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信号处理|数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)在军事电子系统中的博弈

 大国重器元器件 2020-09-11

信号处理在丢失和识别雷达目标、提供有效的电子战响应,或维护安全的通信之间通常是不同的。许多数字器件在军事电子系统中执行信号处理功能,其中,数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)经常单独或一起使用。在实际应用中,寻找与应用相匹配的数字器件可能面临挑战,对不同组件的关键性能参数和其与军事电子系统之间的关系的了解有助于应对此项挑战。

DSP

数字信号处理器本质上是执行大量数学运算操作的微处理器的一种。DSP的处理功率可由其时钟速率和每个时钟周期内执行的运算数量来决定,例如,每秒执行多少次的加法或乘法。其处理能力通常以每秒数百万条指令(MIPS)为特征。

设计人员必须对DSP进行预处理或编程,以执行特定功能,通常采用“C”语言程序代码或其他汇编语言。DSP用于在印刷电路板(PCB)或与系统的外部存储器一起工作,且可使用大量可用数据来实现大型处理操作。作为权衡,有必要在DSP和存储器位置之间传送数据,以及任何所需的传输时间进行计算。

FPGA可视为DSP

另一方面,FPGA是能够在部署后的现场改变功能的晶体管栅极的集合。这些门阵列可被连接到一起以实现不同的功能,如加法或乘法,而不需要DSP所需的预先编程。在某些情况下,FPGA可被视为多个DSP或处理器,每个器件都有自身的专用存储器,从而可执行多个不同的功能。包括不同抗辐射模型的多型号FPGA,可在外太空提供长期可靠的运行寿命。

优劣势比较

在许多军事电子系统(特别是便携式系统)中,功率效率对维持系统在尺寸、重量和功率(SWaP)目标方面十分重要。由多核处理器,DSPFPGA执行的信号处理的功率效率通常会根据百万次浮点运算/秒·瓦(MFLOPS/W)和10亿次每瓦数浮点运算(GFLOPS / W)进行比较。与DSP相比,FPGA在这方面通常表现优异。

除了执行非常高级别的操作,如有限脉冲响应(FIR)滤波器、无限脉冲响应滤波器(IIR)或快速傅里叶变换(FFT)功能外,FPGA可以非常高的时钟速率执行DSP功能(如上述加法和乘法)。再者,比较性能是确定每个时钟周期内可以执行多少有用功能的问题,或每秒执行多少个总操作,FPGA具有比较优势。

DSP相反,FPGA是在内部存储器进行设计和制造,无需任何存储器传输延迟,可实现快速的数据输入/输出(I/O)速率。作为权衡,与DSP相比,FPGA所需的存储器数量和待处理的数据集大小受到限制。当然,当FPGA必须要处理大型、复杂的数据集时,它可被设计至具有专用外部存储器的PCB或模块中,以最小的数据I/O速率提高其处理能力。

对于军事系统来说,FPGADSP的不同之处在于系统中的每个器件如何对系统(如接收器)的部分框图进行处理。在FPGA中,等效接收器组件(如混频器、滤波器和放大器)被定位为在FPGA内执行特定功能。一旦这些功能被定义后,FPGA提供相当有效的操作。然而,这些功能不能轻易改变,因为器件中的栅极已被设定为期望的信号处理。而在DSP中,框图由程序代码根据其功能来定义。如果需要,已被编程为接收器的DSP可被重新编程作为发射器,信号分支和复杂决策被确定为程序代码的响应。

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