Pre-Flight Testing and Performance of a Ka-Band Software Defined Radio

National Aeronautics and Space Administration (NASA) has developed a space-qualified, reprogrammable, Ka-band Software Defined Radio (SDR) to be utilized as part of an on-orbit, reconfigurable testbed. The testbed will operate on the truss of the International Space Station beginning in late 2012. Three unique SDRs comprise the testbed, and each radio is compliant to the Space Telecommunications Radio System (STRS) Architecture Standard. The testbed provides NASA, industry, other Government agencies, and academic partners the opportunity to develop communications, navigation, and networking applications in the laboratory and space environment, while at the same time advancing SDR technology, reducing risk, and enabling future mission capability. Designed and built by Harris Corporation, the Ka-band SDR is NASA's first space-qualified Ka-band SDR transceiver. The Harris SDR will also mark the first NASA user of the Ka-band capabilities of the Tracking Data and Relay Satellite System (TDRSS) for on-orbit operations. This paper describes the testbed's Ka-band System, including the SDR, travelling wave tube amplifier (TWTA), and antenna system. The reconfigurable aspects of the system enabled by SDR technology are discussed and the Ka-band system performance is presented as measured during extensive pre-flight testing

The IceCube Data Acquisition System: Signal Capture, Digitization, and Timestamping

IceCube is a km-scale neutrino observatory under construction at the South Pole with sensors both in the deep ice (InIce) and on the surface (IceTop). The sensors, called Digital Optical Modules (DOMs), detect, digitize and timestamp the signals from optical Cherenkov-radiation photons. The DOM Main Board (MB) data acquisition subsystem is connected to the central DAQ in the IceCube Laboratory (ICL) by a single twisted copper wire-pair and transmits packetized data on demand. Time calibration is maintained throughout the array by regular transmission to the DOMs of precisely timed analog signals, synchronized to a central GPS-disciplined clock. The design goals and consequent features, functional capabilities, and initial performance of the DOM MB, and the operation of a combined array of DOMs as a system, are described here. Experience with the first InIce strings and the IceTop stations indicates that the system design and performance goals have been achieved.Comment: 42 pages, 20 figures, submitted to Nuclear Instruments and Methods

Detector Developments for the LHC: CMS TOB Silicon Detector Modules and ATLAS TileCal Read-Out Driver

This Research Report is divided in two different parts corresponding to two different periods of time working in different collaborations. First, a general approach to the framework where this work is set is presented at the Introduction: the CERN laboratory near Geneva, the LHC accelerator and its two general purpose experiments CMS and ATLAS. The first part of this report consists in the study of the performance of the silicon strip detectors specifically designed for the Tracker Outer Barrel (TOB) of the CMS Tracker detector. Results of the performance of CMS TOB silicon detector modules mounted on the first assembled double-sided rod at CERN are presented. These results are given in terms of noise, noise occupancies, signal to noise ratios and signal efficiencies. The detector signal efficiencies and noise occupancies are also shown as a function of threshold for a particular clustering algorithm. Signal efficiencies versus noise occupancy plots as a function of the threshold level, which could also be used to grade detector modules in rods during production, are presented. In the second part the standalone software developments for the characterization and system tests of the pre-production ATLAS TileCal Read-Out Driver (ROD) prototypes are presented. The XTestROD and XFILAR programs, specifically written for the TileCal ROD characterisation and system tests, are presented and all their functionalities are discussed in detail. These programs allow to write/read the registers and configure the different operation modes of all the modules in the ROD crate and the ROS computer. Using this software standalone data acquisition runs can also be performed through the VMEbus or standard read-out cards in ATLAS

Generic on-board-computer hardware and software development for nanosatellite applications

This study outlines the results obtained from the development of a generic nanosatellite on-board-computer (OBC). The nanosatellite OBC is a non-mission specific design and as such it must be adaptable to changing mission requirements in order to be suitable for varying nanosatellite missions. Focus is placed on the commercial-off-the-shelf (COTS) principle where commercial components are used and evaluated for their potential performance in nanosatellite applications. The OBC design is prototyped and subjected to tests to evaluate its performance and its feasibility to survive in space

Ein flexibles, heterogenes Bildverarbeitungs-Framework für weltraumbasierte, rekonfigurierbare Datenverarbeitungsmodule

Scientific instruments as payload of current space missions are often equipped with high-resolution sensors. Thereby, especially camera-based instruments produce a vast amount of data. To obtain the desired scientific information, this data usually is processed on ground. Due to the high distance of missions within the solar system, the data rate for downlink to the ground station is strictly limited. The volume of scientific relevant data is usually less compared to the obtained raw data. Therefore, processing already has to be carried out on-board the spacecraft. An example of such an instrument is the Polarimetric and Helioseismic Imager (PHI) on-board Solar Orbiter. For acquisition, storage and processing of images, the instrument is equipped with a Data Processing Module (DPM). It makes use of heterogeneous computing based on a dedicated LEON3 processor in combination with two reconfigurable Xilinx Virtex-4 Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs). The thesis will provide an overview of the available space-grade processing components (processors and FPGAs) which fulfill the requirements of deepspace missions. It also presents existing processing platforms which are based upon a heterogeneous system combining processors and FPGAs. This also includes the DPM of the PHI instrument, whose architecture will be introduced in detail. As core contribution of this thesis, a framework will be presented which enables high-performance image processing on such hardware-based systems while retaining software-like flexibility. This framework mainly consists of a variety of modules for hardware acceleration which are integrated seamlessly into the data flow of the on-board software. Supplementary, it makes extensive use of the dynamic in-flight reconfigurability of the used Virtex-4 FPGAs. The flexibility of the presented framework is proven by means of multiple examples from within the image processing of the PHI instrument. The framework is analyzed with respect to processing performance as well as power consumption.Wissenschaftliche Instrumente auf aktuellen Raumfahrtmissionen sind oft mit hochauflösenden Sensoren ausgestattet. Insbesondere kamerabasierte Instrumente produzieren dabei eine große Menge an Daten. Diese werden üblicherweise nach dem Empfang auf der Erde weiterverarbeitet, um daraus wissenschaftlich relevante Informationen zu gewinnen. Aufgrund der großen Entfernung von Missionen innerhalb unseres Sonnensystems ist die Datenrate zur Übertragung an die Bodenstation oft sehr begrenzt. Das Volumen der wissenschaftlich relevanten Daten ist meist deutlich kleiner als die aufgenommenen Rohdaten. Daher ist es vorteilhaft, diese bereits an Board der Sonde zu verarbeiten. Ein Beispiel für solch ein Instrument ist der Polarimetric and Helioseismic Imager (PHI) an Bord von Solar Orbiter. Um die Daten aufzunehmen, zu speichern und zu verarbeiten, ist das Instrument mit einem Data Processing Module (DPM) ausgestattet. Dieses nutzt ein heterogenes Rechnersystem aus einem dedizierten LEON3 Prozessor, zusammen mit zwei rekonfigurierbaren Xilinx Virtex-4 Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs). Die folgende Arbeit gibt einen Überblick über verfügbare Komponenten zur Datenverarbeitung (Prozessoren und FPGAs), die den Anforderungen von Raumfahrtmissionen gerecht werden, und stellt einige existierende Plattformen vor, die auf einem heterogenen System aus Prozessor und FPGA basieren. Hierzu gehört auch das Data Processing Module des PHI Instrumentes, dessen Architektur im Verlauf dieser Arbeit beschrieben wird. Als Kernelement der Dissertation wird ein Framework vorgestellt, das sowohl eine performante, als auch eine flexible Bilddatenverarbeitung auf einem solchen System ermöglicht. Dieses Framework besteht aus verschiedenen Modulen zur Hardwarebeschleunigung und bindet diese nahtlos in den Datenfluss der On-Board Software ein. Dabei wird außerdem die Möglichkeit genutzt, die eingesetzten Virtex-4 FPGAs dynamisch zur Laufzeit zu rekonfigurieren. Die Flexibilität des vorgestellten Frameworks wird anhand mehrerer Fallbeispiele aus der Bildverarbeitung von PHI dargestellt. Das Framework wird bezüglich der Verarbeitungsgeschwindigkeit und Energieeffizienz analysiert

NASA Goddard Space Flight Center's Compendium of Recent Single Event Effects Results

We present the results of single event effects (SEE) testing and analysis investigating the effects of radiation on electronics. This paper is a summary of test results

MRAM Technology Status

Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM) is much different from conventional types of memory like SRAM, DRAM, and Flash, where electric charge is used to store information. Instead of exploiting the charge of an electron, MRAM uses its spin to store data. This new type of electronics is known as "spintronics." The primary focus of this report is the current generation of MRAM technology, and its reliability, vendors, and space-readiness

Compendium of Single Event Effects, Total Ionizing Dose, and Displacement Damage for Candidate Spacecraft Electronics for NASA

We present results and analysis investigating the effects of radiation on a variety of candidate spacecraft electronics to proton and heavy ion-induced single-event effects (SEE), proton-induced displacement damage (DD), and total ionizing dose (TID). This paper is a summary of test results

Development of a Nanosatellite Software Defined Radio Communications System

Communications systems designed with application-specific integrated circuit (ASIC) technology suffer from one very significant disadvantage - the integrated circuits do not possess the ability of programmability. However, Software Defined Radio’s (SDR’s) integrated with Field Programmable Gate Arrays (FPGA) provide an opportunity to update the communication system on nanosatellites (which are physically difficult to access) due to their capability of performing signal processing in software. SDR signal processing is performed in software on reprogrammable elements such as FPGA’s. Applying this technique to nanosatellite communications systems will optimize the operations of the hardware, and increase the flexibility of the system. In this research a transceiver algorithm for a nanosatellite software defined radio communications is designed. The developed design is capable of modulation of data to transmit information and demodulation of data to receive information. The transceiver algorithm also works at different baud rates. The design implementation was successfully tested with FPGA-based hardware to demonstrate feasibility of the transceiver design with a hardware platform suitable for SDR implementation

Active Buffer Development in CBM Experiment

Die Anforderungen an das Datenerfassungssystem (DAQ) des CBM Experiments an der GSI sind mit einer Datenrate von 1TB/s und einer Ereignisrate von 100 kHz sehr hoch und stellen auch im Vergleich zu anderen Experimenten in der Hochenergiephysik eine Herausforderung dar. Bei der Datennahme wird daher ein aktiver Zwischenspeicher („active buffer“) eingesetzt, der durch eine Vorsortierung der Datenfragmente und eine intelligente Übertragung in den Hostrechner den Aufbau der Datenstrukturen zur Ereignisverarbeitung unterstützt. Das Projekt erfordert ein modulares Framework und die Arbeit umfasst die Entwicklung, Verifikation und Test von FPGA Modulen zum effizienten Datentransfer, zur Zwischenspeicherung und zur Rekonfiguration, sowie von Software zur automatischen Transformation von HDL Beschreibungen. Die zentralen Bauteile dieses Zwischenspeichers sind ein leistungsfähiges FPGA zur Datenflusssteuerung und ein DDR2 SDRAM Modul mit einer Kapazität von 512MB. Durch eine spezielle Ansteuerungsmethode kann das Speichermodul zusammen mit den FPGA-internen Speicherelementen als leistungsfähiges, großes FIFO betrieben werden. Den Datantransfer vom Zwischenspeicher zum PC übernimmt eine spezielle DMA Einheit, die an den PCIe-Kern im FPGA angeschlossen ist. Die zwei DMA Kanäle arbeiten mit Scatter-Gather Unterstützung und erreichen beim Transfer zum PC 543 MB/s und in der Gegenrichtung 790MB/s. Die für die Vorsortierung wichtige Übertragung der Zeitstempel („epoch marker“) erfolgt ebenfalls mit einem DMA Kanal. Die Verifikation ist eine wichtige Stufe bei der Entwicklung einer umfangreichen FPGA Anwendungen wie des aktiven Zwischenspeichers. Daher wurden die HDL Module der Funktionen für das PCI Express „transaction layer“ mit einer Reihe unterschiedlicher Simulationsumgebungen verifiziert. Auf dieser Grundlage können Verbesserungen an der Funktionalität schnell und zuverlässig umgesetzt werden, womit eine konsistente Weiterentwicklung gewährleistet ist. Aufgrund der typischen PC-Architektur muss die PCIe-Einheit im FPGA bereits während des Startvorgangs funktionsfähig sein, wohingegen die eigentliche aktive Zwischenspeicherfunktion erst zusammen mit der entsprechenden Anwendungssoftware verfügbar sein muss. Strikte Modularisierung zusammen mit dynamischer, partieller Rekonfigurierung („DPR“) ermöglichen Veränderungen in der Zwischenspeicherfunktion zur Laufzeit. Ein weiter Grund für die Nutzung der DPR sind die Lizenzbedingungen der PCIe-Core-Implementierung mit Virtex4-FPGAs. DPR kann bei den FPGA Familien Virtex-4, -5 und -6 im Rahmen der „PlanAhead“ Software von Xilinx benutzt werden. DPR wird im Projekt im Sinne eines allgemeinen Coprozessors eingesetzt, indem die FPGA Konfiguration über die PCIe und die interne Konfigurationsschnittstelle („ICAP“) im FPGA nachgeladen wird. Um DPR bei hohen Taktgeschwindigkeiten einsetzen zu können, muss die Verbindungslogik zwischen den statischen und dynamischen Modulen speziellen Anforderungen genügen. Da die manuelle Anpassung existierenden Module an diese Anforderungen aufwändig und fehleranfällig ist, wurde das Programm „Logro“ entwickelt, das HDL Beschreibungen mittels einer speziellen Pipeline- Neustrukturierung automatisch so transformiert, dass die DPR Anforderungen erfüllt werden. Mit Logro V1.0 wurden dabei gute Ergebnisse erzielt, die hier vorgestellt werden