21世紀的戰(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。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(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)風險。如果不仔細地控制器件設(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(shè)計人員的目標
要達到計劃要求，設(shè)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(nèi)實現(xiàn)信號集成，延長任務(wù)執(zhí)行時間，提高靈活性
● 實現(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)以及最先進的低功耗技術(shù)。以前的90nm器件充分結(jié)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(chǎn)品應(yīng)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(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展
Stratix III FPGA以最低的功耗實現(xiàn)了最好的信號處理性能和多模式功能，解決了大量機載和地面移動無線電問題(如AMF和GMR)。Stratix III FPGA器件的邏輯單元資源超過340K，嵌入式存儲器達到17MB，乘法器數(shù)量接近900個，最適合對功能要求較高的SDR應(yīng)用。設(shè)計人員必須能夠?qū)崿F(xiàn)WNW和JAN-TE等新的高性能信號，同時也要支持SRW等低性能信號，并且沒有代價。當不需要電池時，Altera獲得專利的可編程功耗技術(shù)對不重要通路上的所有電路進行優(yōu)化，從而降低了散熱和制冷要求。
在小外形、輕型、電池供電SDR以及使用SRW和傳統(tǒng)信號的專業(yè)無線電設(shè)備中，Cyclone III等FPGA器件經(jīng)過優(yōu)化，能夠解決各種SWaP設(shè)計難題。
● 苛刻的體積和重量限制：對于設(shè)備體積小于10in3的最小型應(yīng)用，該器件在單個芯片中有足夠的資源來處理SRW-CC(士兵無線電信號，戰(zhàn)斗通信機模式)等高級信號。豐富的信號處理模塊和充足的分布式存儲器滿足了外部大功率存儲器元件對功耗的要求。還可以提供器件管芯，以便進行高級微封裝。
● 功耗直接影響了任務(wù)執(zhí)行時間：Cyclone III能夠以小于1W的功率實現(xiàn)全部的信號處理功能，任務(wù)執(zhí)行速度是目前PLD方案的4倍。
● 數(shù)字信號處理對功耗預(yù)算的影響最大：隨著信號復(fù)雜度的提升，大部分功能都可以在Cyclone III FPGA中優(yōu)化實現(xiàn)，從數(shù)字電子功耗預(yù)算中去掉DSP器件的功耗。
● 采用數(shù)字邏輯的折中考慮：Cyclone III等低功耗PLD在每瓦每秒百萬指令(MIPS)指標上已經(jīng)超過了DSP，可以實現(xiàn)效率更高、功耗更低的數(shù)字方案。
● 對靜態(tài)和動態(tài)功耗的折中考慮：可以通過使用低靜態(tài)功耗的Cyclone III來降低待機功耗，靜態(tài)功耗低于其他90nm和65nm FPGA的1/10。
● 折中考慮電壓和頻率調(diào)整，以節(jié)省功耗：通過將Cyclone III的功能區(qū)劃分為多個PLD時鐘域，可以調(diào)整頻率來節(jié)省功耗。采用電壓調(diào)整(Stratix III FPGA提供1.1V和0.9V工作模式)和器件關(guān)斷方法能夠有效降低待機工作時的靜態(tài)泄漏。
● 軟件和硬件劃分，以節(jié)省功耗：效率最高的SWaP使用系統(tǒng)和器件效能工具來優(yōu)化系統(tǒng)應(yīng)用、工作模式、智能軟件控制，以及GPP、PLD、DSP和ASIC方案之間設(shè)計人員的功能劃分等。為了進一步節(jié)省功耗，可以采用軟件控制，在器件之間進行智能系統(tǒng)劃分，關(guān)斷待機時不重要的部分。
SDR設(shè)計流程和工具
要保持在SWaP上的設(shè)計信心，設(shè)計人員應(yīng)采用能夠簡化并加速系統(tǒng)設(shè)計流程的方法和工具，集成最新開發(fā)和能夠重復(fù)使用的知識產(chǎn)權(quán)(IP)，以及FPGA和第三方供應(yīng)商的IP。
軟件編程重新配置(SPR)是支持各種可編程器件(相對于一種器件系列)在SDR頻譜范圍內(nèi)應(yīng)用的設(shè)計方法。SPR方法可利用Altera的SOPC Builder IP集成工具和Avalon流接口(Quartus工具包的組成部分)，簡化了數(shù)據(jù)包、DSP、圖像和雷達處理等多種應(yīng)用領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計。
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