宇宙用信号処理・通信システム II

1. 宇宙用信号処理・通信システム II 東京大学大学院理学系研究科物理学専攻　 石徹白晃治

2. IFの開発、試験が大きな手間 SWIMセンサー部：超小型重力波検出器(SWIMmn) 宇宙用信号処理・通信システムの例:SWIM信号処理系 （SWIMmnに焦点、レジスタアクセスを基本とする処理系） はじめに 今までの宇宙機器通信：衛星、搭載機器毎に別のIF ESA,NASA,JAXAが共同で共通IFを選定 次世代宇宙機器通信規格「SpaceWire」 JAXAを中心に「SpaceWire」の宇宙実証 SWIM(Space WIre demonstration Module) 小型実証衛星SDS-I (GOSATのピギーバック)で打ち上げ

3. 目次 • SpaceWireとRAMP • SWIMとSWIMmn • SWIM SpW実装とUserApplication • SWIMmn信号処理 • まとめ

4. 目次 • SpaceWireとRAMP • SWIMとSWIMmn • SWIM SpW実装とUserApplication • SWIMmn信号処理 • まとめ

5. SpaceWireとRAMP SpaceWire:次世代宇宙機器通信規格(ESA,NASA,JAXA) • コンセプト • 個々の機器をUSBのようにつなぐと衛星になる • 特徴 • 電力消費を低減できる、簡単なプロトコル • 冗長系が設計しやすい、自由なネットワークトポロジー • 2-400Mbpsという幅広い通信速度 • 自由に決められるパケットサイズ RMAP (Remote Memory Access Protocol):SpWのプロトコル • コンセプト • マスタ-が内部レジスタにアクセスするように、 　他ノードのレジスタにアクセス

6. 目次 • SpaceWireとRAMP • SWIMとSWIMmn • SWIM SpW実装とUserApplication • SWIMmn信号処理 • まとめ

7. SWIM SWIM(Space WIre demonstration Module) SDS-I (GOSATのピギーバック衛星)で9月打ち上げ予定 SpaceCubeII：SpW IFを実装するアーキテクチャー T-Kernelで動くリアルタイムOS SWIMmn　　：SWIMのセンサー部分、超小型重力波検出器 Space CubeII SWIMmn (重力波検出器部) SpW SpaceCubeII SWIMmn

8. 目次 • SpaceWireとRAMP • SWIMとSWIMmn • SWIM SpW実装とUserApplication • SWIMmn信号処理 • まとめ

9. モジュール化 階層化 UserApplication CPU RMAP Library SpW IP Driver Software PCI Bus UserFPGA (User Application) FPGA SpW IP BusArbiter SWIM SpWの実装とUserApplication SpW SpaceCubeII SWIMmn FPGA

10. 目次 • SpaceWireとRAMP • SWIMとSWIMmn • SWIM SpW実装とUserApplication • SWIMmn信号処理 • まとめ

11. SWIMmn信号処理系 SWIMmn信号処理系：モジュール化 ユーザ側はBusArbiterを考慮して UserFPGAだけを開発すれば十分 (なはず)

12. UserFPGAとSpCIIがレジスタを 仮想的に共有することで実現 共有Register HK User Data UserFPGA UserFPGAに必要な機能：TAM制御、データ取得 User FPGA Space CubeII TAM Feed back 制御

13. DataRegister (SRAM) FIFO Controller Frame Generater Controller HK Register Controller User Register UserFPGAの設計 Space CubeII 目的: TAM制御 データ取得 接続: ExtBusとのIF 状態制御: レジスタアクセス 状態監視: レジスタアクセス SpW UserFPGA SpW IP Bus IF TAM TAM BusArbiter

14. DataRegister (SRAM) FIFO Controller Frame Generater Controller HK Register Controller User Register データ取得の方法 Space CubeII 1. SpCIIからデータ取得開始のレジスタをたたく 2. UserFPGAはDataレジスタに書き込み 3. SpCIIがDataレジスタを読み込み SpW UserFPGA SpW IP Bus IF TAM TAM BusArbiter

15. 目次 • SpaceWireとRAMP • SWIMとSWIMmn • SWIM SpW実装とUserApplication • SWIMmn信号処理 • まとめ

16. まとめ 宇宙用信号処理・通信システムの例 ⇒ SWIM、特にSWIMmn信号処理の概念をまとめた レジスタアクセスを基本とした信号処理系 SWIMの現状 SWIMmn信号処理系 ⇒ 全ての機能試験を終え、FPGAに焼きこみ SpCII信号処理系　 ⇒ 下位層とのかみ合わせ、プログラム試験 全体で熱真空試験へ向けたベーキング中 ⇒ 温度変化と機能試験

17. 付録

18. SWIMmn 重力波検出原理 ＋偏向重力波 棒状回転子 棒状回転子の運動方程式 PSで変位測定 磁気浮上(フィードバック制御 ⇒回転に自由 周波数依存性が無い ⇒ 低周波まで重力波に対する感度 棒状回転子

19. UserFPGA 実際 HK, UserRegisterはUserFPGA内部で実装 DataRegisterはSRAMにFIFOとして実装 UserFPGA BusIF Space CubeII SpW IP Frame Generater SpW ActiveMode StateMachine HK Register SRAM FIFO Controller User Register PassiveMode StateMachine BusArbiter

20. SWIM の目的と概要 2008年度打ち上げ GOSAT のピギーバック 小型実証衛星 SDS-1 高度670km 太陽同期軌道 サイズ： 70×70×60 cm、 重量： 約100kg 小型衛星 SDS-1 SpaceWire Interface demonstration Module(SWIM) 構成 ： SpaceCube II ・ センサ部(重力波検出器SWIMmn・MHIモジュール) 目的 ： 新しい宇宙機用通信規格「SpaceWire」の実証 → ローコスト・高速・高信頼性・柔軟なネットワークトポロジー・高いスケーラビリティ 　　をもつ宇宙機用シリアル通信規格　　NeXTやMMO、小型衛星標準バスで採用予定

21. 目的・特徴 地上のレーザー干渉計に比べ感度は悪い(h~10-7/Hz1/2＠1Hz) が、宇宙空間で重力波探査を行う世界初の検出器となる 衛星の振動環境を高精度で測定できる DPF に向け、衛星製作・打ち上げの経験と実績を蓄積 DECIGO Pathfinder のさらに前のステップ SWIMmnの概要 構成要素 • 浮上マスモジュール(ねじれ型重力波検出器) • × 2セット(互いに直交する方向) • アナログエレクトロニクス部 • デジタルエレクトロニクス部(FPGA搭載ボード) Proof Mass 浮上マスモジュール SpaceCube II と SpaceWire を通じ接続 同時に、SpaceWire の開発にも成果をフィードバックし協力している

22. SWIMmnの信号フロー User側信号処理のキーポイント：FPGA

23. FPGA？ Field Programmable Gate Array • 内部論理を再構築可能なLSI 使用例 • 携帯電話 • 自動車 • GRAPE (重力相互作用の計算機) 開発会社 • Xilinx, Altera (Actel) 価格例 気球実験、飛行機実験データ取得用 約5,000円 SWIMmnのFM品 約300万円

24. FPGAの背景 1980年代、大規模論理LSIの設計 ASIC・・GateArray方式：設計の自由度が大きい 　　　　多数のトランジスタを持つ汎用シリコンウェハから 　　　　　　　ユーザーの設計に従ったメタル配線工程 を行う。 PLD・・・PLA方式：論理が書き換え可能 　　　　規則的に配列・接続されたAND-ORゲートに、 　　　　　　　 論理式を積和形式に変換させて実装。 FPGA： GateArrayの設計の自由度、PLAの論理書き換え可能性を持つ ユーザーが設計した論理・配線情報をSRAM型記録素子に送ることで実現 Complex PLD：小さなPLDを結合

25. FPGAのプログラム HDL: Hardware Description Language • Verilog HDL：現Cadence社が開発 • VHDL (Very High Speed Integrated Circuit HDL) ：米国国防総省の提唱 RTL (Register Transfer Level)での記述 　⇒ CADツールによる自動的にロジック回路を生成 CやMatlabのみからロジック回路生成可能 (有料ソフト)

26. 境界条件：ExtBus規格 提供　シマフジ電機　

27. FPGAの仕事 UserFPGAの仕事 データ取得 、TAMのデジタル制御 それに付属した詳細な機能 　ダウンサンプリング、Busステートマシーン、HKデータ生成 ADC,DAC,MUXのコントロール、 LEDのon/off、信号対角化 User側が設計、作成 SpWFPGAの仕事 SpW IP、デジタルボード管理 三菱重工が作成 気球実験、飛行機実験で使用したボードではシマフジ電機

28. SWIMmnの信号処理系

29. SWIMmnFPGA Xilinx XQVR600 (UserFPGA, SpwFPGA) SWIMデジタルボード UserFPGAの開発、試験＠東大 　⇒ 論理合成、試験＠MHI 　　⇒ 実機試験＠東大 SWIM ADCボード SWIM DACボード

30. SWIMmn 制御ループ

31. SWIMmn 制御ループ ADCボード 50mm MUX PS x6 PSm x6 ADC 変位センサー (PS) 捩れ型回転子 発光強度モニター(PSm) EN x4 Digital signals x2 IC型加速度計、ジャイロ DAC コイル=磁石型 アクチュエータ FPGA DACボード

32. UserFPGAの信号処理 Decorder 128kHz,16bit,2signals ⇒ 2.15kHz,16bit,16signals Filter 4PS signals ⇒ Yaw,Z Error signals ⇒ Yaw,Z Feedback signals by PD fitlters ⇒ Signal injection ⇒ Coil Feedback signals CoilController 2’s complement ⇒ Offset binary

33. Decorder 465us (~2.15kHz) 77us PS LEDは間欠点灯 例:PS1 LEDの点灯タイミング PS1 PS2 PS signlas 　← 4点平均 　 ← PS LED on/off引き算 EN signals ← 6点加算/8 PS3 PS4 PS5 PS6 EN1 EN2

34. Filter 制限：加算+零点シフトのみで構成 対角化 PDフィルター 対角化

35. Filter ゲイン 周波数 [Hz]

36. Filter 伝達関数測定のためFB信号の矩形波を注入可能

37. 試験の様子 DAC ボード TAM ADC ボード デジタル ボード SpaceCube

38. 力学的特性 回転方向 鉛直方向

39. オープンループ伝達関数 回転方向 鉛直方向

40. エラー信号 鉛直方向 回転方向 4x10-8 [m/Hz1/2]@1Hz 10-8 [m/Hz1/2]@1Hz