基于FPGA的高速實時/回放分級復接器設計

摘要：利用國際空間數據系統(tǒng)咨詢委員會 (CCSDS)高級在軌系統(tǒng)(AOS)建議，提出了兩級復用的方案，設計了一種具有載荷數據存儲功能的高速實時/回放分級復接器。該方案采用FPGA技術,對星上載荷輸出的數據使用了兩級全異步復用的策略進行數據存儲和虛擬信道調度。試驗結果表明該復接器較好地實現了載荷數據的存儲和復接功能的集成，并且功能靈活，硬件資源利用率小。

1．引言

隨著衛(wèi)星通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展，空間鏈路能提供的數據傳輸速率越來越高，允許各類衛(wèi)星平臺上能夠應用產生大量高速實時數據的有效載荷。由于各載荷的工作模式，數據量，數據格式、速率和實時性要求各異，空地之間數據傳輸交互時間短且容易中斷，星載數據處理系統(tǒng)應當具有大容量存儲和高速處理能力，能夠在數據下行至地面之前對其進行存儲、復接和其他準備工作。

高速復接器在空間數據傳輸中負責將有效載荷產生的各種數據復接下行，新的數據傳輸需求也對高速復接器的性能和靈活性提出了新的要求。傳統(tǒng)的星載數據處理系統(tǒng)通常將載荷數據的復接和大容量存儲分開處理，但是對于一些小型衛(wèi)星，需要存儲的數據量（如科學實驗數據，圖像觀測數據等）并不是特別大，對實時性要求也不高。如果采用傳統(tǒng)的處理方法將會占用比較多的星載資源，高速復接器和大容量存儲器的設計、實現和協作也較為復雜。針對這種需求，本文提出了兩級復用的理念，為高速復接器加入了數據存儲的功能,參照 CCSDS AOS建議，提出將數據的實時傳送和非實時回放統(tǒng)一起來處理的兩級復用方案，基于 FPGA技術設計和探討了小型、靈活的高速實時 /回放分級復接器的硬件實現和技術方案，以實現星上有效載荷數據的復接、存儲和回放功能的集成化。

2．AOS高速實時/回放分級復接的研究

2.1 高級在軌系統(tǒng)（ AOS）及虛擬信道復接為了應對新的空間需求，國際空間數據系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）于 1986年提出了AOS建議書，提供比常規(guī)建議書更為多樣、靈活的數據處理業(yè)務，以應對高級在軌系統(tǒng)、國際空間站等復雜系統(tǒng)的需要。CCSDS協議提供給AOS空間鏈路子網的一個關鍵特性是虛擬信道的概念。將一個物理信道劃分成多個邏輯信道，每個邏輯信道被單獨識別并傳輸一種數據流，各數據流可以使用不同的業(yè)務，一個邏輯信道就是一個虛擬信道。虛擬信道使得一個物理空間信道被多個高層數據流以時分復用的方式共享，多種不同類型的數據在一個物理信道上傳輸成為可能，從而奠定了復接的理論基礎。

2.2 兩級復用方式的提出

虛擬信道時分復用物理信道，對物理信道按照一定的復用方法進行動態(tài)管理。由于高速實時/回放分級復接器需要完成存儲和復接兩方面的任務，單純使用一級異步復用很難完全實現其需求。因此，本文對CCSDS高級在軌協議進行了合理剪裁，提出了兩級復用的構想。在原有的虛擬信道復接之前增加一級存儲的過程，兩級虛擬信道復用均采用全異步復用方式。第 1級復用，根據信道優(yōu)先級生成AOS傳輸幀，將有效的數據幀存入存儲單元成為歷史數據。第 2級復用，再次采用異步復用方式，根據信道優(yōu)先級選擇信道，將各路實時數據和一路歷史數據按照一定的信道調度算法按照AOS傳輸幀的格式混合復接下行。

3．高速實時/回放分級復接器的技術方案

3.1 FPGA芯片選擇

本設計選用90nm工藝技術的150萬門XILINX SPARTAN-XC3S1500芯片。由于復接器需要的數據輸入輸出速率較高，因此對于FPGA芯片的 I/O速度要求較高。SPARTAN-XC3S1500芯片每個I/O口支持 622Mb/s的數據傳輸率，能滿足設計的要求。其算術處理功能也能滿足相對復雜的計算要求。這款芯片既能滿足較為復雜的時序功能，又能解決速度快、功耗小、集成度高、設計靈活等技術要求。

3.2 系統(tǒng)總體技術方案

為了節(jié)省星上資源，提高載荷數據處理的靈活性，本文應用提出兩級復用的理念，基于FPGA技術設計了工作于空間數據鏈路層的 AOS高速實時/回放分級復接器，整體功能框圖如圖 1所示。

圖 1 CCSDS AOS高速實時 /回放分級復接器功能框圖