FPGA中处理和解析传入的数据

近些年来，随着电子技术的发展，无线通信技术、计算机网络的发展，分布式无线数据采集网络技术开始兴起，并迅速的应用到各个领域。在一些地形复杂，不适合人类出现的区域需要进行数据采集的情况下，都可以适当的选择无线分布式采集来进行。现有的无线分布式采集系统中，往往使用单片机、DSP等作为系统的主控控制单元。但是由于其自身工作特点，往往对于精确的定时控制以及并行处理能力上比FPGA弱。随着FPGA等可编程逻辑器件的发展，为无线数据可靠传输提供了很好的实现平台。采用FPGA作为时序控制和信号处理的处理器，将使系统电路设计更加简洁、可靠、灵活，可有效的缩短开发周期，并降低开发成本。

在FPGA中实现无线遥感采集系统涉及硬件设计和软件开发。以下是一个简化的硬件设计框架，它包括了基本的组件和流程：

数据采集：使用ADC将传感器数据转换为可以传输的数字信号。

无线通信：通过无线通信协议(如LoRa或BLE)将数据发送到基站。

数据处理：在FPGA中处理和解析传入的数据。

为此，基于CycloneIV+STM32设计了一种新型的无线分布式采集系统，实现了数据的高可靠和同步传输。设计主要由3大部分组成：编码器、译码器、无线收发电台。在对编码器、译码器同步校准后，对待发送数据进行卷积编码，并转换为串行数据。数据转换为串行数据后，在串行数据帧头加入Barker码来实现帧的同步，并使用2条互为备份的数据传送通道同时发送数据。在数据接收端检测到barker码后，本地对互为备份的双通道数据进行viterbi译码(本文设计的viterbi译码器采用并行结构，大大的降低译码时间)。译码结束后，本地对双通道数据进行循环冗余校验，并做出判选，最后执行相应指令。并在规定时间给出相应反馈信号。设计的无线采集系统，即使某一数据通道出现少量错码，系统仍能有效的恢复出数据，并进行可靠的数据传输。系统添加了监控模块，实时备份上传的数据并监控，如发现不能正常上传，则启用备用模块保证整个系统正常工作。系统不仅能实现数据的高可靠和同步传输，而且具有很好的适用性，可广泛应用工业中。

2 无线分布式采集系统简介

2.1 系统硬件简介

无线分布式采集系统包括编码器、译码器(编码器、译码器硬件完全相同，只是配置逻辑不同，可配置为编码器、译码器、中继站)和无线通信电台。如图1所示，这是一个最简单的一对一式分布式系统。

图1 无线分布式采集系统结构

编码器作为上位机与译码器之间的桥梁，通过USB/RS485通道进行发送、接收命令和数据。译码器接收编码器发来的命令进行配置和采集，并将数据存储至DDR2中。译码器收到上传命令后，上传数据至编码器。

编码器/译码器硬件系统框图如图2所示。本系统主控单元由FPGA完成。FPGA选用Altera公司的EP4CGX30F407,逻辑单元为29440个，80个18×18乘法器，多达290个用户自定义IO。STM32作为监控和备用单元组成系统的基本架构，STM32F407ZG系列是基于高性能的ARM CortexTM-M4F的32位RISC内核，工作频率高达168 MHz，该STM32F407ZG系列采用高速嵌入式存储器(多达1 MB闪存，高达192 KB的SRAM)，拥有3个12位ADC，2个DAC，1个低功耗RTC，12个通用16位定时器，2个通用32位定时器。人机交互部分由16X2液晶显示字符模块和4个按键组成，其主要功能是通过按键对基站编号设置并显示在LCD上。无线模块选用WSN-03系列无线模块作为收发平台，工作电压为5 V，传输速率和工作频段等都可配置。目前传输速率最大为115 200b ps,工作频为433 MHz可调。无线模块与FPGA主要以RXD/A，TXD/B,NRST(复位控制)，SET(设置模块参数)，SLP(休眠控制)信号线连接。GPS模块选用VKl6U6进行定位，与FPGA以UART接口连接，波特率定位9600 bps。ADC选用基于△-Σ技术的32 bits高精度低功耗模数转换芯片ADSl282，采样信号电平范围：差分输人一2.5~+2.5 V。单个译码器有6个采集通道，以2 k采样率，采样时常16 S来计算，单个译码器纯数据量为6×2 k×16×24-6144 Kbits.考虑到编码器，一次采样，8个基站的数据经编码后数据总量为98 304 Kbits，所以编码器和译码器需增加l片Micron Technology公司的MT47H256M8HG-37E IT(256Meg×8)作为缓存空间。由于DDR2 SDRAM需要特定的控制读写时序，系统直接采用Quartus II自带的“DDR2 SDRAM High-Performance Controller”IP CORE。USB部分由2个通道组成，一个是由FPGA、CY7C68013和USB接口组成;另一个由STM32(自带USB驱动)和USB接口组成。同时本设计中还添加了RS485串口，使整个系统与上位机能保持实时通信，为系统的远程控制提供了可能，并能保持系统更新。

图2 系统框架

2.2 系统数据流程

系统的数据流程为：同步校准译码器，设置各个译码器接收命令后的延时-编码器配置采集参数、命令-译码器采集数据保存至DDR2中一各译码器分时接收数据上传命令并上传数据-编码器将数据汇总保存至DDR2-数据收集齐后通过USB/RS485上传至上位机。译码器节点配合计算机对各个点的数据进行轮询采集，它包含了无线传输模块和与计算机通信的USB接口。STM32将组帧后的数据备份并实时监控FPGA，如在规定时间或未能按指令进行工作，STM32将替代FPGA并使FPGA进入断电状态。

2.3 系统组帧格式

编码器与译码器之间是一对多的关系，译码器分时上传数据，译码器有2个通道，译码器有唯一的配置编号。数据帧的格式如图3所示。数据帧中除20字节有效数据之外，还包括组号、目的编号等。

图3 编码器、译码器间数据帧格式

为了改进接收信号质量，本系统引入信道编码的方法来改善信道质量。具体如图4所示。发送端对数据进行组帧、并串转换、卷积编码、加入同步帧信息后，把数据发送至无线通信电台进行调制。接收端的无线通信电台对信号进行解调后发送数据至接收端的FPGA.接收端的FPGA检测到帧同步信息后对接下来的数据保存，并进行Viterbi译码。FPGA对双通道的数据进行冗余校验，并选择正确的数据执行相关操作。

图4 无线数据传输

随着ORAN网络的兴起，网络弹性已成为电信基础设施的重中之重。反过来，企业也面临着ETSI、ENISA、CISA和ORAN联盟等监管机构的严格审查，这些机构要求实施零信任原则，对关键通信进行严格的身份验证和持续监控。

具有可信根(RoT)功能的FPGA通过加密敏捷安全特性，在确保ORAN部署安全方面发挥着至关重要的作用。它们可执行基本的加密操作，包括加密、解密、安全密钥分配和管理，同时还可充当传统系统的加密桥接器。此外，它们在实施新兴安全标准(如用于3GPP协议的NIST AES-256)和解决5G RRC(无线资源控制)密钥交换中可能受到量子计算威胁的漏洞方面尤为重要。

FPGA的一个关键安全功能是在控制平面内实现Secure the Wire™，通过实施MACSEC/IPSec和安全定时协议确保信号的完整性和保密性。这种全面的安全方法与其加密灵活性相结合，使FPGA成为实施不断发展的后量子加密(PQC)算法的理想选择，从而确保ORAN网络安全，抵御未来威胁。

成功实施案例和先进的同步

全球领先的电信供应商已在其ORAN部署中展示了集成FPGA的实际优势。他们利用FPGA完成了基带功能和射频前端(RFFE)之间的数据和控制接口，以及管理无线单元(RU)和分布式单元(DU)的控制和定时平面等重要任务。在RU中，FPGA处理滤波和波峰因数降低等要求苛刻的数字前端处理任务，确保高效率和低延迟。此外，FPGA还用于新的前端接口，这对于大规模MIMO网络等密集部署至关重要，可确保高互操作性并降低前端成本。在DU中，FPGA可促进实时信号处理和动态波束成形，无需修改硬件即可适应不同的无线环境。