基于FPGA的高速實時/回放分級復接器設計

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。

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。

本文作者創新點：第一，提出了兩級復用的理念，充分利用全異步復用靈活及高效的特點，通過對CCSDS AOS協議進行合理的剪裁，使兩級復用相互配合，完成兼顧存儲、復接和回放的任務。第二，給出了基于FPGA的AOS實時/回放分級復接器的完整設計方案，設計思想靈活，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，不必改變原有的地面接收設備，具有很強的可移植性。