軍用雷達處理系統(tǒng)的開發(fā)人員面臨兩大挑戰(zhàn)。第一個挑戰(zhàn)是現(xiàn)代多頻段雷達傳感器產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，需要盡可能準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)。這一領域的第二個挑戰(zhàn)是特派團必須應對的快速變化，因為對手不斷改變和發(fā)展他們的戰(zhàn)術并開發(fā)更復雜的技術。

就在十年前，傳統(tǒng)的雷達傳感器可能只支持一個頻段，如KU波段、X波段或S波段。這些單頻段點解決方案產(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。每個雷達系統(tǒng)都有一套固定的功能，只攻擊情報部門確定對手正在行動的特定行動范圍。

隨著威脅變得越來越復雜，雷達傳感器也變得越來越復雜?，F(xiàn)在，雷達信號檢測必須在多個頻段上執(zhí)行，這意味著傳感器必須變得更加智能和敏感。結果呢？如今，雷達傳感器正在收集并向雷達處理器發(fā)送更多的數(shù)據(jù)。為了支持這些新的傳感器，雷達系統(tǒng)開發(fā)人員希望使用底層數(shù)字處理技術，該技術可以接受和處理來自各種不同來源的數(shù)據(jù)。與早期的單點解決方案相比，這種方法有效地消除了每次發(fā)現(xiàn)新威脅時開發(fā)獨特數(shù)字處理器所需的成本和時間。

單點解決方案

雷達、電子戰(zhàn) （EW） 和信號情報 （SIGINT） 應用的傳感器要求通常因應用而異。為每個應用從頭開始開發(fā)新系統(tǒng)所需的投資可能既昂貴又耗時。例如，每個天線設計都因應用空間或系統(tǒng)設計人員試圖攻擊、感知或操作的電磁頻譜中的哪個位置而異。

FPGA ［現(xiàn)場可編程門陣列］ 器件是雷達處理系統(tǒng)的關鍵組件，正在不斷發(fā)展并增加更多功能，例如浮點數(shù)學、增加的本地內存、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，可以刪除或動態(tài)掃描無關數(shù)據(jù)， 確保以后的處理鏈不會被數(shù)據(jù)淹沒，從而減慢系統(tǒng)速度。FPGA 幾乎具有獨特的能力，能夠支持處理和處理雷達系統(tǒng)應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。

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

多年來，雷達系統(tǒng)設計人員轉向針對特定應用的內部設計的FPGA模塊解決方案。過去，雷達系統(tǒng)通常在設計時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。雖然專用的單點解決方案有其一席之地，但此類系統(tǒng)缺乏解決各種應用所需的靈活性。為了支持多波段雷達，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模塊開發(fā)的一個缺點是，它們往往需要大量資源來開發(fā)和維護。此外，由于它們通常是為特定的單點解決方案而設計的，因此在多個應用中利用這些器件的投資很少切合實際。

如今，由于更復雜的任務要求和與單點解決方案相關的成本，系統(tǒng)設計人員越來越多地轉向商用現(xiàn)貨（COTS）可重配置FPGA模塊。使用托管在開放架構外形（如 3U 或 6U VPX）上的商用可重新配置的 FPGA 處理器，系統(tǒng)設計人員無需為每種天線設計開發(fā)獨立且獨特的傳感器處理解決方案。此外，對靈活FPGA技術的投資通常會在系統(tǒng)重用方面帶來下游利益。另一個好處是，使用 COTS FPGA 使設計人員能夠跟蹤未來的技術路線圖，以幫助其應用面向未來。

可配置的 COTS FPGA 解決方案可以處理性能

當今可配置、用戶可編程的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用的需求。為了補充FPGA處理能力，大量的背板I/O帶寬在互連不同的系統(tǒng)元件時非常有用。板載內存的數(shù)量及其類型、速度和深度也是關鍵考慮因素。PCI Express （PCIe）、以太網(wǎng)和 Aurora 等標準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）等子卡的擴展站點相結合，有助于使可配置的FGPA模塊成為各種堅固型嵌入式應用的理想選擇。

讓有光：光纖的優(yōu)勢

另一個有助于使 COTS FPGA 模塊成為雷達系統(tǒng)設計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 進行數(shù)字處理。這種方法使雷達系統(tǒng)能夠吸收盡可能多的原始傳感器數(shù)據(jù)，而無需引入任何中間轉換階段。相反，數(shù)據(jù)直接從傳感器發(fā)送，并通過背板發(fā)送到FPGA上的光學傳感器。

此時，傳感器數(shù)據(jù)已進入數(shù)字處理領域，可以執(zhí)行算法。這種方法由 VITA 66 標準定義，完全消除了對插入 VPX 背板背面的光纖后轉換模塊或單獨的媒體轉換模塊的需求。以前，在通過VPX背板將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)字處理器之前，需要這樣的模塊來執(zhí)行光纖轉換。這個中間過渡模塊占用了空間，引入了復雜性和復雜的物流。相反，使用 VITA 66，過渡模塊消失，從而可以減小機箱深度并改善整體尺寸、重量和功率 （SWaP） 統(tǒng)計數(shù)據(jù)。除了能夠處理大量帶寬外，光纖連接還具有增強安全性等主要優(yōu)勢，因為它們不會產(chǎn)生可能使黑客攻擊成為可能的EMI或噪聲。對于作戰(zhàn)人員來說，更快地訪問更多的雷達數(shù)據(jù)提供了更長視野的可能性，更準確和更快速地定位環(huán)境中的目標，以及在更寬的頻譜上運行的能力。

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)設計人員提供了一種解決方案，可增強多種應用的傳感器處理能力。6U OpenVPX 板托管三個 Xilinx Virtex-7 FPGA，旨在作為傳感器處理子系統(tǒng)的核心，可與雷達系統(tǒng)的多個天線或應用集成。

圖1：框圖顯示了 FX4 配置。

靈活的雷達處理系統(tǒng)的另一個關鍵要素是高速收發(fā)器模塊，用于處理模數(shù)轉換和數(shù)模轉換同步的同步。3U VPX VPX3-534 模塊是一個 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 3U VPX 插槽中結合了高速多通道模擬 I/O、用戶可編程 FPGA 處理和本地處理，可實現(xiàn)高達 6 Gs/秒的直接射頻寬帶處理（圖 2）。

圖2：可配置的FPGA模塊可以增強多種應用的傳感器處理能力。

移動目標

隨著威脅變得越來越復雜和精密，在雷達系統(tǒng)中使用可重新配置的FPGA提供了一種靈活的技術，可幫助系統(tǒng)設計人員跟上快速發(fā)展的挑戰(zhàn)。支持通過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)轉化為可操作智能的能力。這些應用的本質是傳感器數(shù)據(jù)量將繼續(xù)增長，而對手的復雜性將繼續(xù)擴大。COTS FPGA 可幫助系統(tǒng)設計人員跟上這一快速變化的形勢。

審核編輯：郭婷