Elaboration of a Fault-tolerance strategy for space-borne digital signal processing applications

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, moderne Signalprozessoren in Bezug auf ihre Welt- raumtauglichkeit zu untersuchen, eine potentiell geeignete Komponente auszuwählen sowie nach Software-Algorithmen zur Erhöhung der Fehlertoleranz (FT) im Zusammenhang mit Single- Event-Effekten zu forschen. Dazu wurden sowohl reine Soft- und Hardware-Lösungen wie auch auch ein Hybridkonzept theoretisch untersucht sowie Messungen an einer Hardware-Realisierung durchgeführt und evaluiert. Das Hauptanwendungsgebiet einer derartigen DSP-Plattform liegt in den Bereichen der Datenkompression und Bildverarbeitung und umfasst unter anderem Fil- terung, Dezimation, Kodierung und Spektralanalyse. Da es bei diesen Anwendungen um größt- möglichen Datendurchsatz geht, FT-Algorithmen aber funktionsbedingt Prozessor-Ressource stark beanspruchen, war einerseits der FT-Algorithmenwahl besondere Beachtung zu schenken, andererseits mussten innovative Methoden zur Verschränkung von FT- und DSP-Algorithmen gefunden werden, um deren ursprünglich individuell optimierte Eigenschaften auch in der Kom- bination zu erhalten und darüber hinaus die Möglichkeit zur Weiterentwicklung und Wartung nach diesen Konzepten entstandener Flug-Software zu gewährleisten. Auf experimentellem Weg konnte gezeigt werden, dass reine Software Lösungen zwar wirtschaftlich interessant sind, aber den gestellten Anforderungen in Bezug auf Verlässlichkeit nicht gerecht werden. Demonstriert wurde aber auch, dass alle zu Beginn der Arbeit gestellten Ziele erfüllt werden können, wenn die Softwaremethoden durch externe Hardware in Form eines FT-Controllers unterstützt werden.<br />

The objectives of the present thesis have been the selection of a modern programmable DSP as well as the identification, derivation, evaluation and experimental validation of fault- tolerance (FT) mechanisms such as software-based FT, an external FT-controller as well as a combination thereof, to be applied to this component in order to establish a spaceborne DSP- system satisfying payload dependability requirements. Typical applications of such a system are data and image processing, including filtering, decimation, coding and spectral analysis. Careful selection of FT-methods as well as optimal alloying of FT- and DSP-algorithms has been shown to be crucial for maintaining the full performance of either algorithm class and for ensuring software-product maintainability. Statistical measurements performed with the most promising candidate FT-mechanisms integrated along with typical DSP-algorithms have shown that software-only solutions, although economically attractive, fail in providing the required vavailability in combination with the desired processing power, while these goals can be fully met, if software FT-techniques are combined with an external FT-controller.