單芯片加密技術可在單個 FPGA 中經濟高效地實現 UAV 命令和控制系統。可編程 IC 中的部分重新配置功能可節省 SWaP-C 成本，因為密度較低、功耗較低的 FPGA 可以托管設計。

在過去幾年中，美國軍方及其盟國越來越依賴無人機（UAV）系統在世界各地執行監視和戰斗任務。安全通信鏈路對于無人機的運行至關重要，既可以基于任務目標控制無人機，也可以可靠地向地面上的任務控制器提供可操作的數據。加密和解密是固有的要求，增加了無人機電子封裝的復雜性和成本。但是，通過能夠滿足類型 1 加密要求的單個 FPGA，設計團隊可以利用可重新編程性并實現尺寸、重量、功耗和成本的節省，這稱為 SWaP-C 節省。賽靈思和先進通信概念公司 （ACCI） 展示了一種基于 FPGA 的無人機通信和控制系統。

無人機應用依賴于在FPGA中實現的單芯片加密（SCC）設計來保護地面控制站和無人機之間的通信。該實現完全保護了遙測、視頻和控制數據。該示例系統依靠FPGA部分重新配置的強大功能，在可現場升級的解決方案中提供算法交換，所有這些都在較小的產品占位面積內完成。

Xilinx 與領先的國防解決方案開發商和主要政府機構合作，開發了 FPGA 設計流程和驗證流程，使單個 FPGA 能夠滿足 1 類加密要求。滿足1類加密要求的舊方法采用了兩個FPGA，一個用于安全地對設計的未加密部分進行分區。在單芯片實現中，未使用的邏輯元素用于實現分區。

設計流程隔離了 FPGA 中處理紅色和黑色數據以及加密/解密功能的區域（圖 1）。設計的紅色部分處理未加密的數據，并且必須與處理加密數據的部分隔離。SCC在功能上位于紅色和黑色兩側之間。這里描述的無人機示例基于使用 SCC 技術的 Virtex-5 FPGA。

圖 1：類型 1 加密要求在 UAV 系統的加密（黑色）和未加密（紅色）區域之間進行隔離。

無人機演示

在 MILCOM、Xilinx 和 ACCI 等會議上，賽靈思和 ACCI 展示了一款配備 FPGA 的無人機，可在無人機和加固型、基于筆記本電腦的地面控制站之間提供實時加密的控制、遙測和視頻數據流（圖 2）。真人版曾在空軍聯合強行進入演習（JFEX）和SOCOM / NPS戰術網絡拓撲（TNT）演習等活動中飛行。它們正在評估用于各種飛機和系統，包括無人機。

圖 2：ACCI無人機展示了單芯片加密和部分重配置的強大功能。

無人機指揮和控制系統使用帶有集成電源處理器的 Virtex-5 FPGA。該系統只需要FPGA、MEMS加速度計和用于無線通信鏈路的物理層。在開發該系統時，ACCI 從 SCC 設計流程和 Xilinx 的信息保障技術入手，并添加了一個名為“戰術上牢不可破的安全通信”或 TUCNet 的安全通信層。圖克網絡可以加密任何數字數據流。例如，它可以處理視頻、遙測、控制甚至語音數據包。

出于安全和競爭原因，ACCI不會透露TUCNet的技術細節。但更廣泛地說，該公司依靠協議跳躍和加密方案跳躍等功能來提供在任何類型的有線或無線網絡上安全的網絡層。

為了滿足1型要求，ACCI必須根據國防機構的規范隔離FPGA的每個區域。利用 Xilinx 的 SCC 方法以及隔離驗證工具 （IVT），ACCI 能夠實施該解決方案，并提供驗證隔離的必要文檔。

最值得注意的是，ACCI在單個FPGA中實現了類型1要求。在 Xilinx 與政府機構合作并驗證 Type 1 加密功能之前，設計需要使用多個 IC 或子系統來隔離紅色和黑色數據以及在每個數據上運行的算法。SCC 技術簡化了系統實施，從而節省了 SWaP-C 的成本。至少，SCC技術從實現中消除了一個FPGA，使托管設計所需的PC板空間減半。功耗和成本不會減半，因為雙芯片實現可能使用了密度稍低的FPGA，但節省的成本是顯著的，甚至重量也減輕了一小部分。

強化了軟件支持功能的優勢

在滿足1類加密認證的所有安全要求的同時，ACCI的FPGA算法和處理實現通過使用動態部分重新配置，加劇了無人機應用中的SWaP-C優勢。Xilinx 在 1 類加密系統上所做的工作證明了即使在動態重新配置部分 FPGA 時，也能保持紅黑數據的適當隔離。通過動態部分重新配置，FPGA不必足夠大來容納所有處理算法。它只需要足夠大，就可以同時容納單個最大的數據處理算法、主控制算法和SCC實現。

ACCI利用獨特的動態部分重新配置來增加無人機控制和通信系統的功能，并最大限度地減少這樣做的SWaP-C負擔。該系統具有專有的硬件操作系統（硬件操作系統），該系統在FPGA中是靜態的。HardwareOS 提供系統資源分配和系統服務功能，這些功能是操作系統在傳統的基于軟件的系統體系結構中提供的。

無人機系統依賴于ACCI開發的應用程序或算法加速器庫。除了安全功能外，支持 TUC 的算法加速器還支持無人機上的遙測和視頻數據流的實時操作以及數據轉碼功能。例如，如果 UAV 處于傾斜轉彎狀態，則視頻幀會因 UAV 幀的俯仰角和滾動角度以及攝像機平移和傾斜設置而水平失真。這個問題是通過動態加載和運行算法來實時“反向旋轉”視頻幀到正確的方向來解決的。

TUC系統還將數字視頻從RS-170格式轉碼為MPEG-2和H.264格式等。然后，系統將轉碼后的視頻與來自自動駕駛儀和其他機載傳感器的遙測數據組合到 MPEG 傳輸流中，該傳輸流可正確模擬 Predator 數據下載格式。這允許當前處理捕食者格式數據流的任何系統使用無人機數據。所有數據流都經過加密，以便進行地面傳輸。

系統可以將傳輸到無人機的每個數據包或捕獲的遙測或視頻數據的每個數據包加載到FPGA上的靜態塊RAM（BRAM）中，然后根據需要將任何所需的算法序列動態應用于每個數據包。借助 TUC 硬件加速，視頻穩定、水平校正、Predator 格式轉碼、傳輸流打包和加密的整個幀處理可在不到 12 毫秒的時間內完成。從相機到每秒30幀的速度，幀之間有33毫秒可用，從而為未來計劃的增強功能提供了充足的處理資源，例如自動目標跟蹤和直接自動駕駛儀控制。

動態部分重新配置

雖然使用SCC流來幫助維持類型1的要求，但使用動態部分重新配置的真正優勢是顯而易見的：系統每秒可以重新配置FPGA超過100，000次。此外，FPGA架構中固有的數據流和并行處理可最大限度地減少延遲，并實現實時操作，以優化收集的數據以傳輸到地面站。ACCI系統對預處理的數據進行加密，并將安全數據傳輸到地面控制站。演示中使用的筆記本電腦解密數據并將其呈現給用戶。

部分重新配置功能允許 ACCI 利用集成了 PowerPC 的最小、堅固耐用的國防級 Virtex-5 系列成員，從而節省了更多成本。所選的 XQ5VFX70T 器件包括 11，200 個可配置邏輯模塊 （CLB） 和一個電源控制核心。在沒有部分重新配置的情況下，該設計需要更大的FPGA，這將花費更多成本并使用更多功率。例如，這可能意味著在Virtex-5Q系列中較小的產品和下一個較大的產品之間，靜態靜態功耗可節省5倍。

ACCI 和 Xilinx 正在開發新版本的無人機演示系統，該系統將利用國防級 Virtex-6 系列，并進一步增強 SWaP-C 的優勢。與具有類似數量 CFB 的 Virtex-5 FPGA 相比，Virtex-6 FPGA 的功耗降低了 50%。此外，Virtex-6 系列采用 45 nm 工藝技術制造，而 Virtex-5 系列采用 65 nm 工藝制造。新版本的無人機系統不需要具有集成PowerPC硬核的FPGA，而是通過使用軟核MicroBlaze處理器來進一步節省成本。

審核編輯：郭婷