主頁（http://www.by236.com）：美國Pentek 公司談FPGA如何為軍事電子戰(zhàn)、認知無線電和雷達信號

　　軍用雷達、電子戰(zhàn)和通信集成等應用對信號處理性能需求的持續(xù)提升，尤其是后兩者已步入認知應用。下面就看美國Pentek 公司副董事長、共同創(chuàng)始人Rodger Hosking先生談論嵌入式信號處理如何賦予電子戰(zhàn)和無線電認知能力，現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)如何顛覆嵌入式計算。

　　問：什么類型的需求推動軍用雷達信號處理應用發(fā)展?

　　答：軍用雷達希望探測距離越遠越好。對于雷達系統(tǒng)，需要更大的快速傅里葉變換(FFT)進行更加精確的多普勒處理，才能實現(xiàn)對目標的速度和距離進行跟蹤。提升雷達分辨率能夠獲取目標的飛機體積、表面結構檢測等更精確信息，這些豐富信息能夠幫助確定目標。

　　同時，因為軍事系統(tǒng)設計人員需要更好的算法來收集更多信息，并提高信噪比性能，以便從雜亂和嘈雜的環(huán)境中提取目標，因而造成雷達波形逐年復雜化。

　　問：哪些因素導致軍事通信中的信號處理要求提升?

　　答：軍事應用想要更寬的帶寬來處理擴頻信號，需要更多的信道來處理增加的通信量。關鍵是要改善無線電類型的分類，提高傳輸距離和抗噪聲能力，增強信號的檢測和利用能力。為此，需要采樣率達到GHz的快速數(shù)據(jù)轉換器，實現(xiàn)寬帶信息的數(shù)字化。反過來講，這就需要更多的數(shù)字信號處理資源來實時運行所需算法。最理想的處理方法是，F(xiàn)PGA內(nèi)配置數(shù)千個數(shù)字信號處理器(DSP)，所有DSP并行運行。

　　數(shù)據(jù)轉換器與FPGA之間也需要更快速的嵌入式系統(tǒng)鏈路，機箱內(nèi)電路板之間和系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間也需要更高的數(shù)據(jù)速率連接。

　　問：認知是用于描述下一代無線電和電子戰(zhàn)技術的。嵌入式數(shù)字信號處理是如何賦予系統(tǒng)認知能力的呢?

　　答：認知無線電具備了解周圍環(huán)境、自動區(qū)別友方信號和敵方信號、檢測潛在干擾并將干擾轉到別的頻率以避免受到干擾攻擊等能力，通常也稱作“自適應無線電”。

　　認知系統(tǒng)的反應速度比人更快，能夠在最短的時間恢復通信鏈路，抵抗干擾攻擊，保持比敵人領先一步。類似的方法也用于認知電子戰(zhàn)，面對威脅和干擾，認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)變得更加智能，更加敏捷。

　　為了實現(xiàn)認知能力，需要超高端的信號處理能力，以快速有效的運行所需計算。這種情況下，只能利用FPGA和商用處理器實現(xiàn)如此高端的信號處理系統(tǒng)。

　　問：降低尺寸、重量和功耗(SWaP)要求如何影響電子戰(zhàn)和雷達系統(tǒng)的信號處理解決方案?

　　答：實時信號處理需求的增加需要使用更多的DSP資源，每一代新的FPGA都在解決這一問題。為應對SWaP問題，隨著硅集成電路尺寸的縮小，雖然FPGA密度更高，但尺寸保持不變。另外，每個單元的額功耗下降了，所以更高性能的新一代FPGA功耗不會高于舊版本。

　　問：Pentek已成立30年，恰在1994年軍方采購商用現(xiàn)貨(COTS)之前。那么，在如今的軍方采購大環(huán)境下，COTS扮演著什么角色呢?

　　答：由于國防預算縮減，美國國防部不再資助從頭開始的技術研發(fā)，而是將研發(fā)的負擔推給承包商，或者與承包商分擔成本。這是一種聰明的舉措，國防部采購了更多的COTS。但我們希望國防部的工程師能夠更加直接的參與到我們系統(tǒng)設計和產(chǎn)品選擇過程，降低過程中作抉擇所花費的時間。

　　問：與20世紀80年代Pentek剛成立時相比，目前軍方采購與當時最大的區(qū)別是什么?

　　答：當時，我們通常直接與政府機構內(nèi)的系統(tǒng)設計人員打交道。這些客戶首選的解決方案是兼容基于Multibus I和Multibus II的英特爾系統(tǒng)。但我們直接與這些工程師直接交流，討論所要求的板級規(guī)格，討論元器件的選擇。隨后，我們新設計的VME總線剛一出現(xiàn)就成為一種開放的標準，迅速被政府客戶接受。

　　幾年以后，20世紀90年代，國防部秘書長Williman Perry上臺后，政府轉向對外采購新設計。現(xiàn)在，政府工程師們提出系統(tǒng)到系統(tǒng)集成商的完整要求，由系統(tǒng)集成商選擇組件。Pentek等絕大多數(shù)板級設計方只是與主承包商或小型集成商溝通。

　　這樣做的優(yōu)勢是降低成本，解決方案更具競爭性，更易采用新技術。但劣勢是終端用戶與板級設計方難以有直接溝通。

　　問：過去30年間，什么技術對軍用信號處理影響最大?

　　答：FPGA。過去30年我們也在做同樣的事情，獲取信號，然后進行信號處理。起初，我們采用德州儀器的數(shù)字信號處理器，然后用了摩托羅拉的PowerPC，最后轉向FPGA。

　　與CPU和GPU等可替代器件不同，F(xiàn)PGA具有許多特殊功能，對于軍事和航空航天系統(tǒng)至關重要。FPGA的可重構特性讓設計人員能夠配置和并行連接硬件資源，以滿足最棘手的實時處理需求。當前的FPGA產(chǎn)品已具備軟件控制重構能力，可在任務運行期間進行重新配置以應對不斷變化的威脅。

　　例如，美國賽靈思公司的Kintex UltraScale FPGA，能夠將DSP性能提升50%，成本降低39%，功耗降低18%。

　　FPGA還能夠提供可配置接口用于A/D和D/A等進行GHz頻率采樣，提供Gbit串列接口。DDDR4 SDRAM復雜內(nèi)存控制器支持2.4GHz快速數(shù)據(jù)讀/寫。具備這些不同的、高性能特性，F(xiàn)PGA可提供完整的信號采集、處理和接口子系統(tǒng)，很好的適應電子戰(zhàn)和雷達系統(tǒng)的快速輸入/輸出、低延遲和高計算強度需求。

　　問：未來5至10年，什么技術對軍用信號處理影響最大?

　　答：片上系統(tǒng)(SoC)。對于10GHz或40GHz高速連接的系統(tǒng)控制器，需要一個CPU來處理協(xié)議，需要一個緊密集成的FPGA進行實時處理。基于SoC的遠程信號采集模塊可以靠近天線放置，執(zhí)行數(shù)字化和預處理操作，然后將有效數(shù)據(jù)通過光學鏈路傳輸?shù)街飨到y(tǒng)。這為雷達、電子戰(zhàn)，甚至是軍用無線通信的信號處理系統(tǒng)，提供了很好的解決方案。

　　Pentek公司簡介

　　美國Pentek公司主要為DSP、軟件無線電和數(shù)據(jù)采集提供嵌入式計算機板和記錄系統(tǒng)解決方案，產(chǎn)品適用于商用現(xiàn)貨和惡劣環(huán)境。