可配置的FPGA：不仅仅是单点解决方案

军用雷达处理系统的开发人员面临两大挑战。第一个挑战是现代多频段雷达传感器产生大量数据，需要尽可能准确和快速地将其带入系统的数字处理阶段，以便为作战人员生成可操作的数据。这一领域的第二个挑战是特派团必须应对的快速变化，因为对手不断改变和发展他们的战术并开发更复杂的技术。

就在十年前，传统的雷达传感器可能只支持一个频段，如KU波段、X波段或S波段。这些单频段点解决方案产生特定的数据速率，具有特定的下游数据和处理效果。每个雷达系统都有一套固定的功能，只攻击情报部门确定对手正在行动的特定行动范围。

随着威胁变得越来越复杂，雷达传感器也变得越来越复杂。现在，雷达信号检测必须在多个频段上执行，这意味着传感器必须变得更加智能和敏感。结果呢？如今，雷达传感器正在收集并向雷达处理器发送更多的数据。为了支持这些新的传感器，雷达系统开发人员希望使用底层数字处理技术，该技术可以接受和处理来自各种不同来源的数据。与早期的单点解决方案相比，这种方法有效地消除了每次发现新威胁时开发独特数字处理器所需的成本和时间。

单点解决方案

雷达、电子战 （EW） 和信号情报 （SIGINT） 应用的传感器要求通常因应用而异。为每个应用从头开始开发新系统所需的投资可能既昂贵又耗时。例如，每个天线设计都因应用空间或系统设计人员试图攻击、感知或操作的电磁频谱中的哪个位置而异。

FPGA ［现场可编程门阵列］ 器件是雷达处理系统的关键组件，正在不断发展并增加更多功能，例如浮点数学、增加的本地内存、更快的传感器 I/O 通道、本地处理器和嵌入式 RF 模拟 I/O。 数字下变频器 （DDC） 等功能特别适用于 FPGA，可以删除或动态扫描无关数据， 确保以后的处理链不会被数据淹没，从而减慢系统速度。FPGA 几乎具有独特的能力，能够支持处理和处理雷达系统应用典型的大量传感器数据带宽所需的高处理速度。这种能力使这些器件成为任何高性能系统前端的卓越技术。

FPGA 非常适合对传入的原始传感器数据流执行数学密集型算法，例如快速傅立叶变换 （FFT）。在FPGA提取关键数据后，可以将其发送到DSP ［数字信号处理器］或GPGPU（通用图形处理单元）等设备，这些设备可以提供更复杂的处理，但数据集更小，更适合这些设备类型的吞吐量限制。

多年来，雷达系统设计人员转向针对特定应用的内部设计的FPGA模块解决方案。过去，雷达系统通常在设计时考虑特定程序或目的的系统中使用昂贵的定制或半定制FPGA技术。虽然专用的单点解决方案有其一席之地，但此类系统缺乏解决各种应用所需的灵活性。为了支持多波段雷达，处理系统需要灵活，理想情况下是可重新配置的。定制和半定制FPGA模块开发的一个缺点是，它们往往需要大量资源来开发和维护。此外，由于它们通常是为特定的单点解决方案而设计的，因此在多个应用中利用这些器件的投资很少切合实际。

如今，由于更复杂的任务要求和与单点解决方案相关的成本，系统设计人员越来越多地转向商用现货（COTS）可重配置FPGA模块。使用托管在开放架构外形（如 3U 或 6U VPX）上的商用可重新配置的 FPGA 处理器，系统设计人员无需为每种天线设计开发独立且独特的传感器处理解决方案。此外，对灵活FPGA技术的投资通常会在系统重用方面带来下游利益。另一个好处是，使用 COTS FPGA 使设计人员能够跟踪未来的技术路线图，以帮助其应用面向未来。

可配置的 COTS FPGA 解决方案可以处理性能

当今可配置、用户可编程的FPGA解决方案旨在满足具有挑战性的嵌入式高性能传感器处理应用的需求。为了补充FPGA处理能力，大量的背板I/O带宽在互连不同的系统元件时非常有用。板载内存的数量及其类型、速度和深度也是关键考虑因素。PCI Express （PCIe）、以太网和 Aurora 等标准接口可提供与其他系统处理元素的可靠连接。大量的处理密度和灵活的I/O以及FPGA夹层卡（FMC）等子卡的扩展站点相结合，有助于使可配置的FGPA模块成为各种坚固型嵌入式应用的理想选择。

让有光：光纤的优势

另一个有助于使 COTS FPGA 模块成为雷达系统设计人员引人注目的选择的最新发展是模块本身上光纤接口的可用性，使大量传感器数据能够直接引入 VPX 背板，然后发送到 FPGA 进行数字处理。这种方法使雷达系统能够吸收尽可能多的原始传感器数据，而无需引入任何中间转换阶段。相反，数据直接从传感器发送，并通过背板发送到FPGA上的光学传感器。

此时，传感器数据已进入数字处理领域，可以执行算法。这种方法由 VITA 66 标准定义，完全消除了对插入 VPX 背板背面的光纤后转换模块或单独的媒体转换模块的需求。以前，在通过VPX背板将数据发送到数字处理器之前，需要这样的模块来执行光纤转换。这个中间过渡模块占用了空间，引入了复杂性和复杂的物流。相反，使用 VITA 66，过渡模块消失，从而可以减小机箱深度并改善整体尺寸、重量和功率 （SWaP） 统计数据。除了能够处理大量带宽外，光纤连接还具有增强安全性等主要优势，因为它们不会产生可能使黑客攻击成为可能的EMI或噪声。对于作战人员来说，更快地访问更多的雷达数据提供了更长视野的可能性，更准确和更快速地定位环境中的目标，以及在更宽的频谱上运行的能力。

可重配置的 FPGA 解决方案示例

为了满足快速变化的需求，COTS 可配置 FPGA 模块（例如 Curtiss-Wright 的 CHAMP-FX4（图 1））为系统设计人员提供了一种解决方案，可增强多种应用的传感器处理能力。6U OpenVPX 板托管三个 Xilinx Virtex-7 FPGA，旨在作为传感器处理子系统的核心，可与雷达系统的多个天线或应用集成。

图1：框图显示了 FX4 配置。

灵活的雷达处理系统的另一个关键要素是高速收发器模块，用于处理模数转换和数模转换同步的同步。3U VPX VPX3-534 模块是一个 6 Gs/秒的收发器卡，提供多板同步。该模块由 Kintex UltraScale FPGA 提供支持，在单个 3U VPX 插槽中结合了高速多通道模拟 I/O、用户可编程 FPGA 处理和本地处理，可实现高达 6 Gs/秒的直接射频宽带处理（图 2）。

图2：可配置的FPGA模块可以增强多种应用的传感器处理能力。

移动目标

随着威胁变得越来越复杂和精密，在雷达系统中使用可重新配置的FPGA提供了一种灵活的技术，可帮助系统设计人员跟上快速发展的挑战。支持通过光纤连接从传感器直接输入，加快了将大量模拟传感器数据转化为可操作智能的能力。这些应用的本质是传感器数据量将继续增长，而对手的复杂性将继续扩大。COTS FPGA 可帮助系统设计人员跟上这一快速变化的形势。

审核编辑：郭婷