姚 彬,楊文彬,薛仁魁(北京東方計(jì)量測試研究所)

在現(xiàn)代社會(huì)中，通信技術(shù)占有重要地位，保持通信基礎(chǔ)設(shè)施的安全穩(wěn)定運(yùn)行，是保證社會(huì)信息交互可靠的關(guān)鍵。其中基于FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用十分廣泛，并且隨著天通衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，可以開發(fā)出基于FPGA的天通衛(wèi)星終端信號(hào)采集系統(tǒng)，從而更好地滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)通信技術(shù)的需求。本文對(duì)基于FPGA的天通衛(wèi)星終端信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了分析，并以《Xilinx FPGA數(shù)字信號(hào)處理設(shè)計(jì)-基礎(chǔ)版》為例進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，對(duì)于提高天通衛(wèi)星終端信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)水平具有一定的價(jià)值。同時(shí)對(duì)基于FPGA的天通衛(wèi)星終端信號(hào)采集系統(tǒng)中的功能模塊進(jìn)行了介紹，以下進(jìn)行具體的介紹。

1 基于FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析

基于FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用，在該系統(tǒng)中主要是對(duì)ADC和DAC的使用。主要實(shí)現(xiàn)功能流程為：首先通過串口向FPGA發(fā)送控制信號(hào)，控制DAC芯片tlv5618進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存在ROM中，轉(zhuǎn)換開始時(shí)讀取ROM中數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取轉(zhuǎn)換。其次用按鍵控制adc128s052進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換100次，模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FIFO中，再從FIFO中讀取數(shù)據(jù)通過串口輸出顯示在PC上，其整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

從圖1可以看出，該系統(tǒng)主要包括9個(gè)模塊：串口接收模塊、按鍵消抖模塊、按鍵控制模塊、ROM模塊、DAC驅(qū)動(dòng)模塊、ADC驅(qū)動(dòng)模塊、同步FIFO模塊、FIFO控制模塊、串口發(fā)送模塊。各個(gè)模塊的作用如下：串口接收模塊完成串口數(shù)據(jù)接收，將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)輸出。按鍵消抖模塊進(jìn)行按鍵消抖，可輸出一個(gè)脈沖按鍵按下標(biāo)志和按鍵按下時(shí)間標(biāo)志。按鍵控制模塊，當(dāng)在DA一直輸出模擬信號(hào)時(shí)，按下按鍵控制ADC轉(zhuǎn)換100次。ROM模塊，存儲(chǔ)DA轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，可存放正弦波形數(shù)據(jù)。DAC驅(qū)動(dòng)模塊，數(shù)模轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)模塊，與外部DAC芯片相連，提供DAC芯片時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)等。ADC驅(qū)動(dòng)模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)模塊，與外部ADC芯片相連，提供ADC芯片時(shí)鐘和控制信號(hào)等。同步FIFO模塊，存放ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。FIFO控制模塊，當(dāng)FIFO中有數(shù)據(jù)時(shí)，將FIFO中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可以UART串口發(fā)送的數(shù)據(jù)。串口發(fā)送模塊，經(jīng)過FIFO控制模塊轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送模塊發(fā)送到串口，顯示在PC端。DAC控制模塊，當(dāng)接收串口指定的指令時(shí)，開始將ROM的正弦數(shù)據(jù)進(jìn)行DAC轉(zhuǎn)換。

2 基于FPGA的天通衛(wèi)星終端信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 基于FPGA的天通衛(wèi)星終端信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

當(dāng)前天通衛(wèi)星技術(shù)正在快速發(fā)展，利用該技術(shù)所開發(fā)出的終端也逐漸應(yīng)用在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域中。通過天通衛(wèi)星終端信號(hào)采集系統(tǒng)，可以采集衛(wèi)星所發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)度、終端設(shè)備的運(yùn)行功耗等數(shù)據(jù)，從而滿足實(shí)際的應(yīng)用需求。同時(shí)為了強(qiáng)化這些數(shù)據(jù)信息的管理，可以構(gòu)建基于FPGA的天通衛(wèi)星終端信號(hào)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，并將所采集到的數(shù)據(jù)信息自動(dòng)入庫。同時(shí)通過可視化技術(shù)，將所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)以圖形化的方式展示出來。在數(shù)據(jù)信息的通信過程中，首先需要將所采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，之后再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，這樣就可以有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。在?shù)據(jù)壓縮的過程中，應(yīng)該采取無損壓縮技術(shù)，對(duì)于視頻或者是圖像等數(shù)據(jù)，可以采用有損壓縮技術(shù)，這樣就可以降低數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。對(duì)于數(shù)據(jù)加密算法，可以選取對(duì)稱加密算法，并采用多個(gè)不同的密鑰，對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行多次加密，這樣也能夠使得數(shù)據(jù)信息的安全性更高。同時(shí)對(duì)于加密過程中所采用到的密鑰，也應(yīng)采取動(dòng)態(tài)分配的機(jī)制，并對(duì)密鑰定期進(jìn)行修改，這樣也能夠在一定程度上提高數(shù)據(jù)的安全性。

在基于FPGA的天通衛(wèi)星終端信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，由于衛(wèi)星通信在網(wǎng)絡(luò)帶寬上會(huì)受到一定的限制，故在通信機(jī)制的制定中，應(yīng)構(gòu)建出合理的通信機(jī)制，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?。在具體的數(shù)據(jù)傳輸過程中，應(yīng)根據(jù)所接收到的信號(hào)強(qiáng)弱程度，來對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇笮『蛡鬏數(shù)乃俣冗M(jìn)行動(dòng)態(tài)的控制。在基于FPGA的天通衛(wèi)星終端信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，可以采取斷點(diǎn)續(xù)傳技術(shù)，保證數(shù)據(jù)包能夠得到靈活的接收和傳輸。

2.2 基于FPGA的天通衛(wèi)星終端信號(hào)采集系統(tǒng)的功能模塊

在基于FPGA的天通衛(wèi)星終端信號(hào)采集系統(tǒng)當(dāng)中，需要設(shè)計(jì)多個(gè)不同的功能模塊，不同功能模塊分別扮演著不同的角色，以實(shí)現(xiàn)模塊化的設(shè)計(jì)。首先需要采用到現(xiàn)場管理模塊，這樣就能夠?qū)μ焱ㄐl(wèi)星中的速度、信號(hào)強(qiáng)度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視和管理。二是歷史數(shù)據(jù)查詢功能模塊，這樣就可以調(diào)取進(jìn)入數(shù)據(jù)庫當(dāng)中的關(guān)鍵信息，并對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)中所存在的規(guī)律。三是數(shù)據(jù)信息共享功能模塊，所采集到的數(shù)據(jù)信息可以提供給其他系統(tǒng)或用戶使用，從而提高數(shù)據(jù)信息的價(jià)值。

3 評(píng)《Xilinx FPGA數(shù)字信號(hào)處理設(shè)計(jì)-基礎(chǔ)版》

掌握FPGA數(shù)字信號(hào)處理設(shè)計(jì)需滿足三個(gè)條件：熟悉FPGA設(shè)計(jì)方法、理解數(shù)字信號(hào)處理理論、掌握理論的工程實(shí)現(xiàn)方法。在《Xilinx FPGA數(shù)字信號(hào)處理設(shè)計(jì)-基礎(chǔ)版》書中，主要包括FPGA基本概念、設(shè)計(jì)語言及環(huán)境、FPGA設(shè)計(jì)流程、常用接口設(shè)計(jì)等內(nèi)容。通過上篇的學(xué)習(xí)，使對(duì)讀者初步建立FPGA設(shè)計(jì)的概念和基本方法，了解數(shù)字信號(hào)處理FPGA設(shè)計(jì)的常用知識(shí)。下篇主要包括FPGA中數(shù)字的運(yùn)算、典型IP核設(shè)計(jì)、FIR濾波器設(shè)計(jì)、IIR濾波器設(shè)計(jì)和FFT變換設(shè)計(jì)。數(shù)字信號(hào)處理設(shè)計(jì)的基石是濾波器設(shè)計(jì)和頻譜分析。

該書通過實(shí)際的案例，對(duì)FPGA設(shè)計(jì)的基本原理進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和闡述，并對(duì)具體的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行了分析。同時(shí)還通過仿真分析，對(duì)測試的過程進(jìn)行了介紹，這樣就可以使得讀者更好地掌握FPGA設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，并為數(shù)字信號(hào)處理等技術(shù)的學(xué)習(xí)打下一定的基礎(chǔ)。在該書的下篇當(dāng)中，還對(duì)濾波器的設(shè)計(jì)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)頻譜分析等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。通過采取濾波器，能夠更好地提高信號(hào)的質(zhì)量。通過采用數(shù)字信號(hào)頻譜分析，能夠分析出信號(hào)當(dāng)中各個(gè)主要成分，從而更好地對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。通過對(duì)該書的學(xué)習(xí)，能夠很好地掌握FPGA數(shù)字信號(hào)處理設(shè)計(jì)技術(shù)。

4 結(jié) 論

當(dāng)前通信技術(shù)正在快速發(fā)展，每年都會(huì)涌現(xiàn)出新型的通信技術(shù)，對(duì)于促進(jìn)社會(huì)的發(fā)展具有重要的意義。本書評(píng)系統(tǒng)分析了基于FPGA的天通衛(wèi)星終端信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)原理，并對(duì)《Xilinx FPGA數(shù)字信號(hào)處理設(shè)計(jì)-基礎(chǔ)版》進(jìn)行了點(diǎn)評(píng)，對(duì)于促進(jìn)通信技術(shù)的發(fā)展具有一定的意義。