雷达数字信号处理解决方案
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雷达数字信号处理解决方案
1.背景
数字信号处理是现代通信、雷达和电子对抗设备的重要组成部分。在实际应用中，利用数字信号处理技术对接收数据进行处理，不仅可以实现高精准的目标定位和目标跟踪，还能够将目标识别、目标成像、精确制导、电子对抗等功能进行拓展，实现多种业务的一体化集成。
在现代雷达系统中，随着有源相控阵和数字波束形成（DBF）技术的广泛应用，接收前端存在大量的数据需要并行处理，并需要保证高性能和低延迟的特点。雷达日益复杂的应用环境，让雷达系统具备自适应于探测目标和环境的能力，数字信号处理部分也需要使用多种更加复杂的算法，并且可以做到算法模块化，以及通过软件配置功能模块的参数，实现软件定义的功能。更大的数据处理带宽能够使雷达获得更高的分辨率，更高的工作频率使得雷达可以小型化，能够在更小的平台上安装，这样对于硬件平台实现也有低功耗的要求。
在电子对抗设备中，可以在最短的时间内对多个威胁目标进行快速分析和响应，同样需要数字信号处理的相关算法具备高实时，高动态范围和自适应的特点。如何在宽频噪声的环境中寻找到目标的特征数据，如何在宽带范围内制造虚假目标实现全覆盖，数字信号的处理性能是至关重要的设计因素。
加速云的SC-OPS和SC-VPX产品，针对5G通信和雷达的数字信号处理的要求，结合Intel最新14nm 工艺的Stratix10 FPGA系列，提供了一套完整的硬件和软件相结合的解决方案。SC-OPS产品作为单独的硬件加速卡，通过PCIe插卡的方式实现与主机的通信功能，还可以通过多卡级联的方式实现数字信号的分布式处理方案。SC-VPX产品是由FPGA业务单板、主控板和机箱组成的VPX系统。借助于FPGA可编程的特性，加速云提供了高性能数学加速库FBLAS和FFT的RTL级IP，具有高性能和算法参数可配置的特点实现了多重信号分类（MUSIC）和自适应数字波束形成（ADBF）的核心算法，提高了5G通信和雷达在对抗干扰方面的性能。为了方便客户使用高层语言开发，加速云提供基于FPGA完整的OpenCL异构开发环境，快速实现用户自定义的信号处理加速方案。
图1. 加速云SC-OPS和SC-VPX产品
2.方案组成
2.1基于SC-OPS产品的系统架构图
图2. SC-OPS产品系统框图
基于SC-OPS产品的系统分别由硬件资源层，算法实现层和应用层三部分组成。
SC-OPS加速卡作为主要的硬件平台，采用IntelStratix10 GX2800 FPGA器件，集成2753KLE资源和9.2TFLOPS单精度浮点计算能力。单板支持2个40/100G光口或电口，支持板间通信以及设备间级联。板卡支持8个DDR4-2400MHz 72bits位宽的内存通道（ES支持2133MHz），以及PCIeGen3 16Lane 的主处理器通信接口。
通过在主机内插入一张或多张SC-OPS加速卡的形式，可以实现不同性能的硬件集成。以一机八卡服务器为例，整机具备73.6TFLOPS的单精度浮点计算能力，并具有纳秒级低延时特性，可应用于高性能的数字信号处理的解决方案。加速云在算法实现层提供了基于FPGA逻辑实现的高性能数学加速库FBLAS，FFT，MUSIC和ADBF核心算法，以上功能模块都是以IP形式提供，并提供相应的API接口函数，通过PCIe接口实现在应用层的调用,从而可以搭建软件定义雷达系统，实现超高性能高灵活的雷达仿真平台。对于更加关注于自定义算法实现的用户来说，加速云还可以支持面向OpenCL的FPGA异构平台开发环境，提供了SC-OPS板卡对应的BSP，用户只需要自行编写OpenCLKernel和Host程序，即可以快速的实现相关算
2.2基于SC-VPX产品的系统架构图
PCIE
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1主控板
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FPGA/其他业务单板
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FPGA/其他业务单板
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FPGA/其他业务单板
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FPGA/其他业务单板
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FPGA/其他业务单板
图3. SC-VPX 产品系统框图