采用FPGA优化雷达和高级传感器

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引言

在现代城市和海岸战争中，预先掌握战场环境非常重要。空中、海上和陆地的士兵需要了解周围的环境，及早发现敌情。

目前的军用传感器对环境数据获取和处理的需求非常大。为尽快处理数据，向士兵提供“可行动智能”信息，传感器系统逻辑需要优化组合各种逻辑和数字信号处理(DSP)功能，采用高速收发器，提高设计在功耗和性能上的灵活性，提供非常可靠的设计流程以满足最终用户的需求。

如图1所示，雷达系统可以用在多种平台上，包括军用和非军用系统。很多这类系统采用了阵列和投影阵列技术，这些系统对数字逻辑的要求越来越高，要求采用更小的元件和电路板。

图1. 雷达应用
对于关注军用高级传感器市场的设计人员而言，Altera简单可靠的工具流程、知识产权(IP)库和高功效逻辑器件都具有很强的优势。

军用电子系统的融合

军用系统和车辆一般都安装了大量的分立电子子系统。其中最复杂的是定向雷达、监控雷达、电子战和反对抗、成像，以及无线电通信设备。如图2所示，在很多军用系统中，采用了多模式主动电子扫描阵列(AESA)技术，这些功能逐渐出现了融合趋势。系统对数字逻辑和状态逻辑的需求明显增大，要求业界提供更成熟可靠的可编程逻辑器件(PLD)。

图2.军用系统中电子功能的融合
各种军事任务在市场上出现了明显的功能重叠(图3)。存储器和半导体性能的大幅度提高使得在多角色系统中完成这些任务成为可能。Altera? FPGA和结构化ASIC提供功能强大而又使用方便的软件，公司还与逻辑设计软件伙伴进行可靠的合作，因此，在这一技术发展趋势中扮演了重要角色。大量的IP模块库简化了这类复杂的军用设计。

图3.军用电子市场的重叠
其他技术影响

传感器中有源阵列的迅速发展是推动逻辑器件的主要技术力量。大量的阵列单元意味着更多的设计工作，更复杂的聚束算法，更密集的集成和测试，以及更长的系统物流供给线。

为满足军用系统的各种计算需求，政府客户加大了对可配置处理器的投入，同时完成前端和后端处理功能。虽然有些技术已经实现了产品化，而可编程逻辑是完成关键传感器项目的最佳中间设计步骤。

传感器设计采用了多输入多输出(MIMO)传感器阵列进行试验(图4所示)。MIMO系统中的接收机完成多个正交传输波形之间的相位延时相关计算，充分利用了电子器件密度和计算容量的进步。希望在这一市场上脱颖而出的开发人员应采用这些最高级的高密度器件，以最简洁的设计流程、最有效的编译手段完成设计。

图4. MIMO传感器
让AESA更灵活

AESA是功能非常强大的技术，可建立高度自适应调整束，跟踪多个目标或者聚焦在一个位置的电磁能量上。为充分利用系统的操纵功能，设计人员尽可能将信号处理功能在系统的转发辐射单元中实现。这包括波形建立和压缩、聚束、相关和预处理。大部分功能在经过优化的并行FPGA逻辑中完成，加速了聚束算法和波形自适应功能，缩短了系统反应时间。

高密度Stratix?系列FPGA是优化雷达系统性能的最佳工具。逻辑密度的提高使得在一个芯片中实现更多的功能成为可能。改进后的DSP单元简化了矩阵的算术实现，提高了灵活性。非常灵活的18x18位乘法器可以分成9x9位单元，或者组合成功效和逻辑效率非常高的54位乘法器，完成浮点运算。Altera的浮点算子经过测试，适合多种高性能应用。

高级传感器要求

和其他工程领域相比，军用高级传感器设计面临的挑战非常独特，它包括商业市场上的所有设计约束，而且还有跨越两到三代元件技术的设计一致性、严格的测试和验证以及更新设计和实现产品生命周期等。这些约束的一些例子有：

· 较高的串行数据流容量：数字天线技术转向模拟数字融合，更靠近接收机，需要提高信号分辨率以完成数字滤波。

· 复杂的数学运算：信号预处理和矩阵运算要求采用大量的DSP模块单元以保证以前由数字信号处理器完成的任务。

· 对散热敏感：传感器系统一般有较长的使用时间，连续工作时需要进行散热。

· 多角色电子系统的逻辑密度：由于很多军事任务都是由同一阵列完成的，因此，对发送和接收电子系统的要求非常高。
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· 速度和延迟性能：传感器阵列中的逻辑器件速率等级和延迟以及逻辑器件之间的所有接口延迟，都会影响反应时间和聚束算法的性能。

· 元件供货：传感器系统非常复杂，一个元件不能按计划供货都会对系统其他部分产生严重的后果。

· 工具流程的易用性：数百万的逻辑单元(LE)集成在一个系统设计中，大量逻辑代码的设计、编译和测试都有可能推高成本，影响进度。

· 信号完整性：越来越多的接收机数据在最终处理过程中彼此相关，很小的信号误差也会对传感器算法产生很大的影响。因此，数字元件的信号完整性非常重要。

高速串行I/O

军用传感器系统使用各种高速串行接口(参见表1)来处理发送\接收单元产生的大量数据。Altera为大部分协议提供内部解决方案以及合作伙伴解决方案，并提供减小开销和延迟的专用SerialLite II标准。
表1. Altera及其合作伙伴的标准和高速接口协议支持

Altera内部开发的SerialLite II协议的多种特性非常适合实现军用传感器设计，这些特性包括：

· 1至16倍速率，最大6.375 Gbps
· 非常低的延迟以及高效的LE实现
· 支持单向速率和半双工吞吐量，适合单向传感器流。

高速传感器数据流产品，例如即将实施的Curtis Wright Controls? FibreXtreme串行FPDP (ANSI/VITA 17.1-2003)数据链路，采用Altera FPGA实现非常可靠的串行接口，具有成熟的信号完整性以及较高的数据速率。

功耗和散热优势

军事用户要求在传感器阵列中采用散热性能良好的元件，以提高灵活性和精度，并且不会因为提高传感器性能而增加系统体积或者重量。这意味着更紧凑的传感器电子元件，复杂的功耗和散热要求。

系统设计人员从没有象现在这样直接能够控制可编程逻辑器件的功耗和散热。Altera设计流程有五种优势帮助实现系统功耗和性能的最佳平衡。Altera专利可编程功耗技术支持设计人员在需要提高性能的关键逻辑通路上提高功率，而对不需要的地方则降低功率。设计人员可以在0.9V和1.1V FPGA内核电压之间进行选择，以达到功耗和性能的平衡。此外，功能强大的Altera Quartus? II设计系统还具有两个新特性：动态智能地关断未使用的电源连接，优化电源走线。