充滿信心地設計軍用SDR產品

21世紀的戰(zhàn)場以網絡戰(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)都非常關鍵。不論是在有人(艦艇、飛機和車輛)，還是無人(導彈、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注的焦點。而且，在不同戰(zhàn)場上，保密通信設備的三重業(yè)務(語音、視頻和數據)功能和多兆位帶寬設計是難度最大的。機載和海上軟件無線電(SDR)設計遇到的挑戰(zhàn)是功能和散熱(制冷)問題，而SwaP應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，總功耗預算中的一部分被分配給空中和地面移動。而武器和導彈體積非常緊湊，發(fā)射后任務執(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

生產手持式無線電設備有一定的難度。士兵需要攜帶大量的彈藥和人體防護裝備，盡量少帶電池，因此，SWaP非常關鍵。各種戰(zhàn)場環(huán)境下苛刻的工作需求迫使無線電設備封裝采用最小的外形，元件數量盡可能少。SRW和WNW等新的軍用信號處理不但需要低功耗數字信號處理設備，更重視靈活性和功能。SDR設計的高級信號(中頻(IF)、調制和每秒兆比特級處理)、三重業(yè)務數據包處理和軍用軟件通信體系結構(SCA)中間件(對于獨立硬件)都需要可編程功能，所有這些都涉及到FPGA資源的應用。最終，SDR電子設備的功耗會對軍事任務執(zhí)行時間有不利影響，在惡劣環(huán)境下，它甚至會超過系統(tǒng)散熱的影響。

現(xiàn)在對產品的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。隨著數據速率從Kb/s提高到Mb/s，低功耗DSP器件無法實現(xiàn)IF、調制、比特級、數據包處理和組服務功能。很多低成本FPGA需要采用多種器件來實現(xiàn)所需的功能，從而限制了產品的體積和重量。

高性能FPGA供應商曾嘗試開發(fā)電壓調整、信號集成部分配置等功能，但是成功得不多，經常會導致開發(fā)推遲，并且增加了系統(tǒng)風險。如果不仔細地控制器件設計和制造約束，調整電壓(降低無線電設備待機時的電壓，以減小靜態(tài)功耗泄漏)會劣化對功能、時序和I/O參數的驗證。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。

設計人員的目標
要達到計劃要求，設計人員面臨以下非常嚴峻的功能和進度挑戰(zhàn)。

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

解決SDR設計挑戰(zhàn)
以Altera的65nm Stratix III和Cyclone III FPGA為例，它們恰到好處地結合了高級體系結構以及最先進的低功耗技術。以前的90nm器件充分結合各種資源，實現(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產品應用進行了優(yōu)化。圖2所示為65nm器件性能和靈活性的進一步擴展。對于采用90nm可編程邏輯器件(PLD)實現(xiàn)IF、濾波和頻率/時域轉換的情況，65nm器件在所有的SDR應用外形封裝上都能夠實現(xiàn)更多的波形調制和通道以及數據包處理功能。

圖2 FPGA在SDR性能和靈活性上的擴展