軍用雷達(dá)處理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)人員面臨兩大挑戰(zhàn)。第一個(gè)挑戰(zhàn)是現(xiàn)代多頻段雷達(dá)傳感器產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，需要盡可能準(zhǔn)確和快速地將其帶入系統(tǒng)的數(shù)字處理階段，以便為作戰(zhàn)人員生成可操作的數(shù)據(jù)。這一領(lǐng)域的第二個(gè)挑戰(zhàn)是特派團(tuán)必須應(yīng)對(duì)的快速變化，因?yàn)閷?duì)手不斷改變和發(fā)展他們的戰(zhàn)術(shù)并開(kāi)發(fā)更復(fù)雜的技術(shù)。

就在十年前，傳統(tǒng)的雷達(dá)傳感器可能只支持一個(gè)頻段，如KU波段、X波段或S波段。這些單頻段點(diǎn)解決方案產(chǎn)生特定的數(shù)據(jù)速率，具有特定的下游數(shù)據(jù)和處理效果。每個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)都有一套固定的功能，只攻擊情報(bào)部門(mén)確定對(duì)手正在行動(dòng)的特定行動(dòng)范圍。

隨著威脅變得越來(lái)越復(fù)雜，雷達(dá)傳感器也變得越來(lái)越復(fù)雜?，F(xiàn)在，雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)必須在多個(gè)頻段上執(zhí)行，這意味著傳感器必須變得更加智能和敏感。結(jié)果呢？如今，雷達(dá)傳感器正在收集并向雷達(dá)處理器發(fā)送更多的數(shù)據(jù)。為了支持這些新的傳感器，雷達(dá)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員希望使用底層數(shù)字處理技術(shù)，該技術(shù)可以接受和處理來(lái)自各種不同來(lái)源的數(shù)據(jù)。與早期的單點(diǎn)解決方案相比，這種方法有效地消除了每次發(fā)現(xiàn)新威脅時(shí)開(kāi)發(fā)獨(dú)特?cái)?shù)字處理器所需的成本和時(shí)間。

單點(diǎn)解決方案

雷達(dá)、電子戰(zhàn) （EW） 和信號(hào)情報(bào) （SIGINT） 應(yīng)用的傳感器要求通常因應(yīng)用而異。為每個(gè)應(yīng)用從頭開(kāi)始開(kāi)發(fā)新系統(tǒng)所需的投資可能既昂貴又耗時(shí)。例如，每個(gè)天線設(shè)計(jì)都因應(yīng)用空間或系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員試圖攻擊、感知或操作的電磁頻譜中的哪個(gè)位置而異。

FPGA ［現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列］ 器件是雷達(dá)處理系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，正在不斷發(fā)展并增加更多功能，例如浮點(diǎn)數(shù)學(xué)、增加的本地內(nèi)存、更快的傳感器 I/O 通道、本地處理器和嵌入式 RF 模擬 I/O。 數(shù)字下變頻器 （DDC） 等功能特別適用于 FPGA，可以刪除或動(dòng)態(tài)掃描無(wú)關(guān)數(shù)據(jù)， 確保以后的處理鏈不會(huì)被數(shù)據(jù)淹沒(méi)，從而減慢系統(tǒng)速度。FPGA 幾乎具有獨(dú)特的能力，能夠支持處理和處理雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用典型的大量傳感器數(shù)據(jù)帶寬所需的高處理速度。這種能力使這些器件成為任何高性能系統(tǒng)前端的卓越技術(shù)。

FPGA 非常適合對(duì)傳入的原始傳感器數(shù)據(jù)流執(zhí)行數(shù)學(xué)密集型算法，例如快速傅立葉變換 （FFT）。在FPGA提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)后，可以將其發(fā)送到DSP ［數(shù)字信號(hào)處理器］或GPGPU（通用圖形處理單元）等設(shè)備，這些設(shè)備可以提供更復(fù)雜的處理，但數(shù)據(jù)集更小，更適合這些設(shè)備類(lèi)型的吞吐量限制。

多年來(lái)，雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)向針對(duì)特定應(yīng)用的內(nèi)部設(shè)計(jì)的FPGA模塊解決方案。過(guò)去，雷達(dá)系統(tǒng)通常在設(shè)計(jì)時(shí)考慮特定程序或目的的系統(tǒng)中使用昂貴的定制或半定制FPGA技術(shù)。雖然專(zhuān)用的單點(diǎn)解決方案有其一席之地，但此類(lèi)系統(tǒng)缺乏解決各種應(yīng)用所需的靈活性。為了支持多波段雷達(dá)，處理系統(tǒng)需要靈活，理想情況下是可重新配置的。定制和半定制FPGA模塊開(kāi)發(fā)的一個(gè)缺點(diǎn)是，它們往往需要大量資源來(lái)開(kāi)發(fā)和維護(hù)。此外，由于它們通常是為特定的單點(diǎn)解決方案而設(shè)計(jì)的，因此在多個(gè)應(yīng)用中利用這些器件的投資很少切合實(shí)際。

如今，由于更復(fù)雜的任務(wù)要求和與單點(diǎn)解決方案相關(guān)的成本，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向商用現(xiàn)貨（COTS）可重配置FPGA模塊。使用托管在開(kāi)放架構(gòu)外形（如 3U 或 6U VPX）上的商用可重新配置的 FPGA 處理器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員無(wú)需為每種天線設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)獨(dú)立且獨(dú)特的傳感器處理解決方案。此外，對(duì)靈活FPGA技術(shù)的投資通常會(huì)在系統(tǒng)重用方面帶來(lái)下游利益。另一個(gè)好處是，使用 COTS FPGA 使設(shè)計(jì)人員能夠跟蹤未來(lái)的技術(shù)路線圖，以幫助其應(yīng)用面向未來(lái)。

可配置的 COTS FPGA 解決方案可以處理性能

當(dāng)今可配置、用戶(hù)可編程的FPGA解決方案旨在滿足具有挑戰(zhàn)性的嵌入式高性能傳感器處理應(yīng)用的需求。為了補(bǔ)充FPGA處理能力，大量的背板I/O帶寬在互連不同的系統(tǒng)元件時(shí)非常有用。板載內(nèi)存的數(shù)量及其類(lèi)型、速度和深度也是關(guān)鍵考慮因素。PCI Express （PCIe）、以太網(wǎng)和 Aurora 等標(biāo)準(zhǔn)接口可提供與其他系統(tǒng)處理元素的可靠連接。大量的處理密度和靈活的I/O以及FPGA夾層卡（FMC）等子卡的擴(kuò)展站點(diǎn)相結(jié)合，有助于使可配置的FGPA模塊成為各種堅(jiān)固型嵌入式應(yīng)用的理想選擇。

讓有光：光纖的優(yōu)勢(shì)

另一個(gè)有助于使 COTS FPGA 模塊成為雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員引人注目的選擇的最新發(fā)展是模塊本身上光纖接口的可用性，使大量傳感器數(shù)據(jù)能夠直接引入 VPX 背板，然后發(fā)送到 FPGA 進(jìn)行數(shù)字處理。這種方法使雷達(dá)系統(tǒng)能夠吸收盡可能多的原始傳感器數(shù)據(jù)，而無(wú)需引入任何中間轉(zhuǎn)換階段。相反，數(shù)據(jù)直接從傳感器發(fā)送，并通過(guò)背板發(fā)送到FPGA上的光學(xué)傳感器。

此時(shí)，傳感器數(shù)據(jù)已進(jìn)入數(shù)字處理領(lǐng)域，可以執(zhí)行算法。這種方法由 VITA 66 標(biāo)準(zhǔn)定義，完全消除了對(duì)插入 VPX 背板背面的光纖后轉(zhuǎn)換模塊或單獨(dú)的媒體轉(zhuǎn)換模塊的需求。以前，在通過(guò)VPX背板將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)字處理器之前，需要這樣的模塊來(lái)執(zhí)行光纖轉(zhuǎn)換。這個(gè)中間過(guò)渡模塊占用了空間，引入了復(fù)雜性和復(fù)雜的物流。相反，使用 VITA 66，過(guò)渡模塊消失，從而可以減小機(jī)箱深度并改善整體尺寸、重量和功率 （SWaP） 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。除了能夠處理大量帶寬外，光纖連接還具有增強(qiáng)安全性等主要優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)產(chǎn)生可能使黑客攻擊成為可能的EMI或噪聲。對(duì)于作戰(zhàn)人員來(lái)說(shuō)，更快地訪問(wèn)更多的雷達(dá)數(shù)據(jù)提供了更長(zhǎng)視野的可能性，更準(zhǔn)確和更快速地定位環(huán)境中的目標(biāo)，以及在更寬的頻譜上運(yùn)行的能力。

可重配置的 FPGA 解決方案示例

為了滿足快速變化的需求，COTS 可配置 FPGA 模塊（例如 Curtiss-Wright 的 CHAMP-FX4（圖 1））為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了一種解決方案，可增強(qiáng)多種應(yīng)用的傳感器處理能力。6U OpenVPX 板托管三個(gè) Xilinx Virtex-7 FPGA，旨在作為傳感器處理子系統(tǒng)的核心，可與雷達(dá)系統(tǒng)的多個(gè)天線或應(yīng)用集成。

圖1：框圖顯示了 FX4 配置。

靈活的雷達(dá)處理系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵要素是高速收發(fā)器模塊，用于處理模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換同步的同步。3U VPX VPX3-534 模塊是一個(gè) 6 Gs/秒的收發(fā)器卡，提供多板同步。該模塊由 Kintex UltraScale FPGA 提供支持，在單個(gè) 3U VPX 插槽中結(jié)合了高速多通道模擬 I/O、用戶(hù)可編程 FPGA 處理和本地處理，可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 6 Gs/秒的直接射頻寬帶處理（圖 2）。

圖2：可配置的FPGA模塊可以增強(qiáng)多種應(yīng)用的傳感器處理能力。

移動(dòng)目標(biāo)

隨著威脅變得越來(lái)越復(fù)雜和精密，在雷達(dá)系統(tǒng)中使用可重新配置的FPGA提供了一種靈活的技術(shù)，可幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員跟上快速發(fā)展的挑戰(zhàn)。支持通過(guò)光纖連接從傳感器直接輸入，加快了將大量模擬傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可操作智能的能力。這些應(yīng)用的本質(zhì)是傳感器數(shù)據(jù)量將繼續(xù)增長(zhǎng)，而對(duì)手的復(fù)雜性將繼續(xù)擴(kuò)大。COTS FPGA 可幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員跟上這一快速變化的形勢(shì)。

審核編輯：郭婷