基于FPGA的高速实时/回放分级复接器设计

摘要：利用国际空间数据系统咨询委员会 (CCSDS)高级在轨系统(AOS)建议，提出了两级复用的方案，设计了一种具有载荷数据存储功能的高速实时/回放分级复接器。该方案采用FPGA技术,对星上载荷输出的数据使用了两级全异步复用的策略进行数据存储和虚拟信道调度。试验结果表明该复接器较好地实现了载荷数据的存储和复接功能的集成，并且功能灵活，硬件资源利用率小。

1．引言

随着卫星通信系统的迅速发展，空间链路能提供的数据传输速率越来越高，允许各类卫星平台上能够应用产生大量高速实时数据的有效载荷。由于各载荷的工作模式，数据量，数据格式、速率和实时性要求各异，空地之间数据传输交互时间短且容易中断，星载数据处理系统应当具有大容量存储和高速处理能力，能够在数据下行至地面之前对其进行存储、复接和其他准备工作。

高速复接器在空间数据传输中负责将有效载荷产生的各种数据复接下行，新的数据传输需求也对高速复接器的性能和灵活性提出了新的要求。传统的星载数据处理系统通常将载荷数据的复接和大容量存储分开处理，但是对于一些小型卫星，需要存储的数据量（如科学实验数据，图像观测数据等）并不是特别大，对实时性要求也不高。如果采用传统的处理方法将会占用比较多的星载资源，高速复接器和大容量存储器的设计、实现和协作也较为复杂。针对这种需求，本文提出了两级复用的理念，为高速复接器加入了数据存储的功能,参照 CCSDS AOS建议，提出将数据的实时传送和非实时回放统一起来处理的两级复用方案，基于 FPGA技术设计和探讨了小型、灵活的高速实时 /回放分级复接器的硬件实现和技术方案，以实现星上有效载荷数据的复接、存储和回放功能的集成化。

2．AOS高速实时/回放分级复接的研究

2.1 高级在轨系统（ AOS）及虚拟信道复接为了应对新的空间需求，国际空间数据系统咨询委员会（CCSDS）于 1986年提出了AOS建议书，提供比常规建议书更为多样、灵活的数据处理业务，以应对高级在轨系统、国际空间站等复杂系统的需要。CCSDS协议提供给AOS空间链路子网的一个关键特性是虚拟信道的概念。将一个物理信道划分成多个逻辑信道，每个逻辑信道被单独识别并传输一种数据流，各数据流可以使用不同的业务，一个逻辑信道就是一个虚拟信道。虚拟信道使得一个物理空间信道被多个高层数据流以时分复用的方式共享，多种不同类型的数据在一个物理信道上传输成为可能，从而奠定了复接的理论基础。

2.2 两级复用方式的提出

虚拟信道时分复用物理信道，对物理信道按照一定的复用方法进行动态管理。由于高速实时/回放分级复接器需要完成存储和复接两方面的任务，单纯使用一级异步复用很难完全实现其需求。因此，本文对CCSDS高级在轨协议进行了合理剪裁，提出了两级复用的构想。在原有的虚拟信道复接之前增加一级存储的过程，两级虚拟信道复用均采用全异步复用方式。第 1级复用，根据信道优先级生成AOS传输帧，将有效的数据帧存入存储单元成为历史数据。第 2级复用，再次采用异步复用方式，根据信道优先级选择信道，将各路实时数据和一路历史数据按照一定的信道调度算法按照AOS传输帧的格式混合复接下行。

3．高速实时/回放分级复接器的技术方案

3.1 FPGA芯片选择

本设计选用90nm工艺技术的150万门XILINX SPARTAN-XC3S1500芯片。由于复接器需要的数据输入输出速率较高，因此对于FPGA芯片的 I/O速度要求较高。SPARTAN-XC3S1500芯片每个I/O口支持 622Mb/s的数据传输率，能满足设计的要求。其算术处理功能也能满足相对复杂的计算要求。这款芯片既能满足较为复杂的时序功能，又能解决速度快、功耗小、集成度高、设计灵活等技术要求。

3.2 系统总体技术方案

为了节省星上资源，提高载荷数据处理的灵活性，本文应用提出两级复用的理念，基于FPGA技术设计了工作于空间数据链路层的 AOS高速实时/回放分级复接器，整体功能框图如图 1所示。

图 1 CCSDS AOS高速实时 /回放分级复接器功能框图