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FPGA技术及其在雷达数据处理中的应用

2018-10-12
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什么是FPGA?


FPGA(Field-Programmable Gate Array),中文名为现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

在最高层面上,FPGA是可重新编程的硅芯片。 使用预建的逻辑块和可重新编程布线资源,用户无需再使用电路试验板或烙铁,就能配置这些芯片来实现自定义硬件功能。 用户在软件中开发数字计算任务,并将它们编译成配置文件或比特流,其中包含元器件相互连接的信息。 此外,FPGA可完全可重配置,当用户在重新编译不同的电路配置时,能够当即呈现全新的特性。 过去,只有熟知数字硬件设计的工程师懂得使用FPGA技术。 然而,高层次设计工具的兴起正在改变FPGA编程的方式,其中的新兴技术能够将图形化程序框图、甚至是C代码转换成数字硬件电路。

各行各业纷纷采用FPGA芯片是源于FPGA融合了ASIC和基于处理器的系统的最大优势。 FPGA能够提供硬件定时的速度和稳定性,且无需类似自定制ASIC设计的巨额前期费用的大规模投入。 可重新编程的硅芯片的灵活性与在基于处理器的系统上运行的软件相当,但它并不受可用处理器内核数量的限制。 与处理器不同的是,FPGA属于真正的并行实行,因此不同的处理操作无需竞争相同的资源。 每个独立的处理任务都配有专用的芯片部分,能在不受其它逻辑块的影响下自主运作。 因此,添加更多处理任务时,其它应用性能也不会受到影响。


FPGA技术的五大优势


1.     性能

利用硬件并行的优势,FPGA打破了顺序执行的模式,在每个时钟周期内完成更多的处理任务,超越了数字信号处理器(DSP)的运算能力。 著名的分析与基准测试公司BDTI,发布基准表明在某些应用方面,FPGA每美元的处理能力是DSP解决方案的多倍。2在硬件层面控制输入和输出(I/ O)为满足应用需求提供了更快速的响应时间和专业化的功能。

2.     缩短周期

FPGA技术为产品提供了灵活性和快速原型的能力。 用户可以测试一个想法或概念,并在硬件中完成验证,而无需经过自定制ASIC设计漫长的制造过程。由此用户就可在数小时内完成逐步的修改并进行FPGA设计迭代,省去了几周的时间。 商用现成(COTS)硬件可提供连接至用户可编程FPGA芯片的不同类型的I/O。 高层次的软件工具的日益普及降低了学习曲线与抽象层,并经常提供有用的IP核(预置功能)来实现高级控制与信号处理。

3.     降低成本

自定制ASIC设计的非经常性工程(NRE)费用远远超过基于FPGA的硬件解决方案所产生的费用。 ASIC设计初期的巨大投资表明了原始设备制造商每年需要运输数千种芯片,但更多的最终用户需要的是自定义硬件功能,从而实现数十至数百种系统的开发。 可编程芯片的特性意味着用户可以节省制造成本以及漫长的交货组装时间。 系统的需求时时都会发生改变,但改变FPGA设计所产生的成本相对ASCI的巨额费用来说是微不足道的。

4.     稳定性

软件工具提供了编程环境,FPGA电路是真正的编程“硬”执行过程。 基于处理器的系统往往包含了多个抽象层,可在多个进程之间计划任务、共享资源。 驱动层控制着硬件资源,而操作系统管理内存和处理器的带宽。 对于任何给定的处理器内核,一次只能执行一个指令,且基于处理器的系统时刻面临着严格限时的任务相互取占的风险。 而FPGA不使用操作系统,拥有真正的并行执行和专注于每一项任务的确定性硬件,可减少稳定性方面出现问题的可能。

5.     长期维护

FPGA芯片是现场可升级的,无需重新设计ASIC所涉及的时间与费用投入。 举例来说,数字通信协议包含了可随时间改变的规范,而基于ASIC的接口可能会造成维护和向前兼容方面的困难。 可重新配置的FPGA芯片能够适应未来需要作出的修改。 随着产品或系统成熟起来,用户无需花费时间重新设计硬件或修改电路板布局就能增强功能。


FPGA的应用范围


可分为三个层面:电路设计,产品设计,系统设计

1.电路设计中FPGA的应用

连接逻辑,控制逻辑是FPGA早期发挥作用比较大的领域也是FPGA应用的基石。事实上在电路设计中应用FPGA的难度还是比较大的,这要求开发者要具备相应的硬件知识(电路知识)和软件应用能力(开发工具),这方面的人才比较紧缺,往往都从事新技术,新产品的开发,成功的产品将变成市场主流的基础产品供产品设计者应用。

2.产品设计

  把相对成熟的技术应用到某些特定领域如通讯,视频,信息处理等等开发出满足行业需要并能被行业客户接受的产品这方面主要是FPGA技术和专业技术的结合问题,另外还有就是与专业客户的界面问题产品设计还包括专业工具类产品及民用产品,前者重点在性能,后者对价格敏感产品设计以实产品功能为主要目的,FPGA技术是一个实现手段在这个领域,FPGA因为具备接口,控制,功能IP,内嵌CPU等特点有条件实现一个构造简单,固化程度高,功能全面的系统产品设计将是FPGA技术应用最广大的市场,具有极大的爆发性的需求空间,产品设计对技术人员的要求也比较高。

3.系统级应用

  系统级的应用是FPGA与传统的计算机技术结合,实现一种FPGA版的计算机系统如用XilinxV-4, V-5系列的FPGA,实现内嵌POWERPCCPU, 然后再配合各种外围功能,实现一个基本环境,在这个平台上跑LINIX等系统,这个系统也就支持各种标准外设和功能接口,这对于快速构成FPGA大型系统来讲是很有帮助的。这种"山寨"味很浓的系统早期优势不一定很明显,类似ARM系统的境况但若能慢慢发挥出FPGA的优势,逐渐实现一些特色系统也是一种发展方向。


FPGA在雷达信号处理中的应用


雷达信号处理所涉及的功能分为三类:

1) 信号产生:包括调制、上变频、倍频、合成、放大和波束形成;

2) 信号提取:包括解调、下变频、分频、滤波、检测和成像;

3) 信号变换:包括频率变换、A/D变换、相关、放大和延时。

现代雷达将这些功能大体分配到三个雷达分系统中,其一称之为波形形成器或频率综合器,它主要完成基于 高稳定震荡源各种信号与时序的产生。其二为接收机,它主要完成模拟处理意义上的变(混)频、通带放大、匹配滤波和检波等。其三为信号处理分系统,它主要任务是基于干扰抑制的信号压缩、基于门限切割的数据减少、基于估计测量的目标参数度量。

雷达信号处理的一般方式是双支路处理:相参支路和正常支路。雷达正常处理通道的主要功能是减小相参通道不必要的处理损失,提高目标尤其是低速小目标的检测能力,对切向飞行的大目标也有良好的检测性能。正常通道是雷达针对在清洁区工作环境下对目标进行检测的一种设计方法,它由求模电路、对数变换电路、快门限恒虚警电路(GO-CFAR)、慢门限恒虚警电路(MAP-CFAR)、幅度杂波图等电路组成。



雷达正常处理通道的系统框图


随着雷达技术的不断发展,对雷达处理能力提出了更高的要求。要在错综复杂的有源和无源杂波环境中实时完成对弱小目标的检测,雷达信号处理的优良性能至关重要。雷达信号处理算法理论的研究发展较快,但工程实现手段是制约雷达信号处理水平整体发展的重要因素,而超大规模、高速FPGA广泛的应用于雷达信号处理,使雷达信号处理进入了一个新的时代。它易于实现雷达功能的扩充和运算速度的不断提高以及实现雷达编程处理和模块化。而且FPGA在雷达信号处理中越来越多的取代了ASIC,它具有开发周期短、费用低、处理能力强等特点,适应现代战争的需求,因此广泛的应用于雷达雷达信号处理中。




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