基于FPGA的高速實(shí)時(shí)/回放分級復接器設計

摘要：利用國際空間數據系統咨詢(xún)委員會(huì ) (CCSDS)高級在軌系統(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(shí)時(shí)/回放分級復接器。該方案采用FPGA技術(shù),對星上載荷輸出的數據使用了兩級全異步復用的策略進(jìn)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(shí)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(zhù)衛星通信系統的迅速發(fā)展，空間鏈路能提供的數據傳輸速率越來(lái)越高，允許各類(lèi)衛星平臺上能夠應用產(chǎn)生大量高速實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性要求各異，空地之間數據傳輸交互時(shí)間短且容易中斷，星載數據處理系統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(jìn)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(chǎn)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。傳統的星載數據處理系統通常將載荷數據的復接和大容量存儲分開(kāi)處理，但是對于一些小型衛星，需要存儲的數據量（如科學(xué)實(shí)驗數據，圖像觀(guān)測數據等）并不是特別大，對實(shí)時(shí)性要求也不高。如果采用傳統的處理方法將會(huì )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(shí)現和協(xié)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(shí)時(shí)傳送和非實(shí)時(shí)回放統一起來(lái)處理的兩級復用方案，基于 FPGA技術(shù)設計和探討了小型、靈活的高速實(shí)時(shí) /回放分級復接器的硬件實(shí)現和技術(shù)方案，以實(shí)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(shí)時(shí)/回放分級復接的研究

2.1 高級在軌系統（ AOS）及虛擬信道復接為了應對新的空間需求，國際空間數據系統咨詢(xún)委員會(huì )（CCSDS）于 1986年提出了AOS建議書(shū)，提供比常規建議書(shū)更為多樣、靈活的數據處理業(yè)務(wù)，以應對高級在軌系統、國際空間站等復雜系統的需要。CCSDS協(xié)議提供給AOS空間鏈路子網(wǎng)的一個(gè)關(guān)鍵特性是虛擬信道的概念。將一個(gè)物理信道劃分成多個(gè)邏輯信道，每個(gè)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(wù)，一個(gè)邏輯信道就是一個(gè)虛擬信道。虛擬信道使得一個(gè)物理空間信道被多個(gè)高層數據流以時(shí)分復用的方式共享，多種不同類(lèi)型的數據在一個(gè)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(shí)分復用物理信道，對物理信道按照一定的復用方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。由于高速實(shí)時(shí)/回放分級復接器需要完成存儲和復接兩方面的任務(wù)，單純使用一級異步復用很難完全實(shí)現其需求。因此，本文對CCSDS高級在軌協(xié)議進(jìn)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(guò)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)/回放分級復接器的技術(shù)方案

3.1 FPGA芯片選擇

本設計選用90nm工藝技術(shù)的150萬(wàn)門(mén)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(gè)I/O口支持 622Mb/s的數據傳輸率，能滿(mǎn)足設計的要求。其算術(shù)處理功能也能滿(mǎn)足相對復雜的計算要求。這款芯片既能滿(mǎn)足較為復雜的時(shí)序功能，又能解決速度快、功耗小、集成度高、設計靈活等技術(shù)要求。

3.2 系統總體技術(shù)方案

為了節省星上資源，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(shù)設計了工作于空間數據鏈路層的 AOS高速實(shí)時(shí)/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(shí)時(shí) /回放分級復接器功能框圖