1．引言

隨著衛星通信系統的迅速發展，空間鏈路能提供的數據傳輸速率越來越高，允許各類衛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處理，但是對于一些小型衛星，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（ 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委員會（CCSDS）于 1986年提出了AOS建議書，提供比常規建議書更為多樣、靈活的數據處理業務，以應對高級在軌系統、國際空間站等復雜系統的需要。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 系統總體技術方案

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

3.3 存儲和調度算法設計

AOS高速實時 /回放分級復接器的設計重點在于虛擬信道調度的算法。高速率、高信道利用率的虛擬信道調度策略的設計是分級復接器設計的關鍵技術之一。調度策略算法的合理設計將保證AOS高速實時 /回放分級復接器能夠高效、有序地完成存儲和復接傳輸的功能任務。本設計的虛擬信道調度算法框圖如圖 2所示。

內容

在各級工作狀態下，首先由信源速率確定各虛擬信道的優先級。然后復接器根據各數據源緩存區和存儲單元的存儲空滿狀況確定接入的虛擬信道。

在第一級復用狀態下，被選擇接入的虛擬信道業務數據單元將以CCSDS AOS的標準幀格式存入存儲單元，存儲單元的寫使能僅在接入有效數據幀時打開，保證只有有效的數據幀才能進入存儲單元，以節省存儲空間。進入在第二級復用狀態以后，存儲單元中的歷史數據與其他路實時數據一起復接下行，各路異步數據緩存根據現有存儲狀況向虛擬信道調度模塊發出傳輸請求，虛擬信道調度模塊根據優先級策略選擇接入的異步信道。如果沒有有效的異步數據，則根據填充機制發送填充數據。

對于AOS高速實時/回放分級復接器而言，傳輸幀主幀頭中的虛擬信道標識、虛擬信道幀計數和回放標志的設計是存儲和虛擬信道調度的關鍵標識。虛擬信道標識區分了接入信道的各路數據，回放標志區分了實時數據和歷史數據，而虛擬信道幀計數記錄了每一路信道各幀數據的先后順序。為了保證地面接收到載荷數據以后可以完整、無誤、便捷地還原歷史數據，兩級復接成幀時使用了統一的虛擬信道幀計數和虛擬信道標識。這樣在發送端經過兩次復接之后下行的數據，在地面接收端只要進行一次解幀就可以還原。因此使用這種靈活的設計，不必改變現有的地面接收設備，使AOS高速實時/回放分級復接器具有很強的可移植性。兩級復接后歷史數據信道主幀頭的仿真結果如圖 3所示。

3.4 硬件驗證演示系統及測試結果

搭建如圖4所示的驗證演示系統，對AOS高速實時 /回放分級復接器的功能進行驗證。在演示系統的發送端，圖像數據轉換為碼流，和科學實驗數據一起作為高速分級復接器的信號源，進入復接器為信號源準備的緩存區中。經高速分級復接器復接下行后，成為一路串行輸出。接收端將接收到的串行碼流經過幀同步后送到接收與分路處理設備進行虛擬信道分路，并提取各虛擬信道的業務數據單元，最后送到計算機終端，在計算機終端可以分別看到恢復完整的科學實驗數據和圖像數據。

測試結果表明， AOS高速實時/回放分級復接器可以較好地進行存儲和復接任務，各虛擬信道數據保持流暢，無丟失現象，串行輸出速率為50Mbps。

4．結束語

本文介紹了 CCSDS協議高級在軌系統的復用方式和AOS傳輸幀結構，提出了兩級復用的構想，探討了AOS實時/回放分級復接器的硬件實現和技術方案。由于采用FPGA大規模邏輯器件，同時對AOS協議進行了合理的剪裁，使設計體積小、性能靈活且易于移植。本課題的研究將為航天應用工程中數據處理關鍵設備的集成提供思路，對進一步研制輕小靈活、高效適用的星載數據管理設備具有指導意義。