引言

在現(xiàn)代城市和海岸戰(zhàn)爭中，預(yù)先掌握戰(zhàn)場環(huán)境非常重要。空中、海上和陸地的士兵需要了解周圍的環(huán)境，及早發(fā)現(xiàn)敵情。

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

如圖1所示，雷達系統(tǒng)可以用在多種平臺上，包括軍用和非軍用系統(tǒng)。很多這類系統(tǒng)采用了陣列和投影陣列技術(shù)，這些系統(tǒng)對數(shù)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(yīng)用
對于關(guān)注軍用高級傳感器市場的設(shè)計人員而言，Altera簡單可靠的工具流程、知識產(chǎn)權(quán)(IP)庫和高功效邏輯器件都具有很強的優(yōu)勢。

軍用電子系統(tǒng)的融合

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

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

圖3.軍用電子市場的重疊
其他技術(shù)影響

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

為滿足軍用系統(tǒng)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(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)品化，而可編程邏輯是完成關(guān)鍵傳感器項目的最佳中間設(shè)計步驟。

傳感器設(shè)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(tǒng)中的接收機完成多個正交傳輸波形之間的相位延時相關(guān)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(fā)人員應(yīng)采用這些最高級的高密度器件，以最簡潔的設(shè)計流程、最有效的編譯手段完成設(shè)計。

圖4. MIMO傳感器
讓AESA更靈活

AESA是功能非常強大的技術(shù)，可建立高度自適應(yīng)調(diào)整束，跟蹤多個目標(biāo)或者聚焦在一個位置的電磁能量上。為充分利用系統(tǒng)的操縱功能，設(shè)計人員盡可能將信號處理功能在系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)輻射單元中實現(xiàn)。這包括波形建立和壓縮、聚束、相關(guān)和預(yù)處理。大部分功能在經(jīng)過優(yōu)化的并行FPGA邏輯中完成，加速了聚束算法和波形自適應(yīng)功能，縮短了系統(tǒng)反應(yīng)時間。

高密度Stratix?系列FPGA是優(yōu)化雷達系統(tǒng)性能的最佳工具。邏輯密度的提高使得在一個芯片中實現(xiàn)更多的功能成為可能。改進后的DSP單元簡化了矩陣的算術(shù)實現(xiàn)，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(jīng)過測試，適合多種高性能應(yīng)用。

高級傳感器要求

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

· 較高的串行數(shù)據(jù)流容量：數(shù)字天線技術(shù)轉(zhuǎn)向模擬數(shù)字融合，更靠近接收機，需要提高信號分辨率以完成數(shù)字濾波。

· 復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算：信號預(yù)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(shù)字信號處理器完成的任務(wù)。

· 對散熱敏感：傳感器系統(tǒng)一般有較長的使用時間，連續(xù)工作時需要進行散熱。

· 多角色電子系統(tǒng)的邏輯密度：由于很多軍事任務(wù)都是由同一陣列完成的，因此，對發(fā)送和接收電子系統(tǒng)的要求非常高。
??
· 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(yīng)時間和聚束算法的性能。

· 元件供貨：傳感器系統(tǒng)非常復(fù)雜，一個元件不能按計劃供貨都會對系統(tǒng)其他部分產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。

· 工具流程的易用性：數(shù)百萬的邏輯單元(LE)集成在一個系統(tǒng)設(shè)計中，大量邏輯代碼的設(shè)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(shù)據(jù)在最終處理過程中彼此相關(guān)，很小的信號誤差也會對傳感器算法產(chǎn)生很大的影響。因此，數(shù)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(tǒng)使用各種高速串行接口(參見表1)來處理發(fā)送\接收單元產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。Altera為大部分協(xié)議提供內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)。
表1. Altera及其合作伙伴的標(biāo)準(zhǔn)和高速接口協(xié)議支持

Altera內(nèi)部開發(fā)的SerialLite II協(xié)議的多種特性非常適合實現(xiàn)軍用傳感器設(shè)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(xiàn)
· 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(shù)據(jù)流產(chǎn)品，例如即將實施的Curtis Wright Controls? FibreXtreme串行FPDP (ANSI/VITA 17.1-2003)數(shù)據(jù)鏈路，采用Altera FPGA實現(xiàn)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(shù)據(jù)速率。

功耗和散熱優(yōu)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(tǒng)體積或者重量。這意味著更緊湊的傳感器電子元件，復(fù)雜的功耗和散熱要求。

系統(tǒng)設(shè)計人員從沒有象現(xiàn)在這樣直接能夠控制可編程邏輯器件的功耗和散熱。Altera設(shè)計流程有五種優(yōu)勢幫助實現(xiàn)系統(tǒng)功耗和性能的最佳平衡。Altera專利可編程功耗技術(shù)支持設(shè)計人員在需要提高性能的關(guān)鍵邏輯通路上提高功率，而對不需要的地方則降低功率。設(shè)計人員可以在0.9V和1.1V FPGA內(nèi)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(shè)計系統(tǒng)還具有兩個新特性：動態(tài)智能地關(guān)斷未使用的電源連接，優(yōu)化電源走線。