基于FPGA的高速實時/回放分級復(fù)接器設(shè)計

摘要：利用國際空間數(shù)據(jù)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(fù)用的方案，設(shè)計了一種具有載荷數(shù)據(jù)存儲功能的高速實時/回放分級復(fù)接器。該方案采用FPGA技術(shù),對星上載荷輸出的數(shù)據(jù)使用了兩級全異步復(fù)用的策略進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和虛擬信道調(diào)度。試驗結(jié)果表明該復(fù)接器較好地實現(xiàn)了載荷數(shù)據(jù)的存儲和復(fù)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(shù)據(jù)傳輸速率越來越高，允許各類衛(wèi)星平臺上能夠應(yīng)用產(chǎn)生大量高速實時數(shù)據(jù)的有效載荷。由于各載荷的工作模式，數(shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)格式、速率和實時性要求各異，空地之間數(shù)據(jù)傳輸交互時間短且容易中斷，星載數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有大容量存儲和高速處理能力，能夠在數(shù)據(jù)下行至地面之前對其進(jìn)行存儲、復(fù)接和其他準(zhǔn)備工作。

高速復(fù)接器在空間數(shù)據(jù)傳輸中負(fù)責(zé)將有效載荷產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)復(fù)接下行，新的數(shù)據(jù)傳輸需求也對高速復(fù)接器的性能和靈活性提出了新的要求。傳統(tǒng)的星載數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通常將載荷數(shù)據(jù)的復(fù)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(shù)據(jù)量（如科學(xué)實驗數(shù)據(jù)，圖像觀測數(shù)據(jù)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(fù)接器和大容量存儲器的設(shè)計、實現(xiàn)和協(xié)作也較為復(fù)雜。針對這種需求，本文提出了兩級復(fù)用的理念，為高速復(fù)接器加入了數(shù)據(jù)存儲的功能,參照 CCSDS AOS建議，提出將數(shù)據(jù)的實時傳送和非實時回放統(tǒng)一起來處理的兩級復(fù)用方案，基于 FPGA技術(shù)設(shè)計和探討了小型、靈活的高速實時 /回放分級復(fù)接器的硬件實現(xiàn)和技術(shù)方案，以實現(xiàn)星上有效載荷數(shù)據(jù)的復(fù)接、存儲和回放功能的集成化。

2．AOS高速實時/回放分級復(fù)接的研究

2.1 高級在軌系統(tǒng)（ AOS）及虛擬信道復(fù)接為了應(yīng)對新的空間需求，國際空間數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)，以應(yīng)對高級在軌系統(tǒng)、國際空間站等復(fù)雜系統(tǒng)的需要。CCSDS協(xié)議提供給AOS空間鏈路子網(wǎng)的一個關(guān)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(shù)據(jù)流，各數(shù)據(jù)流可以使用不同的業(yè)務(wù)，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(shù)據(jù)流以時分復(fù)用的方式共享，多種不同類型的數(shù)據(jù)在一個物理信道上傳輸成為可能，從而奠定了復(fù)接的理論基礎(chǔ)。

2.2 兩級復(fù)用方式的提出

虛擬信道時分復(fù)用物理信道，對物理信道按照一定的復(fù)用方法進(jìn)行動態(tài)管理。由于高速實時/回放分級復(fù)接器需要完成存儲和復(fù)接兩方面的任務(wù)，單純使用一級異步復(fù)用很難完全實現(xiàn)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(fù)用的構(gòu)想。在原有的虛擬信道復(fù)接之前增加一級存儲的過程，兩級虛擬信道復(fù)用均采用全異步復(fù)用方式。第 1級復(fù)用，根據(jù)信道優(yōu)先級生成AOS傳輸幀，將有效的數(shù)據(jù)幀存入存儲單元成為歷史數(shù)據(jù)。第 2級復(fù)用，再次采用異步復(fù)用方式，根據(jù)信道優(yōu)先級選擇信道，將各路實時數(shù)據(jù)和一路歷史數(shù)據(jù)按照一定的信道調(diào)度算法按照AOS傳輸幀的格式混合復(fù)接下行。

3．高速實時/回放分級復(fù)接器的技術(shù)方案

3.1 FPGA芯片選擇

本設(shè)計選用90nm工藝技術(shù)的150萬門XILINX SPARTAN-XC3S1500芯片。由于復(fù)接器需要的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸率，能滿足設(shè)計的要求。其算術(shù)處理功能也能滿足相對復(fù)雜的計算要求。這款芯片既能滿足較為復(fù)雜的時序功能，又能解決速度快、功耗小、集成度高、設(shè)計靈活等技術(shù)要求。

3.2 系統(tǒng)總體技術(shù)方案

為了節(jié)省星上資源，提高載荷數(shù)據(jù)處理的靈活性，本文應(yīng)用提出兩級復(fù)用的理念，基于FPGA技術(shù)設(shè)計了工作于空間數(shù)據(jù)鏈路層的 AOS高速實時/回放分級復(fù)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(fù)接器功能框圖

3.3 存儲和調(diào)度算法設(shè)計

AOS高速實時 /回放分級復(fù)接器的設(shè)計重點在于虛擬信道調(diào)度的算法。高速率、高信道利用率的虛擬信道調(diào)度策略的設(shè)計是分級復(fù)接器設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。調(diào)度策略算法的合理設(shè)計將保證AOS高速實時 /回放分級復(fù)接器能夠高效、有序地完成存儲和復(fù)接傳輸?shù)墓δ苋蝿?wù)。本設(shè)計的虛擬信道調(diào)度算法框圖如圖 2所示。

在各級工作狀態(tài)下，首先由信源速率確定各虛擬信道的優(yōu)先級。然后復(fù)接器根據(jù)各數(shù)據(jù)源緩存區(qū)和存儲單元的存儲空滿狀況確定接入的虛擬信道。

在第一級復(fù)用狀態(tài)下，被選擇接入的虛擬信道業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元將以CCSDS AOS的標(biāo)準(zhǔn)幀格式存入存儲單元，存儲單元的寫使能僅在接入有效數(shù)據(jù)幀時打開，保證只有有效的數(shù)據(jù)幀才能進(jìn)入存儲單元，以節(jié)省存儲空間。進(jìn)入在第二級復(fù)用狀態(tài)以后，存儲單元中的歷史數(shù)據(jù)與其他路實時數(shù)據(jù)一起復(fù)接下行，各路異步數(shù)據(jù)緩存根據(jù)現(xiàn)有存儲狀況向虛擬信道調(diào)度模塊發(fā)出傳輸請求，虛擬信道調(diào)度模塊根據(jù)優(yōu)先級策略選擇接入的異步信道。如果沒有有效的異步數(shù)據(jù)，則根據(jù)填充機制發(fā)送填充數(shù)據(jù)。

對于AOS高速實時/回放分級復(fù)接器而言，傳輸幀主幀頭中的虛擬信道標(biāo)識、虛擬信道幀計數(shù)和回放標(biāo)志的設(shè)計是存儲和虛擬信道調(diào)度的關(guān)鍵標(biāo)識。虛擬信道標(biāo)識區(qū)分了接入信道的各路數(shù)據(jù)，回放標(biāo)志區(qū)分了實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，而虛擬信道幀計數(shù)記錄了每一路信道各幀數(shù)據(jù)的先后順序。為了保證地面接收到載荷數(shù)據(jù)以后可以完整、無誤、便捷地還原歷史數(shù)據(jù)，兩級復(fù)接成幀時使用了統(tǒng)一的虛擬信道幀計數(shù)和虛擬信道標(biāo)識。這樣在發(fā)送端經(jīng)過兩次復(fù)接之后下行的數(shù)據(jù)，在地面接收端只要進(jìn)行一次解幀就可以還原。因此使用這種靈活的設(shè)計，不必改變現(xiàn)有的地面接收設(shè)備，使AOS高速實時/回放分級復(fù)接器具有很強的可移植性。兩級復(fù)接后歷史數(shù)據(jù)信道主幀頭的仿真結(jié)果如圖 3所示。

3.4 硬件驗證演示系統(tǒng)及測試結(jié)果

搭建如圖4所示的驗證演示系統(tǒng)，對AOS高速實時 /回放分級復(fù)接器的功能進(jìn)行驗證。在演示系統(tǒng)的發(fā)送端，圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為碼流，和科學(xué)實驗數(shù)據(jù)一起作為高速分級復(fù)接器的信號源，進(jìn)入復(fù)接器為信號源準(zhǔn)備的緩存區(qū)中。經(jīng)高速分級復(fù)接器復(fù)接下行后，成為一路串行輸出。接收端將接收到的串行碼流經(jīng)過幀同步后送到接收與分路處理設(shè)備進(jìn)行虛擬信道分路，并提取各虛擬信道的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元，最后送到計算機終端，在計算機終端可以分別看到恢復(fù)完整的科學(xué)實驗數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)。

測試結(jié)果表明， AOS高速實時/回放分級復(fù)接器可以較好地進(jìn)行存儲和復(fù)接任務(wù)，各虛擬信道數(shù)據(jù)保持流暢，無丟失現(xiàn)象，串行輸出速率為50Mbps。

4．結(jié)束語

本文介紹了 CCSDS協(xié)議高級在軌系統(tǒng)的復(fù)用方式和AOS傳輸幀結(jié)構(gòu)，提出了兩級復(fù)用的構(gòu)想，探討了AOS實時/回放分級復(fù)接器的硬件實現(xiàn)和技術(shù)方案。由于采用FPGA大規(guī)模邏輯器件，同時對AOS協(xié)議進(jìn)行了合理的剪裁，使設(shè)計體積小、性能靈活且易于移植。本課題的研究將為航天應(yīng)用工程中數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵設(shè)備的集成提供思路，對進(jìn)一步研制輕小靈活、高效適用的星載數(shù)據(jù)管理設(shè)備具有指導(dǎo)意義。

本文作者創(chuàng)新點：第一，提出了兩級復(fù)用的理念，充分利用全異步復(fù)用靈活及高效的特點，通過對CCSDS AOS協(xié)議進(jìn)行合理的剪裁，使兩級復(fù)用相互配合，完成兼顧存儲、復(fù)接和回放的任務(wù)。第二，給出了基于FPGA的AOS實時/回放分級復(fù)接器的完整設(shè)計方案，設(shè)計思想靈活，在發(fā)送端經(jīng)過兩次復(fù)接之后下行的數(shù)據(jù)，在地面接收端只要進(jìn)行一次解幀就可以還原，不必改變原有的地面接收設(shè)備，具有很強的可移植性。