基于FPGA的天通衛星終端信號采集系統設計研究
——評《Xilinx FPGA數字信號處理設計-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定運行，是保證社會信息交互可靠的關鍵。其中基于FPGA的數據采集系統應用十分廣泛，并且隨著天通衛星技術的發展，可以開發出基于FPGA的天通衛星終端信號采集系統，從而更好地滿足現代社會對通信技術的需求。本文對基于FPGA的天通衛星終端信號采集系統的設計技術進行了分析，并以《Xilinx FPGA數字信號處理設計-基礎版》為例進行了系統的闡述，對于提高天通衛星終端信號采集系統的設計技術水平具有一定的價值。同時對基于FPGA的天通衛星終端信號采集系統中的功能模塊進行了介紹，以下進行具體的介紹。

1 基于FPGA的數據采集系統分析

基于FPGA的數據采集系統在現代通信系統中具有重要的應用，在該系統中主要是對ADC和DAC的使用。主要實現功能流程為：首先通過串口向FPGA發送控制信號，控制DAC芯片tlv5618進行DA轉換，轉換的數據存在ROM中，轉換開始時讀取ROM中數據進行讀取轉換。其次用按鍵控制adc128s052進行模數轉換100次，模數轉換數據存儲到FIFO中，再從FIFO中讀取數據通過串口輸出顯示在PC上，其整體系統框圖如圖1所示。

從圖1可以看出，該系統主要包括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、串口發送模塊。各個模塊的作用如下：串口接收模塊完成串口數據接收，將串行數據轉換成并行數據輸出。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轉換的數據，可存放正弦波形數據。DAC驅動模塊，數模轉換驅動模塊，與外部DAC芯片相連，提供DAC芯片時鐘和數據信號等。ADC驅動模塊，模數轉換驅動模塊，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轉換后的數據。FIFO控制模塊，當FIFO中有數據時，將FIFO中的數據轉換成可以UART串口發送的數據。串口發送模塊，經過FIFO控制模塊轉換的數據通過串口發送模塊發送到串口，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的正弦數據進行DAC轉換。

2 基于FPGA的天通衛星終端信號采集系統設計

2.1 基于FPGA的天通衛星終端信號采集系統設計技術

當前天通衛星技術正在快速發展，利用該技術所開發出的終端也逐漸應用在社會各個領域中。通過天通衛星終端信號采集系統，可以采集衛星所發出的信號強度、終端設備的運行功耗等數據，從而滿足實際的應用需求。同時為了強化這些數據信息的管理，可以構建基于FPGA的天通衛星終端信號數據管理系統，并將所采集到的數據信息自動入庫。同時通過可視化技術，將所存儲的數據以圖形化的方式展示出來。在數據信息的通信過程中，首先需要將所采集到的原始數據進行壓縮，之后再對數據進行加密處理，這樣就可以有效保證數據傳輸的安全性。在數據壓縮的過程中，應該采取無損壓縮技術，對于視頻或者是圖像等數據，可以采用有損壓縮技術，這樣就可以降低數據傳輸網絡帶寬的需求。對于數據加密算法，可以選取對稱加密算法，并采用多個不同的密鑰，對數據信息進行多次加密，這樣也能夠使得數據信息的安全性更高。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據的安全性。

在基于FPGA的天通衛星終端信號采集系統的設計過程中，由于衛星通信在網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，確保數據傳輸的完整性。在具體的數據傳輸過程中，應根據所接收到的信號強弱程度，來對數據傳輸的大小和傳輸的速度進行動態的控制。在基于FPGA的天通衛星終端信號采集系統的設計中，可以采取斷點續傳技術，保證數據包能夠得到靈活的接收和傳輸。

2.2 基于FPGA的天通衛星終端信號采集系統的功能模塊

在基于FPGA的天通衛星終端信號采集系統當中，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，以實現模塊化的設計。首先需要采用到現場管理模塊，這樣就能夠對天通衛星中的速度、信號強度等關鍵數據進行監視和管理。二是歷史數據查詢功能模塊，這樣就可以調取進入數據庫當中的關鍵信息，并對歷史數據進行分析，發現歷史數據中所存在的規律。三是數據信息共享功能模塊，所采集到的數據信息可以提供給其他系統或用戶使用，從而提高數據信息的價值。

3 評《Xilinx FPGA數字信號處理設計-基礎版》

掌握FPGA數字信號處理設計需滿足三個條件：熟悉FPGA設計方法、理解數字信號處理理論、掌握理論的工程實現方法。在《Xilinx FPGA數字信號處理設計-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，了解數字信號處理FPGA設計的常用知識。下篇主要包括FPGA中數字的運算、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，從而更好地對數字信號進行處理。通過對該書的學習，能夠很好地掌握FPGA數字信號處理設計技術。

4 結 論

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