基于FPGA的天通衛(wèi)星終端信號采集系統(tǒng)設計研究
——評《Xilinx FPGA數(shù)字信號處理設計-基礎版》

姚 彬,楊文彬,薛仁魁(北京東方計量測試研究所)

在現(xiàn)代社會中，通信技術占有重要地位，保持通信基礎設施的安全穩(wěn)定運行，是保證社會信息交互可靠的關鍵。其中基于FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應用十分廣泛，并且隨著天通衛(wèi)星技術的發(fā)展，可以開發(fā)出基于FPGA的天通衛(wèi)星終端信號采集系統(tǒng)，從而更好地滿足現(xiàn)代社會對通信技術的需求。本文對基于FPGA的天通衛(wèi)星終端信號采集系統(tǒng)的設計技術進行了分析，并以《Xilinx FPGA數(shù)字信號處理設計-基礎版》為例進行了系統(tǒng)的闡述，對于提高天通衛(wèi)星終端信號采集系統(tǒng)的設計技術水平具有一定的價值。同時對基于FPGA的天通衛(wèi)星終端信號采集系統(tǒng)中的功能模塊進行了介紹，以下進行具體的介紹。

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)中具有重要的應用，在該系統(tǒng)中主要是對ADC和DAC的使用。主要實現(xiàn)功能流程為：首先通過串口向FPGA發(fā)送控制信號，控制DAC芯片tlv5618進行DA轉換，轉換的數(shù)據(jù)存在ROM中，轉換開始時讀取ROM中數(shù)據(jù)進行讀取轉換。其次用按鍵控制adc128s052進行模數(shù)轉換100次，模數(shù)轉換數(shù)據(jù)存儲到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驅動模塊、ADC驅動模塊、同步FIFO模塊、FIFO控制模塊、串口發(fā)送模塊。各個模塊的作用如下：串口接收模塊完成串口數(shù)據(jù)接收，將串行數(shù)據(jù)轉換成并行數(shù)據(jù)輸出。按鍵消抖模塊進行按鍵消抖，可輸出一個脈沖按鍵按下標志和按鍵按下時間標志。按鍵控制模塊，當在DA一直輸出模擬信號時，按下按鍵控制ADC轉換100次。ROM模塊，存儲DA轉換的數(shù)據(jù)，可存放正弦波形數(shù)據(jù)。DAC驅動模塊，數(shù)模轉換驅動模塊，與外部DAC芯片相連，提供DAC芯片時鐘和數(shù)據(jù)信號等。ADC驅動模塊，模數(shù)轉換驅動模塊，與外部ADC芯片相連，提供ADC芯片時鐘和控制信號等。同步FIFO模塊，存放ADC轉換后的數(shù)據(jù)。FIFO控制模塊，當FIFO中有數(shù)據(jù)時，將FIFO中的數(shù)據(jù)轉換成可以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，當接收串口指定的指令時，開始將ROM的正弦數(shù)據(jù)進行DAC轉換。

2 基于FPGA的天通衛(wèi)星終端信號采集系統(tǒng)設計

2.1 基于FPGA的天通衛(wèi)星終端信號采集系統(tǒng)設計技術

當前天通衛(wèi)星技術正在快速發(fā)展，利用該技術所開發(fā)出的終端也逐漸應用在社會各個領域中。通過天通衛(wèi)星終端信號采集系統(tǒng)，可以采集衛(wèi)星所發(fā)出的信號強度、終端設備的運行功耗等數(shù)據(jù)，從而滿足實際的應用需求。同時為了強化這些數(shù)據(jù)信息的管理，可以構建基于FPGA的天通衛(wèi)星終端信號數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，并將所采集到的數(shù)據(jù)信息自動入庫。同時通過可視化技術，將所存儲的數(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)進行壓縮，之后再對數(shù)據(jù)進行加密處理，這樣就可以有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴Ｔ跀?shù)據(jù)壓縮的過程中，應該采取無損壓縮技術，對于視頻或者是圖像等數(shù)據(jù)，可以采用有損壓縮技術，這樣就可以降低數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡帶寬的需求。對于數(shù)據(jù)加密算法，可以選取對稱加密算法，并采用多個不同的密鑰，對數(shù)據(jù)信息進行多次加密，這樣也能夠使得數(shù)據(jù)信息的安全性更高。同時對于加密過程中所采用到的密鑰，也應采取動態(tài)分配的機制，并對密鑰定期進行修改，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)星終端信號采集系統(tǒng)的設計過程中，由于衛(wèi)星通信在網(wǎng)絡帶寬上會受到一定的限制，故在通信機制的制定中，應構建出合理的通信機制，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?。在具體的數(shù)據(jù)傳輸過程中，應根據(jù)所接收到的信號強弱程度，來對數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇笮『蛡鬏數(shù)乃俣冗M行動態(tài)的控制。在基于FPGA的天通衛(wèi)星終端信號采集系統(tǒng)的設計中，可以采取斷點續(xù)傳技術，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)星終端信號采集系統(tǒng)的功能模塊

在基于FPGA的天通衛(wèi)星終端信號采集系統(tǒng)當中，需要設計多個不同的功能模塊，不同功能模塊分別扮演著不同的角色，以實現(xiàn)模塊化的設計。首先需要采用到現(xiàn)場管理模塊，這樣就能夠對天通衛(wèi)星中的速度、信號強度等關鍵數(shù)據(jù)進行監(jiān)視和管理。二是歷史數(shù)據(jù)查詢功能模塊，這樣就可以調取進入數(shù)據(jù)庫當中的關鍵信息，并對歷史數(shù)據(jù)進行分析，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)信息的價值。

3 評《Xilinx FPGA數(shù)字信號處理設計-基礎版》

掌握FPGA數(shù)字信號處理設計需滿足三個條件：熟悉FPGA設計方法、理解數(shù)字信號處理理論、掌握理論的工程實現(xiàn)方法。在《Xilinx FPGA數(shù)字信號處理設計-基礎版》書中，主要包括FPGA基本概念、設計語言及環(huán)境、FPGA設計流程、常用接口設計等內容。通過上篇的學習，使對讀者初步建立FPGA設計的概念和基本方法，了解數(shù)字信號處理FPGA設計的常用知識。下篇主要包括FPGA中數(shù)字的運算、典型IP核設計、FIR濾波器設計、IIR濾波器設計和FFT變換設計。數(shù)字信號處理設計的基石是濾波器設計和頻譜分析。

該書通過實際的案例，對FPGA設計的基本原理進行了系統(tǒng)的分析和闡述，并對具體的設計方法和設計步驟進行了分析。同時還通過仿真分析，對測試的過程進行了介紹，這樣就可以使得讀者更好地掌握FPGA設計的關鍵技術，并為數(shù)字信號處理等技術的學習打下一定的基礎。在該書的下篇當中，還對濾波器的設計技術和數(shù)字信號頻譜分析等關鍵技術進行了分析。通過采取濾波器，能夠更好地提高信號的質量。通過采用數(shù)字信號頻譜分析，能夠分析出信號當中各個主要成分，從而更好地對數(shù)字信號進行處理。通過對該書的學習，能夠很好地掌握FPGA數(shù)字信號處理設計技術。

4 結 論

當前通信技術正在快速發(fā)展，每年都會涌現(xiàn)出新型的通信技術，對于促進社會的發(fā)展具有重要的意義。本書評系統(tǒng)分析了基于FPGA的天通衛(wèi)星終端信號采集系統(tǒng)的設計方法和實現(xiàn)原理，并對《Xilinx FPGA數(shù)字信號處理設計-基礎版》進行了點評，對于促進通信技術的發(fā)展具有一定的意義。