充满信心地设计军用SWaP产品

白皮书充满信心地设计军用SWaP产品2007年4月，1.1版1WP-01020-1.1引言21世纪的战场以网络战为中心，从卫星到单兵，直到各种装备中，系统的体积、重量和功耗(SWaP)都非常关键。不论是在有人(舰艇、飞机以及车辆)，还是无人(导弹、传感器，以及空中、地面车辆(UAV和UGV))装备中，保密无线通信都是各种方案关注的焦点。在所有战场上，保密通信设备的三重业务(语音、视频和数据)功能和多兆位带宽设计是难度最大的。机载和海上软件无线电(SDR)设计遇到的挑战是功能和散热(制冷)问题，而SWaP最迫切的要求则是采用手持式、单兵携带和小外形(HMS)电池工作系统。SWaP军事应用图1所示为SWaP军事系统保密通信的工作范围，从一般的雷达和电子战(左面)到最敏感的HMS无线电和无人地面传感器。大部分雷达和电子战系统更重视功能而不是SWaP，有足够的体积和功耗。UAV和UGV的无线通信系统对SWaP比较敏感，总功耗预算中的一部分被分配给空中和地面移动。而武器和导弹体积非常紧凑，发射后任务执行时间较短，因此，对功耗要求较低。然而，对于HMS电池供电的无线电设备，其体积、重量和功耗要求较高，SWaP显得越来越重要。图1.军事系统中各种应用对SWaP的敏感程度生产手持式无线电设备有一定的难度。士兵需要携带大量的弹药和人体防护装备，尽量少带电池，因此，SWaP非常关键。各种战场环境下苛刻的工作需求迫使无线电设备封装采用最小的外形，元件数量尽可能少。如图2所示，SRW和WNW等新的军用信号处理不但需要低功耗数字信号处理(DSP)设备，更重视灵活性和功能。SDR设计的高级信号(中频(IF)、调制和每秒兆比特(Mbps)级处理)、三重业务数据包处理和军用软件通信体系结构(SCA)中间件(对于独立硬件)都需要可编程功能，所有这些都涉及到FPGA资源的应用。最终，SDR电子设备的功耗会对军事任务执行时间有不利影响，在恶劣环境下，甚至会超过系统散热的影响。HigherLowerSensorsHandheldVehicularMunitionsUAVAirborneEWRadarMilitarySystemsAlteraDeviceUseSWaPSensitivityMajorMinorSDRUse%ofsystemAvionics充满信心地设计军用SWaP产品Altera公司2图2.军用信号需求总结一下车载和机载应用中电池供电HMS、SWaP敏感射频在SWaP设计中遇到的挑战：•苛刻的体积和重量限制：最小的设备体积小于25立方厘米。•功耗直接影响任务执行时间：使用典型的军用电池，目前的可编程电子设备功耗约4瓦，无线电系统连续工作时间大约只有6个小时。•数字电子信号处理对功耗预算的影响最大：随着信号带宽和复杂度的提升，数字处理占据了无线电设备中的大部分功能和功耗。•采用数字逻辑的折衷考虑：CPU和ASIC的数字处理有不同的选择。一般而言，DSP和FPGA组合可实现最佳功能组合，灵活性好，对功耗要折衷考虑。•对静态和动态功耗的折衷考虑：由于无线电的占空比问题，待机功耗与总功耗之比为10:1。因此，降低待机工作时的数字泄漏功耗势在必行。•折衷考虑电压和频率调整，以节省功耗：通过仔细的系统设计，可以降低待机、信标和紧急模式下的电压和频率，只有小部分无线电功能保持工作。•软件和硬件划分，以节省功耗：软件设计人员需要理解无线电工作模式，巧妙的管理硬件资源，有效地降低功耗。现在对产品的HMS要求降低了。各种单兵无线电信号(SRW)等信号处理对高性能FPGA的功耗非常敏感，超出了低功耗DSP器件和低成本FPGA的性能范围。随着数据速率从Kbps提高到Mbps，低功耗DSP器件无法实现IF、调制、比特级、数据包处理和组服务功能。很多低成本FPGA需要采用多种器件来实现所需的功能，从而限制了产品的体积和重量。高性能FPGA供应商曾尝试开发电压调整、信号集成部分配置等功能，但是成功的不多，经常会导致开发推迟，并且增加了系统风险。如果不仔细地控制器件设计和制造约束，调整电压(降低无线电设备待机时的电压，以减小静态功耗泄漏)会劣化对功能、时序和I/O参数的验证。在高性能工作的FPGA中，由于没有使用的功能区会吸收几瓦的静态功率(泄漏)，因此，进行部分重新配置(对部分逻辑重新编程，而其他功能保持不变)以降低功耗的效果并不好。Waveformrequirementsaffectresources−Differentfrequencies,modulations,channels−MultiplesetsofIF/basebandfunctionblocksWaveformportability−Samewaveformonmultipleplatforms−MultiplewaveformsonsameplatformPowerDensityMemoryFPGAResourcesVehicularAirborneManpackPowerDensityMemoryFPGAResourcesVehicularAirborneHandheldABDataxDatayDatazABDataxDatayDatazWaveforminteroperability−Voice,video,anddatatraffictypes−Qualityofserviceforpacketizeddata−WaveformbridgingAWaveformABCDWaveformsAltera公司充满信心地设计军用SWaP产品3设计人员为成功设立的目标要达到计划要求，设计人员面临非常严峻的功能和进度挑战：•实现小外形、轻型军用方案•在1瓦功率范围内实现信号集成，延长任务执行时间，提高灵活性。•实现大批量、低成本SDR手持设备的最大价值即使面临这些挑战，设计人员采用Altera最新的65nmFPGA器件，也能够充满信心地达到SDR产品的SWaP要求。Altera在成功的90nm器件基础上，实现了车载和机载SDR，为SDR电池供电方案提供功耗最佳的Stratix®III和Cyclone®IIIFPGA，并进行量产。解决SDR设计挑战Altera新的65nmStratixIII和CycloneIIIFPGA恰到好处地结合了高级体系结构以及最先进的低功耗技术。以前的90nm器件充分结合各种资源，实现系统开发和演示无线电(SDD计划)，Altera的65nm系列则针对SWaP产品应用进行了优化。图3所示为65nm器件性能和灵活性的进一步扩展。对于采用90nm可编程逻辑器件(PLD)实现IF、滤波和频率/时域转换的情况，65nm器件在所有的SDR应用外形封装上都能够实现更多的波形调制和通道以及数据包处理功能。图3.FPGA在SDR性能和灵活性上的扩展低功耗器件最新的高性能、高密度StratixIIIFPGA以最低的功耗实现了最好的信号处理性能和多模式功能，解决了大量机载和地面移动无线电问题(例如，AMF和GMR)。StratixIIIFPGA器件的逻辑单元资源超过340K，嵌入式存储器达到17Mbytes，乘法器数量接近900个，最适合对功能要求较高的SDR应用。设计人员必须能够实现WNW和JAN-TE等新的高性能信号，同时也要支持SRW等低性能信号，并且没有代价。当不需要电池时，Altera获得专利的可编程功耗技术对不重要通路上的所有电路进行优化，从而降低了散热和制冷要求。在传感器或者机载单事件反转(SEU)敏感系统等对功耗非常敏感的大批量应用中，只有Altera能够提供无缝途径，实现逻辑效率最高的HardCopy®结构化ASIC，同时提供ITAR保密生产工艺。HardCopy器件使用和Stratix系列FPGA相同的Quartus®工具包和设计流程，支持快速原型开发，能够迅速将功耗和成本降低70％。在小外形、轻型、电池供电SDR以及使用SRW和传统信号的专业无线电设备中，Altera®CycloneIII器件经过优化，能够解决各种SWaP设计难题。FlexibilityResourceReuirementRF/MixedSignalNetworkNetworkDSPsandGPPFPGAUseAnalysisAnalysisChannelCodingChannelCodingMod/DemodMod/DemodFFT/IFFTFFT/IFFTDigitalFilteringDigitalFilteringDUC/DDCDUC/DDCRFandA/DConversionRFandA/DConversionHandheldVehicularAirborne65nm90nm充满信心地设计军用SWaP产品Altera公司4•苛刻的体积和重量限制：对于设备体积小于10立方英寸的最小型应用，新器件在单个芯片中有足够的资源来处理SRW-CC(士兵无线电信号，战斗通信机模式)等高级信号。丰富的信号处理模块和充足的分布式存储器满足了外部大功率存储器元件对功耗的要求。还可以提供器件管芯，以便进行高级微封装。•功耗直接影响了任务执行时间：CycloneIII器件能够以小于1瓦的功率来实现全部的信号处理功能，任务执行时间是目前PLD方案的4倍。•数字信号处理对功耗预算的影响最大：随着信号复杂度的提升，大部分功能都可以在CycloneIIIFPGA中优化实现，从数字电子功耗预算中去掉DSP器件的功耗。•采用数字逻辑的折衷考虑：CycloneIII器件等低功耗PLD在每瓦每秒百万指令(MIPS)指标上已经超过了DSP，可以实现效率更高、功耗更低的数字方案。•对静态和动态功耗的折衷考虑：可以通过使用低静态功耗的CycloneIII器件来降低待机功耗，静态功耗低于其他90nm和65nmFPGA的十分之一。•折衷考虑电压和频率调整，以节省功耗：通过将CycloneIII器件的功能区划分为多个PLD时钟域，可以调整频率来节省功耗。按照Altera的指导，仔细进行系统设计，采用电压调整(StratixIIIFPGA提供1.1V和0.9V工作模式)和器件关断方法来降低待机工作时的静态泄漏。•软件和硬件划分，以节省功耗：效率最高的SWaP使用系统和器件效能工具来优化系统应用、工作模式、智能软件控制以及GPP、PLD、DSP和ASIC方案之间设计人员的功能划分等。为了进一步节省功耗，可以采用软件控制，在器件之间进行智能系统划分，关断待机时不重要的部分。利用Altera的低功耗PLD等其他系统优势，设计人员还可以使用效率更高的电源、更小的外形封装和更小、更轻、更便宜的电池。图4所示为Stratix和Cyclone系列与其他90nm和65nmPLD系列的静态功耗对比。采用两家PLD公司的功耗估算工具以及85°C时典型和最差情况的器件进行对比，并归一化为70KLE(请注意，公布的25°C静态功耗明显低)。从左面一列开始，Altera器件不但有优异的性能，而且90-nmCycloneII器件要比竞争对手静态功耗低50％，在功耗上有优异的制造容差，99.9％的器件都在20％以内。CycloneIII器件(第二列)进一步提高了50％，对于SwaP敏感产品应用，在所有PLD中具有最低的静态功耗(图5显示了整个CycloneIII系列在25°C和85°C时的静态功耗)。StratixII器件(第三列)相对于功耗的性能最佳，性能一般比竞争对手高25％，动态功耗低35％。Altera还提供工业和军用温度范围的Stratix系列器件，具有优异的功耗性能。最后，StratixIII器件(第四列)单位功耗的功能最佳，提供可编程功耗技术等创新特性，电压调整为0.09V实现最低功耗，即使这样性能也要优于竞争器件。Altera公司充满信心地设计军用SWaP产品5图4.Altera的低功耗PLD和竞争器件的对比图5.CycloneIII静态功耗SDR集成能力除了功耗优势，为了进一步提高SWaP应用的其他优势，PLD还必须具有优异的集成能力。图6和表1介绍了容量最大的