Введение

Современные радиолокационные системы работают с высокочастотными сигналами до 100 ГГц. Современные радиолокационные системы с фазированной решёткой могут работать в различных режимах, использующих цифровую обработку сигналов (ЦОС), таких как поиск, идентификацию, сопровождение, целеуказание и наблюдение. Большая часть таких таких радиолокационных систем, независимо от способа управления — механического или электрического, в настоящее время обрабатывают сигналы цифровым способом для обеспечения функциональной гибкости и разнообразных режимах работы с использованием сигналов, формируемых программно.

Многие военные приложения имеют сильные ограничения в части габаритных размеров и потребляемой мощности. ПЛИС предлагают лучшие характеристики производительности, массы, размеров и потребляемой мощности для таких приложений, требующих цифровой обработки сигналов.  В частности, ПЛИС компании ALtera (Intel) предоставляет следующие дополнительные возможности:

• эффективные блоки цифровой обработки данных с поддержкой операций с плавающей запятой для улучшения рабочего диапазона
• параллельная цифровая обработка с расширенной емкостью памяти и пропускной способностью ввода-вывода
• цифровая обработка с переменной точностью для эффективной интеграции антенных систем
• комплексные решения для цифровой обработки сигналов уникальные для индустрии
• низкое статическое и динамическое энергопотребление.

В добавок в перечисленному выше списку ПЛИС компании Altera (Intel) с поддержкой вычислений с плавающей запятой позволяют обеспечить высокоточную обработку непосредственно рябом с антенной, что позволяет увеличить динамический диапазон и уменьшить потери. Обработка с плавающей запятой также масштабирует числа за счет отслеживания и переноса двоичной десятичной точки в мантиссе с минимальным риском переполнения.

Требования к цифровой обработки в радиолокации

Современные радиолокаторы обрабатывают огромное количество информации в реальном времени. Это значит, что они обрабатываю информацию без задержек. Обработка в реальном времени  предъявляет жёсткие требования к устройствам цифровой обработки сигналов. Также такие системы обладают значительными требованиями к габаритам, мощности и теплоотведения. Следующие технологии поддерживают цифровую обработку сигналов в реальном времени:

• ПЛИС
• автономные процессоры обработки сигналов
• графические процессоры общего назначения
• многоядерные процессоры

В то время как все перечисленные устройства предлагают гибкую, программно определяемую цифровую обработку, только ПЛИС компании Altera (Intel) могут обеспечить лучшую производительность, размеры, потребление и массу, настоящие вычисления с плавающей точкой и параллельную обработку.

Критический элемент обработки сигналов — это соотношение производительности к потребляемой мощности, часто измеряемое в ГФЛОП на Ватт для операций с плавающей точкой. В таблице 1 приведены диапазоны ГФЛОП/Ватт для различных продуктов.

Таблица 1

В таблице 1 перечислены ПЛИС, которые могут осуществлять операции с плавающей точной в более чем 10 раз эффективнее, чем многие процессоры. Ожидается, что семейство ПЛИС Stratix V, выполненные по технологии 28 нм, удвоит производительность в ГФЛОПС по сравнению с предыдущими поколениями ПЛИС.  Разработчики могут увеличить производительность за счет комбинирования возможностей ПЛИС Stratix IV или Startix V и процессоров цифровой обработки сигналов Bittware Anemone. Комбинация из ПЛИС серии Startix и процессор цифровой обработки сигналов Anemone позволяют достигнуть более высокой производительности и обеспечивают возможность использования стандартного программного кода ANSI С для сигнального процессора с ускорением обработки в ПЛИС. ПЛИС с вычислениями с плавающей точкой предоставляют более эффективные  решения в части габаритов и потребляемой мощности    для заданных требований к производительности.

Решения цифровой обработки сигналов в реальном времени параллельно совершают тысячи вычислений. Только ПЛИС обладают необходимыми возможностями потому, что они предоставляют улучшенный и настаиваемый доступ к памяти и широкую пропускную способность по сравнению с аппаратными процессорами. Современные ПЛИС содержат тысячи элементов цифровой обработки сигналов, которые могут работать параллельно, более 50 Мб встроенной памяти и до 500 Гбит/с пропускной способности ввода-вывода. Элементы обработки сигналов также включают высоко эффективные функции, такие  как предварительные сумматоры, которые сокращают количество элементов, необходимых для проектирования цифровых фильтров.

Радиолокационные системы должны оперировать в крайне широком диапазоне. Мощность передающего сигнала уменьшается в квадрате  расстояния до цели и обратно в обратном направлении,  что приводит к затуханию в четвёртой степени от расстояния. Дискриминирующие расстояния и малозаметные цели без сигналов засветки высокой интенсивности, приводят к большой разрядности чисел, если реализовать обработку с помощью чисел с фиксированной запятой. Обычно используются вычисления с плавающей запятой одинарной или двойной вычислительной точности, как минимум, в качестве части общего процесса обработки радиолокационных сигналов для решениях этих проблем.

Только компания Alteta (Intel)  предлагает настоящие техники вычислений с плавающей точкой одинарной или двойной точности в ПЛИС.

Ссылки

1. Bores Signal Processing, Introduction to DSP—DSP Processors: Data Formats, December, 2010. http://www.bores.com/courses/intro/chips/6_data.htm
2. Jeffs, Brian D. Beamforming: A Brief Introduction, Presentation, (Brigham Young University, October, 2004).
3. Harris, Fredric J. Multirate Signal Processing for Communication Systems, Chapter 6,(Prentice Hall, ISBN 0-13-146511-2).
4. Richards, Mark A. Fundamentals of Radar Signal Processing, Chapter 9, (McGrawHill, ISBN 0-07-144474-2).
5. Worsham, Richard. Northrop Grumman Radar Notes, et al, Presented at Radar 2010 Conference, May, 2010

Источники

• https://www.intel.com/content/dam/www/programmable/us/en/pdfs/literature/wp/wp-01156-dsp-radar.pdf

Материал предназначен для использования в образовательных целях