FPGA’s que se han venido utilizado en los sistemas de radar y sonar durante algún tiempo (y ahora en aplicaciones comerciales como la ayuda de estacionamiento, en autos de lujo), además de que los FPGA’s más sofisticados que integran funciones DSP para aplicaciones científicas y militares.

1. FPGA’S EN RADARES DE
VIGILANCIA AÉREA DESDE TIERRA Y
RADARES METEOROLÓGICOS.
CESAR VELE, UNIVERSIDAD DEL AZUAY, INGENIERÍA DE SISTEMAS Y TELEMÁTICA
CUENCA-ECUADOR

2. 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)

3. 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

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

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. EFECTO DOPPLER PARA DETECTAR UN
OBJETO EN MOVIMIENTO

13. 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.

14. 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.

15. 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