軍用雷達處理系統的開發人員面臨兩大挑戰。第一個挑戰是現代多頻段雷達傳感器產生大量數據，需要盡可能準確和快速地將其帶入系統的數字處理階段，以便為作戰人員生成可操作的數據。這一領域的第二個挑戰是特派團必須應對的快速變化，因為對手不斷改變和發展他們的戰術并開發更復雜的技術。

就在十年前，傳統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生特定的數據速率，具有特定的下游數據和處理效果。每個雷達系統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。現在，雷達信號檢測必須在多個頻段上執行，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送更多的數據。為了支持這些新的傳感器，雷達系統開發人員希望使用底層數字處理技術，該技術可以接受和處理來自各種不同來源的數據。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現新威脅時開發獨特數字處理器所需的成本和時間。

單點解決方案

雷達、電子戰 （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新系統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 ［現場可編程門陣列］ 器件是雷達處理系統的關鍵組件，正在不斷發展并增加更多功能，例如浮點數學、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。 數字下變頻器 （DDC） 等功能特別適用于 FPGA，可以刪除或動態掃描無關數據， 確保以后的處理鏈不會被數據淹沒，從而減慢系統速度。FPGA 幾乎具有獨特的能力，能夠支持處理和處理雷達系統應用典型的大量傳感器數據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前端的卓越技術。

FPGA 非常適合對傳入的原始傳感器數據流執行數學密集型算法，例如快速傅立葉變換 （FFT）。在FPGA提取關鍵數據后，可以將其發送到DSP ［數字信號處理器］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，但數據集更小，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，雷達系統通常在設計時考慮特定程序或目的的系統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模塊開發的一個缺點是，它們往往需要大量資源來開發和維護。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，系統設計人員越來越多地轉向商用現貨（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，系統設計人員無需為每種天線設計開發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元件時非常有用。板載內存的數量及其類型、速度和深度也是關鍵考慮因素。PCI Express （PCIe）、以太網和 Aurora 等標準接口可提供與其他系統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：光纖的優勢

另一個有助于使 COTS FPGA 模塊成為雷達系統設計人員引人注目的選擇的最新發展是模塊本身上光纖接口的可用性，使大量傳感器數據能夠直接引入 VPX 背板，然后發送到 FPGA 進行數字處理。這種方法使雷達系統能夠吸收盡可能多的原始傳感器數據，而無需引入任何中間轉換階段。相反，數據直接從傳感器發送，并通過背板發送到FPGA上的光學傳感器。

此時，傳感器數據已進入數字處理領域，可以執行算法。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背板將數據發送到數字處理器之前，需要這樣的模塊來執行光纖轉換。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） 統計數據。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勢，因為它們不會產生可能使黑客攻擊成為可能的EMI或噪聲。對于作戰人員來說，更快地訪問更多的雷達數據提供了更長視野的可能性，更準確和更快速地定位環境中的目標，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的核心，可與雷達系統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的另一個關鍵要素是高速收發器模塊，用于處理模數轉換和數模轉換同步的同步。3U VPX VPX3-534 模塊是一個 6 Gs/秒的收發器卡，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，可幫助系統設計人員跟上快速發展的挑戰。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據轉化為可操作智能的能力。這些應用的本質是傳感器數據量將繼續增長，而對手的復雜性將繼續擴大。COTS FPGA 可幫助系統設計人員跟上這一快速變化的形勢。

審核編輯：郭婷