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美军用传感器和信号处理技术正在经历革命性的改进

来源:信息发布     作者:信息发布人员     发布时间:2020年10月19日     浏览次数:         

  美国军用传感器和信号处理技术正在经历革命性的改进历程,雷达、电子战(EW)、信号情报(SIGINT)、高性能边缘计算和反潜战(ASW)等应用领域将会从中大大获益。在过去的一年中,人工智能(AI)和机器学习(应用于智能传感器)、开放系统行业标准诸如传感器开放系统体系结构(SOSA)、现场可编程门阵列(FPGA)的新架构、信息安全、通过铜接口和光学接口快速联网、以及快速A/D和D/A转换等,正在成为强有力的市场推手。

  有了这些“利器”,系统设计者就可以在尺寸、重量和功耗(SWaP)更小的情况下处理比以往更多的数据,还可以利用嵌入式计算机外壳的自由插槽增添性能;在无人驾驶车辆等SWaP受限制的应用中,将高性能传感器和信号处理器尽可能靠近接收机天线。

  1 SOSA的影响

  SOSA是传感器开放系统体系结构的缩写。SOSA标准由旧金山的开放集团监管,主要目标是高性能嵌入式计算,但在开发时考虑了信号处理。该标准旨在抑制开放系统VPX标准的扩散,并为航空航天和国防系统创建一套可管理的互操作性指南,以使来自不同供应商的各种组件可以轻松地协同工作。

  针对SOSA的探索,研究人员正试图通过减少不同类型的模块、接口和背板,使其更具互操作性。SOSA的工作是减少变量,并使其标准化,这样各个供应商可以提供可重用和可升级的系统。这样做是为了尽可能地节约成本,并有效应对任何指定系统的复杂性。设计者必须在更高级别或通用级别至少对系统某部分进行切入,这样模块才能相互通信。SOSA的全部任务就是尽可能保持这些接口的一致性,这样就可以在不同的系统供应商之间实现兼容。目前,在用于传感器和信号处理的嵌入式计算行业中,SOSA正在迅速流行起来。

  2 FPGA的发展

  时至今日,传感器和信号处理技术的一个重要发展趋势是嵌入式处理器的改进,尤其是FPGA。美国 Xilinx公司提供了 Versal自适应计算加速平台(ACAP),该平台提供了一种集成的多核嵌入式计算机,可以适应不断变化的信号和传感器处理算法。Versal ACAP可以在硬件和软件级别进行定制,以适应不同的应用程序和工作负载。ACAP就是以前所称的多处理系统芯片设备。该设备提供异构加速,寻求改变FPGA的开发方式,并改变工程师与FPGA的工作方式。如此一来,任何一个软件工程师都可以编程FPGA而不需要特殊的技能。Xilinx的目标是比当前的计算技术效率提升四倍。

  Versal ACAP配有嵌入式传感器和信号处理社区交流功能,并产生了实质性效益。未来将会出现高度集成的设备,将Arm处理器、其他实时处理单元和集成的AI核心集成在一起。

  除了Versal ACAP FPGA, Xilinx公司还支持新型先进微控制器总线架构先进可扩展接口4标准,或称为AMBA AXI4。这是一种用于连接和管理芯片系统中功能模块的自由可用的开放标准,为FPGA知识产权(IP)的再利用提供标准接口。可以帮助在设计开发具有多个控制器和外设的多处理器时降低开发风险和成本。

  AXI4是用于ARM处理器的第四代AMBA接口规范,该接口正在被越来越多地集成到FPGA上,用于传感器和信号处理。Xilinx公司提供了一系列符合AXI4的IP,这些IP为通用嵌入式计算、DSP和逻辑域提供标准接口。通过AXI4标准推动建立更多标准化的FPGA库,该标准定义了IP模块的标准接口,用于实现FPGA上IP代码多个供应商之间的互操作性。这种设计方法正在转向以图形为导向的设计实践。

  3 系统集成的新高度

  如今信号和传感器处理的系统集成不仅仅是缩小电子元件,还寻求为小型电子封装增加实质性的能力。美国 Mercury系统公司的设计师们决定通过航空航天和国防嵌入式计算应用所使用的加固和小型化商业数据中心技术,将这一概念向前推进一步。他们将把整个数据中心生态系统引入 OpenVPX,并将嵌入式硬件引入部署平台。Mercury目前推出了一系列利用M.2标准的存储卡,它以前被称为用于描述内部安装计算机扩展卡和连接器的新的接口规范(NGFF)。它取代了mSATA标准,该标准使用的是 PCI-E迷你卡卡片布局和连接器。它适用于固态存储应用程序,特别是在超极本和平板电脑等小型设备上。

  除了M.2数据存储之外, Mercury公司的工程师还设计了嵌入式PCI-E网络交换机,以及交换机上的转换夹层卡(XMC)处理模块。该模块中的I/O不位于处理器,而在系统中,在此I/O可以被分配至处理器、FPGA和存储器。

  对于像雷达、电子战和信号情报这些复杂而严苛的军事和航空应用,在这些平台上获得这些能力是至关重要的,必须在平台上使用数据中心技术,这样才能根据这些数据做出正确的决定。

  4 人工智能

  传感器和信号处理的另一个趋势是将人工智能和机器学习融入系统设计中。将人工智能融入信号和传感器处理仍处于起步阶段,但其发展势头迅猛。

  (摘编自“新光电”)

  

  

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