引言

在現代城市和海岸戰爭中，預先掌握戰場環境非常重要。空中、海上和陸地的士兵需要了解周圍的環境，及早發現敵情。

目前的軍用傳感器對環境數據獲取和處理的需求非常大。為盡快處理數據，向士兵提供“可行動智能”信息，傳感器系統邏輯需要優化組合各種邏輯和數字信號處理(DSP)功能，采用高速收發器，提高設計在功耗和性能上的靈活性，提供非常可靠的設計流程以滿足最終用戶的需求。

如圖1所示，雷達系統可以用在多種平臺上，包括軍用和非軍用系統。很多這類系統采用了陣列和投影陣列技術，這些系統對數字邏輯的要求越來越高，要求采用更小的元件和電路板。

圖1. 雷達應用
對于關注軍用高級傳感器市場的設計人員而言，Altera簡單可靠的工具流程、知識產權(IP)庫和高功效邏輯器件都具有很強的優勢。

軍用電子系統的融合

軍用系統和車輛一般都安裝了大量的分立電子子系統。其中最復雜的是定向雷達、監控雷達、電子戰和反對抗、成像，以及無線電通信設備。如圖2所示，在很多軍用系統中，采用了多模式主動電子掃描陣列(AESA)技術，這些功能逐漸出現了融合趨勢。系統對數字邏輯和狀態邏輯的需求明顯增大，要求業界提供更成熟可靠的可編程邏輯器件(PLD)。

圖2.軍用系統中電子功能的融合
各種軍事任務在市場上出現了明顯的功能重疊(圖3)。存儲器和半導體性能的大幅度提高使得在多角色系統中完成這些任務成為可能。Altera? FPGA和結構化ASIC提供功能強大而又使用方便的軟件，公司還與邏輯設計軟件伙伴進行可靠的合作，因此，在這一技術發展趨勢中扮演了重要角色。大量的IP模塊庫簡化了這類復雜的軍用設計。

圖3.軍用電子市場的重疊
其他技術影響

傳感器中有源陣列的迅速發展是推動邏輯器件的主要技術力量。大量的陣列單元意味著更多的設計工作，更復雜的聚束算法，更密集的集成和測試，以及更長的系統物流供給線。

為滿足軍用系統的各種計算需求，政府客戶加大了對可配置處理器的投入，同時完成前端和后端處理功能。雖然有些技術已經實現了產品化，而可編程邏輯是完成關鍵傳感器項目的最佳中間設計步驟。

傳感器設計采用了多輸入多輸出(MIMO)傳感器陣列進行試驗(圖4所示)。MIMO系統中的接收機完成多個正交傳輸波形之間的相位延時相關計算，充分利用了電子器件密度和計算容量的進步。希望在這一市場上脫穎而出的開發人員應采用這些最高級的高密度器件，以最簡潔的設計流程、最有效的編譯手段完成設計。

圖4. MIMO傳感器
讓AESA更靈活

AESA是功能非常強大的技術，可建立高度自適應調整束，跟蹤多個目標或者聚焦在一個位置的電磁能量上。為充分利用系統的操縱功能，設計人員盡可能將信號處理功能在系統的轉發輻射單元中實現。這包括波形建立和壓縮、聚束、相關和預處理。大部分功能在經過優化的并行FPGA邏輯中完成，加速了聚束算法和波形自適應功能，縮短了系統反應時間。

高密度Stratix?系列FPGA是優化雷達系統性能的最佳工具。邏輯密度的提高使得在一個芯片中實現更多的功能成為可能。改進后的DSP單元簡化了矩陣的算術實現，提高了靈活性。非常靈活的18x18位乘法器可以分成9x9位單元，或者組合成功效和邏輯效率非常高的54位乘法器，完成浮點運算。Altera的浮點算子經過測試，適合多種高性能應用。

高級傳感器要求

和其他工程領域相比，軍用高級傳感器設計面臨的挑戰非常獨特，它包括商業市場上的所有設計約束，而且還有跨越兩到三代元件技術的設計一致性、嚴格的測試和驗證以及更新設計和實現產品生命周期等。這些約束的一些例子有：

· 較高的串行數據流容量：數字天線技術轉向模擬數字融合，更靠近接收機，需要提高信號分辨率以完成數字濾波。

· 復雜的數學運算：信號預處理和矩陣運算要求采用大量的DSP模塊單元以保證以前由數字信號處理器完成的任務。

· 對散熱敏感：傳感器系統一般有較長的使用時間，連續工作時需要進行散熱。

· 多角色電子系統的邏輯密度：由于很多軍事任務都是由同一陣列完成的，因此，對發送和接收電子系統的要求非常高。
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· 速度和延遲性能：傳感器陣列中的邏輯器件速率等級和延遲以及邏輯器件之間的所有接口延遲，都會影響反應時間和聚束算法的性能。

· 元件供貨：傳感器系統非常復雜，一個元件不能按計劃供貨都會對系統其他部分產生嚴重的后果。

· 工具流程的易用性：數百萬的邏輯單元(LE)集成在一個系統設計中，大量邏輯代碼的設計、編譯和測試都有可能推高成本，影響進度。

· 信號完整性：越來越多的接收機數據在最終處理過程中彼此相關，很小的信號誤差也會對傳感器算法產生很大的影響。因此，數字元件的信號完整性非常重要。

高速串行I/O

軍用傳感器系統使用各種高速串行接口(參見表1)來處理發送\接收單元產生的大量數據。Altera為大部分協議提供內部解決方案以及合作伙伴解決方案，并提供減小開銷和延遲的專用SerialLite II標準。
表1. Altera及其合作伙伴的標準和高速接口協議支持

Altera內部開發的SerialLite II協議的多種特性非常適合實現軍用傳感器設計，這些特性包括：

· 1至16倍速率，最大6.375 Gbps
· 非常低的延遲以及高效的LE實現
· 支持單向速率和半雙工吞吐量，適合單向傳感器流。

高速傳感器數據流產品，例如即將實施的Curtis Wright Controls? FibreXtreme串行FPDP (ANSI/VITA 17.1-2003)數據鏈路，采用Altera FPGA實現非常可靠的串行接口，具有成熟的信號完整性以及較高的數據速率。

功耗和散熱優勢

軍事用戶要求在傳感器陣列中采用散熱性能良好的元件，以提高靈活性和精度，并且不會因為提高傳感器性能而增加系統體積或者重量。這意味著更緊湊的傳感器電子元件，復雜的功耗和散熱要求。

系統設計人員從沒有象現在這樣直接能夠控制可編程邏輯器件的功耗和散熱。Altera設計流程有五種優勢幫助實現系統功耗和性能的最佳平衡。Altera專利可編程功耗技術支持設計人員在需要提高性能的關鍵邏輯通路上提高功率，而對不需要的地方則降低功率。設計人員可以在0.9V和1.1V FPGA內核電壓之間進行選擇，以達到功耗和性能的平衡。此外，功能強大的Altera Quartus? II設計系統還具有兩個新特性：動態智能地關斷未使用的電源連接，優化電源走線。