1. 背景
數(shù)字信號處理是現(xiàn)代通信、雷達和電子對抗設備的重要組成部分。在實際應用中，利用數(shù)字信號處理技術對接收數(shù)據(jù)進行處理，不僅可以實現(xiàn)高精準的目標定位和目標跟蹤，還能夠將目標識別、目標成像、精確制導、電子對抗等功能進行拓展，實現(xiàn)多種業(yè)務的一體化集成。
在現(xiàn)代雷達系統(tǒng)中，隨著有源相控陣和數(shù)字波束形成(DBF)技術的廣泛應用，接收前端存在大量的數(shù)據(jù)需要并行處理，并需要保證高性能和低延遲的特點。雷達日益復雜的應用環(huán)境，讓雷達系統(tǒng)具備自適應于探測目標和環(huán)境的能力，數(shù)字信號處理部分也需要使用多種更加復雜的算法，并且可以做到算法模塊化，以及通過軟件配置功能模塊的參數(shù)，實現(xiàn)軟件定義的功能。更大的數(shù)據(jù)處理帶寬能夠使雷達獲得更高的分辨率，更高的工作頻率使得雷達可以小型化，能夠在更小的平臺上安裝，這樣對于硬件平臺實現(xiàn)也有低功耗的要求。
電子對抗設備中，可以在最短的時間內(nèi)對多個威脅目標進行快速分析和響應，同樣需要數(shù)字信號處理的相關算法具備高實時，高動態(tài)范圍和自適應的特點。如何在寬頻噪聲的環(huán)境中尋找到目標的特征數(shù)據(jù)，如何在寬帶范圍內(nèi)制造虛假目標實現(xiàn)全覆蓋，數(shù)字信號的處理性能是至關重要的設計因素。
加速云的SC-OPS和SC-VPX產(chǎn)品，針對5G通信和雷達的數(shù)字信號處理的要求，結合Intel最新14nm工藝的Stratix10 FPGA系列，提供了一套完整的硬件和軟件相結合的解決方案。SC-OPS產(chǎn)品作為單獨的硬件加速卡，通過PCIe插卡的方式實現(xiàn)與主機的通信功能，還可以通過多卡級聯(lián)的方式實現(xiàn)數(shù)字信號的分布式處理方案。SC-VPX產(chǎn)品是由FPGA業(yè)務單板、主控板和機箱組成的VPX系統(tǒng)。借助于FPGA可編程的特性，加速云提供了高性能數(shù)學加速庫FBLAS和FFT的RTL級IP，具有高性能和算法參數(shù)可配置的特點實現(xiàn)了多重信號分類(MUSIC)和自適應數(shù)字波束形成(ADBF)的核心算法，提高了5G通信和雷達在對抗干擾方面的性能。為了方便客戶使用高層語言開發(fā)，加速云提供基于FPGA完整的OpenCL異構開發(fā)環(huán)境，快速實現(xiàn)用戶自定義的信號處理加速方案。
圖1. 加速云SC-OPS和SC-VPX產(chǎn)品
2. 方案組成
2.1 基于SC-OPS產(chǎn)品的系統(tǒng)架構圖
基于SC-OPS產(chǎn)品的系統(tǒng)分別由硬件資源層，算法實現(xiàn)層和應用層三部分組成。
SC-OPS加速卡作為主要的硬件平臺，采用IntelStratix10 GX2800 FPGA器件，集成2753KLE資源和9.2TFLOPS單精度浮點計算能力。單板支持2個40/100G光口或電口，支持板間通信以及設備間級聯(lián)。板卡支持8個DDR4-2400MHz 72bits位寬的內(nèi)存通道(ES支持2133MHz)，以及PCIeGen3 16Lane的主處理器通信接口。
通過在主機內(nèi)插入一張或多張SC-OPS加速卡的形式，可以實現(xiàn)不同性能的硬件集成。以一機八卡服務器為例，整機具備73.6TFLOPS的單精度浮點計算能力，并具有納秒級低延時特性，可應用于高性能的數(shù)字信號處理的解決方案。加速云在算法實現(xiàn)層提供了基于FPGA邏輯實現(xiàn)的高性能數(shù)學加速庫FBLAS，F(xiàn)FT，MUSIC和ADBF核心算法，以上功能模塊都是以IP形式提供，并提供相應的API接口函數(shù)，通過PCIe接口實現(xiàn)在應用層的調用,從而可以搭建軟件定義雷達系統(tǒng)，實現(xiàn)超高性能高靈活的雷達仿真平臺。對于更加關注于自定義算法實現(xiàn)的用戶來說，加速云還可以支持面向OpenCL的FPGA異構平臺開發(fā)環(huán)境，提供了SC-OPS板卡對應的BSP，用戶只需要自行編寫OpenCL Kernel和Host程序，即可以快速的實現(xiàn)相關算法的二次開發(fā)。
2.2 基于SC-VPX產(chǎn)品的系統(tǒng)架構圖
基于SC-VPX產(chǎn)品的系統(tǒng)，與SC-OPS相比，區(qū)別在于硬件平臺實現(xiàn)。SC-VPX系統(tǒng)由5塊FPGA業(yè)務單板，1塊X86主控板和6U標準VPX機箱組成。其中FPGA業(yè)務單板采用板載XEON-DX86主控和1~2片Stratix10 GX2800 FPGA器件的方案，集成2753K*2 LE資源和9.2 *2 TFLOPS單精度浮點計算能力。每片F(xiàn)PGA支持4個DDR4-2400MHz 72bits位寬的內(nèi)存通道。前面板支持8個17.5Gbps光口，背板提供32個10.3125Gbps的高速接口，支持業(yè)務單板之間的全mesh高速互聯(lián)網(wǎng)絡，X86主控板與業(yè)務單板之間采用PCIe和GE的雙控通信方案。
用戶可以選擇加速云提供的主控板和多塊FPGA業(yè)務單板，整機最高可以支持92TFLOPS單精度浮點處理能力，配合相關算法IP，實現(xiàn)多種數(shù)字信號處理的算法或者分布式實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)處理的算法。由于SC-VPX整套系統(tǒng)都是符合OpenVPX的標準，用戶可以添加其他各種功能板卡，包括AD/DA板、RapidIO交換板、存儲板等，結合加速云的主控板和FPGA業(yè)務單板，組建成一套完整的信號接收處理雷達系統(tǒng)，無論是應用于相關產(chǎn)品還是科研，都可以幫助用戶實現(xiàn)系統(tǒng)級的解決方案。
3. 系統(tǒng)優(yōu)勢
3.1優(yōu)異的能效比
能效比是評估數(shù)字信號處理時一個關鍵的指標，即GFLOPS per Watt。表1中羅列了各類設備平臺的數(shù)字信號處理能力的能效比，加速云采用IntelStratix10 FPGA的方案具備最優(yōu)的能效比。
3.2 FPGA IO靈活可編程
FPGA最大的特點在于IO可編程，可以提供各種高速和低速IO的協(xié)議標準，匹配用戶實現(xiàn)多樣系統(tǒng)互聯(lián)的要求。比如SC-OPS板卡的2個高速互聯(lián)接口，分別可以配置為40GE，100GE或SRIO的標準。SC-VPX FPGA業(yè)務單板的背板提供32個10.3125Gbps的高速接口支持與背板間的全mesh網(wǎng)絡接口，分別可以配置為10GE，40GE或SRIO的標準。
3.3高性能的算法IP
加速云基于FPGA平臺上提供了數(shù)字信號處理相關算法的IP，IP的性能決定了數(shù)字信號處理系統(tǒng)的性能，包括動態(tài)范圍，信號損耗，信噪比，延時等因素。
以信號處理中常用的FFT傅里葉變換為例，相比最新的DSP平臺，加速云提供的RTL級IP，使用FPGA符合IEEE 754標準的單精度浮點數(shù)字信號處理(DSP)單元，可以實現(xiàn)更低的計算時間。
以下是加速云提供的基于FPGA實現(xiàn)高性能數(shù)學加速庫FBLAS的相關性能?？梢钥闯?，借助FPGA天然的并行處理的優(yōu)勢，加速云提供的算法IP，可以幫助用戶實現(xiàn)數(shù)字信號處理系統(tǒng)的快速優(yōu)化，極大縮短了用戶產(chǎn)品Time-to-Market的時間。
3.4完整的OpenCL異構開發(fā)環(huán)境
加速云SC-OPS和SC-VPX產(chǎn)品都可以支持面向OpenCL的FPGA異構平臺開發(fā)環(huán)境，提供全面的數(shù)學庫支持，解決了傳統(tǒng)FPGA遇到的時序收斂、DDR存儲器管理以及PCIe主處理器接口等難題。另外加速云也支持將高性能算法IP作為定制化組件，與OpenCLKernel集成在一起，提供靈活的算法配置解決方案。
4. 應用案例
4.1多重信號分類(MUSIC)
MUSIC算法是經(jīng)典的空間譜估計算法，實現(xiàn)波達方向估計(DOA)的相關應用。在電子偵察和電子對抗等對實時性要求嚴格的領域中，如何選用合適的平臺實現(xiàn)并滿足系統(tǒng)的響應處理速度，成為了設計者頗為頭疼的問題。整個MUSIC算法計算復雜度和靈活度都很大，而且電子對抗系統(tǒng)都有浮點處理的要求，所以大多用戶會采用DSP處理器的方案，處理時間停留在ms量級。加速云采用Intel集成全新浮點計算單元的FPGA，全硬件實現(xiàn)了基于MUSIC算法的空間譜估計DOA全部算法(MUSIC算法是基于加速云高性能數(shù)學加速庫FBLAS搭建的，所有組成IP都可以單獨調用)。相比DSP處理器，極大提升了MUSIC算法的實時性，超過10倍以上的性能改進。
圖4. FPGA實現(xiàn)MUSIC算法的處理流程
MUSIC算法實現(xiàn)的相關性能如下：
特征值和特征向量的數(shù)值相對Matlab中EIG函數(shù)計算結果的偏差均小于10-5
算法實現(xiàn)以單精度浮點為主，結合部分雙精度浮點
全部處理時間<120us(TI6678的處理時間是ms級)
4.2自適應數(shù)字波束形成(ADBF)
隨著有源相控陣雷達的廣泛應用，如何有效增強期望信號和抑制無用信號，也是設計者需要考慮的問題。ADBF技術利用天線陣元的采樣數(shù)據(jù)，自適應更新信號的權值，使陣列天線形成特定的期望形狀。由于天線陣元通道數(shù)量大，需要實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的計算，相關平臺實現(xiàn)必須具有高集成度、高數(shù)據(jù)吞吐率和高數(shù)據(jù)并行計算的特點。
圖5. DBF原理示意圖
加速云借助高性能數(shù)學加速庫FBLAS，通過高維數(shù)的矩陣求逆的算法，完全在FPGA內(nèi)實現(xiàn)了ADBF的算法。
ADBF算法實現(xiàn)的相關性能如下：
圖6.方位維天線方向圖 俯仰維天線方向圖
算法名稱 數(shù)據(jù)格式 性能指標(單拍) 性能指標(連續(xù)) 功耗
方位維運算 FP32 455us 245us 30W
俯仰維運算 FP32 335us 148us 30W
5. 結論
通過參與了國內(nèi)眾多實際雷達數(shù)字信號處理相關產(chǎn)品或是科研的研發(fā)和技術合作，加速云累計了大量的經(jīng)驗，在此基礎上推出的SC-OPS和SC-VPX產(chǎn)品及高性能數(shù)學加速庫FBLAS、多重信號分類(MUSIC)、自適應數(shù)字波束形成(ADBF)等IP庫，可以幫助用戶實現(xiàn)系統(tǒng)級的解決方案。通過持續(xù)推出高密度高性能硬件平臺，高性能RTL級加速IP，配合高性能分布式軟件搭建高性能、低延時靈活配置的軟件定義平臺，推動了雷達和電子對抗設備向更先進設備的演變。
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