充滿信心地設(shè)計軍用SDR產(chǎn)品

21世紀(jì)的戰(zhàn)場以網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)為中心，從衛(wèi)星到單兵，以及各種裝備中，系統(tǒng)體積、重量和功耗(SWaP)都非常關(guān)鍵。不論是在有人(艦艇、飛機(jī)和車輛)，還是無人(導(dǎo)彈、傳感器，以及空中和地面車輛(UAV和UGV))裝備中，保密無線通信都是各種方案關(guān)注的焦點(diǎn)。而且，在不同戰(zhàn)場上，保密通信設(shè)備的三重業(yè)務(wù)(語音、視頻和數(shù)據(jù))功能和多兆位帶寬設(shè)計是難度最大的。機(jī)載和海上軟件無線電(SDR)設(shè)計遇到的挑戰(zhàn)是功能和散熱(制冷)問題，而SwaP應(yīng)用最迫切的要求則是采用手持式、單兵攜帶和小外形(HMS)電池工作系統(tǒng)。

SWaP軍事應(yīng)用
圖1所示為SWaP軍事系統(tǒng)保密通信的工作范圍，從一般的雷達(dá)和電子戰(zhàn)到最敏感的HMS無線電和無人地面?zhèn)鞲衅?，大部分雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)更重視功能而不是SWaP，有足夠的體積和功耗。UAV和UGV的無線通信系統(tǒng)對SWaP比較敏感，總功耗預(yù)算中的一部分被分配給空中和地面移動。而武器和導(dǎo)彈體積非常緊湊，發(fā)射后任務(wù)執(zhí)行時間較短，因此，對功耗要求較低。然而，對于HMS電池供電的無線電設(shè)備，其體積、重量和功耗要求較高，SWaP顯得越來越重要。

圖1 軍事系統(tǒng)中SWaP的敏感工作范圍

生產(chǎn)手持式無線電設(shè)備有一定的難度。士兵需要攜帶大量的彈藥和人體防護(hù)裝備，盡量少帶電池，因此，SWaP非常關(guān)鍵。各種戰(zhàn)場環(huán)境下苛刻的工作需求迫使無線電設(shè)備封裝采用最小的外形，元件數(shù)量盡可能少。SRW和WNW等新的軍用信號處理不但需要低功耗數(shù)字信號處理設(shè)備，更重視靈活性和功能。SDR設(shè)計的高級信號(中頻(IF)、調(diào)制和每秒兆比特級處理)、三重業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包處理和軍用軟件通信體系結(jié)構(gòu)(SCA)中間件(對于獨(dú)立硬件)都需要可編程功能，所有這些都涉及到FPGA資源的應(yīng)用。最終，SDR電子設(shè)備的功耗會對軍事任務(wù)執(zhí)行時間有不利影響，在惡劣環(huán)境下，它甚至?xí)^系統(tǒng)散熱的影響。

現(xiàn)在對產(chǎn)品的HMS要求降低了。各種單兵無線電信號(SRW)等信號處理對高性能FPGA的功耗非常敏感，超出了低功耗DSP器件和低成本FPGA的性能范圍。隨著數(shù)據(jù)速率從Kb/s提高到Mb/s，低功耗DSP器件無法實(shí)現(xiàn)IF、調(diào)制、比特級、數(shù)據(jù)包處理和組服務(wù)功能。很多低成本FPGA需要采用多種器件來實(shí)現(xiàn)所需的功能，從而限制了產(chǎn)品的體積和重量。

高性能FPGA供應(yīng)商曾嘗試開發(fā)電壓調(diào)整、信號集成部分配置等功能，但是成功得不多，經(jīng)常會導(dǎo)致開發(fā)推遲，并且增加了系統(tǒng)風(fēng)險。如果不仔細(xì)地控制器件設(shè)計和制造約束，調(diào)整電壓(降低無線電設(shè)備待機(jī)時的電壓，以減小靜態(tài)功耗泄漏)會劣化對功能、時序和I/O參數(shù)的驗(yàn)證。在高性能工作的FPGA中，由于沒有使用的功能區(qū)會吸收幾瓦的靜態(tài)功率(泄漏)，因此，進(jìn)行部分重新配置(對部分邏輯重新編程，而其他功能保持不變)以降低功耗的效果并不好。

設(shè)計人員的目標(biāo)
要達(dá)到計劃要求，設(shè)計人員面臨以下非常嚴(yán)峻的功能和進(jìn)度挑戰(zhàn)。

● 實(shí)現(xiàn)小外形、輕型軍用方案
● 在1W功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號集成，延長任務(wù)執(zhí)行時間，提高靈活性
● 實(shí)現(xiàn)大批量、低成本SDR手持設(shè)備的最大價值

解決SDR設(shè)計挑戰(zhàn)
以Altera的65nm Stratix III和Cyclone III FPGA為例，它們恰到好處地結(jié)合了高級體系結(jié)構(gòu)以及最先進(jìn)的低功耗技術(shù)。以前的90nm器件充分結(jié)合各種資源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)和演示無線電(SDD計劃)，Altera的65nm系列則針對SWaP產(chǎn)品應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。圖2所示為65nm器件性能和靈活性的進(jìn)一步擴(kuò)展。對于采用90nm可編程邏輯器件(PLD)實(shí)現(xiàn)IF、濾波和頻率/時域轉(zhuǎn)換的情況，65nm器件在所有的SDR應(yīng)用外形封裝上都能夠?qū)崿F(xiàn)更多的波形調(diào)制和通道以及數(shù)據(jù)包處理功能。

圖2 FPGA在SDR性能和靈活性上的擴(kuò)展