FPGA|美国Pentek 公司谈FPGA如何为军事电子战、认知无线电和雷达信号处理提供创新

军用雷达、电子战和通信集成等应用对信号处理性能需求的持续提升，尤其是后两者已步入认知应用。下面就看美国Pentek 公司副董事长、共同创始人Rodger Hosking先生谈论嵌入式信号处理如何赋予电子战和无线电认知能力，现场可编程门阵列（FPGA）如何颠覆嵌入式计算。 

问：什么类型的需求推动军用雷达信号处理应用发展？

答：军用雷达希望探测距离越远越好。对于雷达系统，需要更大的快速傅里叶变换（FFT）进行更加精确的多普勒处理，才能实现对目标的速度和距离进行跟踪。提升雷达分辨率能够获取目标的飞机体积、表面结构检测等更精确信息，这些丰富信息能够帮助确定目标。

同时，因为军事系统设计人员需要更好的算法来收集更多信息，并提高信噪比性能，以便从杂乱和嘈杂的环境中提取目标，因而造成雷达波形逐年复杂化。

问：哪些因素导致军事通信中的信号处理要求提升？

 答：军事应用想要更宽的带宽来处理扩频信号，需要更多的信道来处理增加的通信量。关键是要改善无线电类型的分类，提高传输距离和抗噪声能力，增强信号的检测和利用能力。为此，需要采样率达到GHz的快速数据转换器，实现宽带信息的数字化。反过来讲，这就需要更多的数字信号处理资源来实时运行所需算法。最理想的处理方法是，FPGA内配置数千个数字信号处理器（DSP），所有DSP并行运行。

数据转换器与FPGA之间也需要更快速的嵌入式系统链路，机箱内电路板之间和系统与子系统之间也需要更高的数据速率连接。

问：认知是用于描述下一代无线电和电子战技术的。嵌入式数字信号处理是如何赋予系统认知能力的呢？

答：认知无线电具备了解周围环境、自动区别友方信号和敌方信号、检测潜在干扰并将干扰转到别的频率以避免受到干扰攻击等能力，通常也称作“自适应无线电”。

认知系统的反应速度比人更快，能够在最短的时间恢复通信链路，抵抗干扰攻击，保持比敌人领先一步。类似的方法也用于认知电子战，面对威胁和干扰，认知电子战系统变得更加智能，更加敏捷。

为了实现认知能力，需要超高端的信号处理能力，以快速有效的运行所需计算。这种情况下，只能利用FPGA和商用处理器实现如此高端的信号处理系统。

问：降低尺寸、重量和功耗（SWaP）要求如何影响电子战和雷达系统的信号处理解决方案？

 答：实时信号处理需求的增加需要使用更多的DSP资源，每一代新的FPGA都在解决这一问题。为应对SWaP问题，随着硅集成电路尺寸的缩小，虽然FPGA密度更高，但尺寸保持不变。另外，每个单元的额功耗下降了，所以更高性能的新一代FPGA功耗不会高于旧版本。

问：Pentek已成立30年，恰在1994年军方采购商用现货（COTS）之前。那么，在如今的军方采购大环境下，COTS扮演着什么角色呢？

 答：由于国防预算缩减，美国国防部不再资助从头开始的技术研发，而是将研发的负担推给承包商，或者与承包商分担成本。这是一种聪明的举措，国防部采购了更多的COTS。但我们希望国防部的工程师能够更加直接的参与到我们系统设计和产品选择过程，降低过程中作抉择所花费的时间。 

问：与20世纪80年代Pentek刚成立时相比，目前军方采购与当时最大的区别是什么？

答：当时，我们通常直接与政府机构内的系统设计人员打交道。这些客户首选的解决方案是兼容基于Multibus I和Multibus II的英特尔系统。但我们直接与这些工程师直接交流，讨论所要求的板级规格，讨论元器件的选择。随后，我们新设计的VME总线刚一出现就成为一种开放的标准，迅速被政府客户接受。

几年以后，20世纪90年代，国防部秘书长Williman Perry上台后，政府转向对外采购新设计。现在，政府工程师们提出系统到系统集成商的完整要求，由系统集成商选择组件。Pentek等绝大多数板级设计方只是与主承包商或小型集成商沟通。

这样做的优势是降低成本，解决方案更具竞争性，更易采用新技术。但劣势是终端用户与板级设计方难以有直接沟通。

问：过去30年间，什么技术对军用信号处理影响最大？

 答：FPGA。过去30年我们也在做同样的事情，获取信号，然后进行信号处理。起初，我们采用德州仪器的数字信号处理器，然后用了摩托罗拉的PowerPC，最后转向FPGA。

与CPU和GPU等可替代器件不同，FPGA具有许多特殊功能，对于军事和航空航天系统至关重要。FPGA的可重构特性让设计人员能够配置和并行连接硬件资源，以满足最棘手的实时处理需求。当前的FPGA产品已具备软件控制重构能力，可在任务运行期间进行重新配置以应对不断变化的威胁。

例如，美国赛灵思公司的Kintex UltraScale FPGA，能够将DSP性能提升50%，成本降低39%，功耗降低18%。

FPGA还能够提供可配置接口用于A/D和D/A等进行GHz频率采样，提供Gbit串列接口。DDDR4 SDRAM复杂内存控制器支持2.4GHz快速数据读/写。具备这些不同的、高性能特性，FPGA可提供完整的信号采集、处理和接口子系统，很好的适应电子战和雷达系统的快速输入/输出、低延迟和高计算强度需求。

问：未来5至10年，什么技术对军用信号处理影响最大？

 答：片上系统（SoC）。对于10GHz或40GHz高速连接的系统控制器，需要一个CPU来处理协议，需要一个紧密集成的FPGA进行实时处理。基于SoC的远程信号采集模块可以靠近天线放置，执行数字化和预处理操作，然后将有效数据通过光学链路传输到主系统。这为雷达、电子战，甚至是军用无线通信的信号处理系统，提供了很好的解决方案。

Pentek公司简介

美国Pentek公司主要为DSP、软件无线电和数据采集提供嵌入式计算机板和记录系统解决方案，产品适用于商用现货和恶劣环境。