FPGA’S EN RADARES DE VIGILANCIA AÉREA DESDE TIERRA Y RADARES METEOROLÓGICOS.

CESAR VELE, UNIVERSIDAD DEL AZUAY, INGENIERÍA DE SISTEMAS Y TELEMÁTICA

CUENCA-ECUADOR

INTRODUCCIÓN

• Un radar en un sistema electromagnético para la detección y

localización de objetos que funciona transmitiendo señales

electromagnéticas, recibiendo ecos de objetos (blancos) que estén

dentro de su volumen de cobertura y extrayendo información de la

señal del eco. (IEEE, 1998)

SISTEMA DE RADAR DIGITAL

• Bloque analógico._ El input RF pasa normalmente por uno o dos estados de

conversión a IF, que se muestrea directamente con el ADC.

• Bloque digital._

• Un conversor DDC (digital downconverter) convierte las muestras de la señal digital a

forma compleja a una velocidad más baja que pasará por un compresor de pulsos

digitales y de ahí al segmento de procesado back-end

• El uso de procesado digital (DSP) puede aumentar el rango dinámico, la estabilidad y

el rendimiento general del sistema

• Tiene un tamaño reducido y un coste no superior al de la arquitectura analógica

IMAGEN.1._REPRESENTA LOS BLOQUES EN LAS QUE DIVIDE EL SISTEMA DE RADAR DIGITAL.

FPGA’S (FIELD PROGRAMMABLE GATE ARRAY) INTRODUCCIÓN

• En los 90 los sistemas DSP de procesamiento de señales de radar se construyeron típicamente

usando ASICs (Application Specific Integrated Circuits), diseñados para llevar a cabo un algoritmo

de procesado específico. Se trataba de circuitos integrados muy pequeños y de grandes

capacidades. Sin embargo, eran y todavía son bastante caros, además de difíciles de modificar,

una vez que un sistema está diseñado como solución.

• Los FPGAs combinan lo mejor de los circuitos integrados de aplicación específica (ASICs) y

sistemas basados en procesador y han sido durante una parte integral del procesamiento de

señales de radar, y tradicionalmente usadas para procesamiento front-end; como los radares

incrementan su capacidad y complejidad, los requerimientos de procesamiento son mucho

mayores, además de que se puede realizar el procesamiento de señales de radar completo en un

solo FPGA.

CARACTERÍSTICAS DE LOS FPGA’S I

• Pueden funcionar a velocidades de medio billón

de operaciones por segundo y soportan

transferencias de datos de varios gigabits por

segundo. Se programan usando un lenguaje de

descripción de hardware o HDL (Hardware

Description Language), tal como VHDL o Verilog,

que son operados por alguna herramienta de

software.

CARACTERÍSTICAS DE LOS FPGA’S II

• Son más pequeños que un

procesador de propósito

general en un factor de 10 o

más ya que los

procesadores tienen el

mismo orden inferior de

magnitud, que además son

programables a diferencia de

los del tipo de propósito

general.

CARACTERÍSTICAS DE LOS FPGA’S III

• Uno de los aspectos que hace los FPGAs muy versátiles pero también difíciles de

usar óptimamente es su enorme velocidad de procesado, a menudo mayor que la

velocidad de muestreo de datos, lo que implica la posibilidad de realizar multiplexing

en el dominio de tiempo.

CARACTERÍSTICAS DE LOS FPGA’S IV

• Una dificultad de las FPGAs es que requieren una comprensión profunda

por parte del diseñador de la arquitectura que se va a usar para hacerlo a

su potencial más alto. Además, según evoluciona la tecnología, los

componentes de las FPGA cambian sus especificaciones lo que motiva

ciclos de refresco de tecnología rápidos. Mientras tanto, las herramientas de

software que se usan difícilmente continúan siendo válidas una vez que las

FPGAs han evolucionado. Adicionalmente, se está trabajando en

herramientas que transformen código C o Matlab en diseño FPGA.

CARACTERÍSTICAS DE LOS FPGA’S V

• Xilinx y Altera son los líderes del mercado de las FPGAs. Xilinx proporciona

software de diseño libre para Windows y para Linux. Altera lo hace para

Windows, mientras que las herramientas para Solaris y para Linux están

disponibles solamente en régimen de alquiler.

OPERACIÓN DEL FPGA ‘S EN RADARES METEOROLÓGICOS.

• Se utiliza un radar pulse-Doppler que es un sistema de radar capaz no sólo de medir el rumbo,

distancia y altitud de un objeto, sino también de detectar su velocidad. Su sistema de localización

se basa en emitir trenes de pulsos a una frecuencia determinada y utilizar el efecto Doppler para

determinar la velocidad transversal relativa de los objetos.Este sistema utiliza cuatro canales con

diferentes frecuencias y polarizaciones de campo a obtener una imagen más precisa de las

condiciones meteorológicas.

• El procesamiento de red para cada canal requiere más de 5 billones de operaciones por segundo.

• Además, al hacer la demodulación y filtrado adaptado en FPGAs, éste nos permite poner todo el

procesamiento para dos canales completos en un solo FPGA.

EFECTO DOPPLER PARA DETECTAR UN OBJETO EN MOVIMIENTO

EFICIENCIA ALGORÍTMICA

• El filtro de vídeo y el separador de fase

se pueden combinar en un solo filtro

analítico, que todavía es un filtro de

paso de banda, pero sólo pasa las

componentes de frecuencia positivas

de la entrada real de señal. La

respuesta de impulso del filtro que

tiene que ser compleja, por lo que el

filtro requiere dos filtros reales para la

implementación.

ARITMÉTICA BIT SERIAL• El diseño de los bits paralelos procesan todos los bits de un conjunto de

datos palabra al mismo tiempo. En contraste, una estructura bit serial

procesa los datos de un bit a la vez dando ventaja a que todos los bits

pasan a través de la misma lógica, resultando en una reducción enorme

en el hardware requerido.

ARITMÉTICA DISTRIBUIDA

• Aritmética serie de bits port sí sola no reduce el tamaño

suficientemente para que un filtro quepa en una FPGA. Otro truco, en

la aritmética distribuida , es la clave para la compactación de los

filtros a una cantidad manejable de hardware. Esta técnica reorganiza

la multiplica y añade de una suma de productos en el nivel de bit para

tomar ventaja de las pequeñas tablas de sumas previamente

calculados