技术实现，具体为使用6位特征码，10位有效数据的改进型汉明码进行汉明编码：在(n,k)汉明码中，n-k个附加的监督码元是由信息码元的线性运算产生的；码长为n，信息元长度为k，2
k
个码字构成n维线性空间中的一个k维子空间，编码的实质就是要在n维线性空间中，找出一组长为n的k个线性无关的矢量g0，g1…
g
k-1
，使得每个码字c都可以表示为k个矢量的线性组合，即c＝[c
n-1
c
n-2
…
c0]＝c
k-1
g0+c
k-2
g1+
…
+c0g
k-1
ꢀꢀꢀꢀ
(1)其中c
i
∈{0，1}，i＝0，1，
…
，k-1，将上式写成矩阵形式得
由此[c
k-1 c
k-2
ꢀ…ꢀ
c0]是带编码信息的信息组，g是一个n
×
k的矩阵，g就是(n，k)汉明码的生成矩阵；当n＝16，k＝10时g确定，即可完成汉明码的编码。5.根据权利要求4所述的编码纠错的抗辐照数据补偿存储加固系统，其特征在于，补偿数据译码模块对从flash存储器读取的数据进行汉明译码，当有比特位出现错误时，进行纠错，具体为：由式(2)得到监督矩阵h，且hc
t
＝0
t
或ch
t
＝0
ꢀꢀꢀꢀ
(3)h是一个(n-k)
×
k的矩阵，h的后n-k列组成一个(n-k)
×
(n-k)的单位子阵，这种h称为监督矩阵的标准形式，一般形式的h通过行列的初等变换得到；发送码字c在传输过程中如果发生错误，假设收到的码字为：r＝[r
n-1 r
n-2
ꢀ…ꢀ
r0]
ꢀꢀꢀꢀ
(4)则收发码字之差为：e＝r-c＝[e
n-1 e
n-2
ꢀ…ꢀ
e0]
ꢀꢀꢀꢀ
(5)其中，将上式写为：r＝c+e
ꢀꢀꢀꢀ
(6)在接收端计算：rh
t
＝(c+e)h
t
＝ch
t
+eh
t
ꢀꢀꢀꢀ
(7)由于ch
t
＝0，所以s＝eh
t
ꢀꢀꢀꢀ
(8)s称作接收码字r的校验子阵或伴随式；由矩阵h进行译码，根据所得的伴随式判断码字中哪一位码元发生了错误，从而纠正一位随机错误；伴随式只与错误图样e有关，用s作为判别错误的参量，如果s＝0，则接收到的是正确的码字，否则，说明r中存在差错。6.根据权利要求5所述的编码纠错的抗辐照数据补偿存储加固系统，其特征在于，将存储数据汉明编码后以三模冗余方式写入flash存储器具体包括：以任意方法将flash存储器等分为三个存储区域分别为存储区域一、二和三，存储区域一作为主数据存储区，存储区域二、三作为冗余备份存储区；向flash存储器写入数据时，依次向存储区域一、二和三三个区域中都写入数据；读取数据时，依次读取三个区域中写入地址存储的数据，将三个数据进行表决。

技术总结
本发明公开了一种编码纠错的抗辐照数据补偿存储加固系统，包括FLASH操作控制模块、补偿数据编码模块、补偿数据译码模块、投票表决模块和FLASH存储器；FLASH操作控制模块完成对FLASH存储器中数据的读取、写入与擦除操作；执行读取操作时，根据投票表决模块反馈的表决结果决定是否对FLASH内部错误数据进行改写；补偿数据编码模块对写入数据按要求进行补偿数据编码后写入FLASH存储器中；补偿数据译码模块对从FLASH存储器读取的数据进行汉明译码；投票表决模块根据数据读取指令从FLASH存储器中读取数据进行投票表决并反馈。本发明降低了在轨工作过程中雷达阵面补偿数据受到破坏的概率，使得高可靠性阵面控制系统下的大规模雷达阵面能够有效降低单粒子翻转的影响。达阵面能够有效降低单粒子翻转的影响。达阵面能够有效降低单粒子翻转的影响。


技术研发人员：胥志毅 陈原 徐弘毅 邬天恺 高文辉 宋赟
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第十四研究所
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/8/5