基于復(fù)數(shù)浮點運(yùn)算的協(xié)方差矩陣的FPGA實現(xiàn)

引言

　　協(xié)方差矩陣的計算是信號處理領(lǐng)域的典型運(yùn)算，是實現(xiàn)多級嵌套維納濾波器、空間譜估計、相干源個數(shù)估計以及仿射不變量模式識別的關(guān)鍵部分，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲吶、數(shù)字圖像處理等領(lǐng)域。采用FPGA(Field Programmable Gate Array)可以提高該類數(shù)字信號處理運(yùn)算的實時性，是算法工程化的重要環(huán)節(jié)。但是FPGA不適宜對浮點數(shù)的處理，對復(fù)雜的不規(guī)則計算開發(fā)起來也比較困難。故目前國內(nèi)外協(xié)方差運(yùn)算的FPGA實現(xiàn)都是采用定點運(yùn)算方式。

　　　在充分應(yīng)用FPGA并行處理能力的同時，為了擴(kuò)展數(shù)據(jù)處理的動態(tài)范圍，減少數(shù)據(jù)溢出機(jī)率，避免數(shù)據(jù)截斷所產(chǎn)生的誤差，提高協(xié)方差矩陣的運(yùn)算精度以及擴(kuò)展該運(yùn)算的通用性。

本文以空間譜估計作為研究背景，研究了復(fù)數(shù)據(jù)運(yùn)算和浮點運(yùn)算的特點，提出了一種適用于任何陣列流型、任意陣元的基于復(fù)數(shù)浮點運(yùn)算的協(xié)方差矩陣的FPGA實現(xiàn)方案。

　　1 求解復(fù)數(shù)浮點協(xié)方差矩陣

　　以11陣元的均勻圓陣為例，其協(xié)方差矩陣的求解方案原理框圖如圖1所示。

　　1.1 FIF0數(shù)據(jù)緩存器

　　在該設(shè)計方案中選擇FIFO作為數(shù)據(jù)存儲器，這是因為一旦多路接收機(jī)有數(shù)據(jù)輸出，就會啟動FIFO進(jìn)行存儲，進(jìn)而FIFO的不空信號有效(empty=O)，觸發(fā)后續(xù)的矩陣運(yùn)算;否則，運(yùn)算停止，一切狀態(tài)清零，F(xiàn)PGA恢復(fù)idle(空閑)狀態(tài)，等待新的快拍采樣數(shù)據(jù)的到來。

　　這樣可以很方便地控制運(yùn)算的開始和結(jié)束。矩陣運(yùn)算所需要的同步時鐘需要設(shè)計一個類似于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的模塊。當(dāng)檢測到empty=‘0’時，就觸發(fā)一個含有121個clk(對于串行方案而言)時鐘信號周期長度的高電平。該高電平與主時鐘相與便可以得到運(yùn)算的同步時鐘。

　　1.2 數(shù)據(jù)共軛轉(zhuǎn)換

　　由于測向陣列的輸出矢量X(t)是一個復(fù)矢量，對其求協(xié)方差矩陣需用陣列輸出列矢量X(t)與其共軛轉(zhuǎn)置矢量XH(n)對應(yīng)相乘。如式(1)所示：

　　1.3 定點數(shù)到浮點數(shù)的轉(zhuǎn)換

　　定點計算在硬件上實現(xiàn)簡單，計算速度比浮點計算要快，但是表示操作數(shù)的動態(tài)范圍受到限制，浮點數(shù)計算硬件實現(xiàn)比較困難;一次計算花費(fèi)的時間也遠(yuǎn)大于定點計算的花費(fèi)，但是其表示的操作數(shù)動態(tài)范圍大，精度高。在本設(shè)計中，考慮到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)動態(tài)范圍和運(yùn)算精度，選擇浮點計算。由于運(yùn)算數(shù)據(jù)是直接從接收機(jī)I，Q兩路通道的A/D變換器的輸出獲得，為定點數(shù)，因此必須要有一個將A/D采樣的定點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)的過程。設(shè)計中將16位定點數(shù)轉(zhuǎn)換為IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)的單精度格式。32位單精度格式如圖2所示，最高位為符號位，其后8位為指數(shù)e(用移碼表示，基數(shù)f=2，偏移量為127)，余下的23位為尾數(shù)m。
　　

　　1.4 浮點復(fù)數(shù)乘累加器

　　1.4.1 復(fù)數(shù)乘法器

　　假設(shè)有兩個復(fù)數(shù)分別為a+jb和c+jd，這兩個數(shù)的乘積為：

　
　　復(fù)數(shù)乘法器的工作原理如圖3所示，其中所用到的加法、減法和乘法器都是基于浮點的運(yùn)算。值得一提的是，在實現(xiàn)浮點加減法的時候，可以將尾數(shù)連同符號位轉(zhuǎn)化為變形補(bǔ)碼形式后再進(jìn)行加減運(yùn)算。這樣做的目的是方便判斷數(shù)據(jù)是否溢出(變形補(bǔ)碼判斷溢出的規(guī)則是：當(dāng)兩位符號位不同時表示溢出，否則無溢出。無論數(shù)據(jù)是否溢出，第一位符號位永遠(yuǎn)代表真正的符號)，若溢出，則將尾數(shù)右歸，指數(shù)部分加1，若沒有溢出，則將尾數(shù)左歸(規(guī)格化)。浮點乘法相對較簡單，對應(yīng)階碼相加，尾數(shù)相乘可以采用定點小數(shù)的任何一種乘法運(yùn)算來完成，只是在限定只取一倍字長時，乘積的若干低位將會丟失，引入誤差。
　　

　　1.4.2 浮點復(fù)數(shù)乘累加器

　　以11個陣元的圓陣為例，實現(xiàn)串行處理方案的浮點復(fù)數(shù)乘累加器的原理如圖4所示，實部和虛部(雙通道)的乘累加器模塊工作原理一樣。

　　121階數(shù)據(jù)緩存器實際上就是121個數(shù)據(jù)鎖存器級聯(lián)形成的一個移位寄存器，初始狀態(tài)為零。當(dāng)浮點復(fù)數(shù)乘法器有輸出的時候，啟動數(shù)據(jù)緩存器與之進(jìn)行加法操作，121個時鐘周期以后可以實現(xiàn)一次快拍采樣的矩陣?yán)奂?。累加清零信號由時序控制器給出，當(dāng)所有的快拍采樣點運(yùn)算都結(jié)束之后，數(shù)據(jù)緩存器輸出累加結(jié)果(即協(xié)方差矩陣的運(yùn)算結(jié)果)，同時控制器送出一個清零信號，清零121階數(shù)據(jù)緩存器。

　　2 仿真結(jié)果

　　可編程邏輯設(shè)計有許多內(nèi)在規(guī)律可循，其中一項就是面積和速度的平衡與互換原則。面積和速度是一對對立統(tǒng)一的矛盾體，要求一個設(shè)計同時具備設(shè)計面積最小，運(yùn)行頻率最高，這是不現(xiàn)實的。于是基于面積優(yōu)先原則和速度優(yōu)先原則，本文分別設(shè)計了協(xié)方差矩陣的串行處理方案和并行處理方案，并用AlterastratixEP1S20F780C7進(jìn)行板上調(diào)試。其調(diào)試結(jié)果表明，串行處理方案占用的資源是并行處理方案的1/4，但其運(yùn)算速度卻是后者的11倍。

　　2.1 串行處理方案仿真結(jié)果

　　如圖5所示，clk為運(yùn)算的總控制時鐘;reset為復(fù)位控制信號，高電平有效;rd為讀使能信號，低電平有效;wr為寫使能信號，低電平有效;wr_clk為寫時鐘信號，上升沿觸發(fā);q_clk為讀時鐘信號，上升沿觸發(fā);ab_re(31：O)和ab_im(31：O)為乘法器輸出的實部和虛部。q_t2為矩陣乘累加模塊的同步時鐘信號;clkll，state(3：O)，clkl和state(3：0)是狀態(tài)機(jī)的控制信號，控制矩陣運(yùn)算規(guī)則。

　　如圖5所示，在100 ns時reset信號有效(即reset=‘1’)，所有狀態(tài)清零。從335～635 ns間，寫使能信號有效(wr=‘O’)且有兩個寫時鐘信號的上升沿到來，即向任意一個通道的FIFO中存入兩個快拍采樣數(shù)據(jù)，最后輸出結(jié)果應(yīng)該有兩個矩陣，如圖6所示。當(dāng)FIFO為空時，運(yùn)算停止，所有狀態(tài)清零。等待新采樣數(shù)據(jù)的到來。

　　圖5中，在350 ns時，讀使能有效(rd=‘0’)且有一個讀時鐘信號的上升沿到來，所以empty信號存在短暫的不空(empty=‘O’)狀態(tài)，捕獲到這個信息，便觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器模塊，產(chǎn)生具有121個clk時鐘周期長度，占空比為120：1的q_clk信號，進(jìn)行FIFO的讀操作。

　　在350～535 ns時間段，因為寫時鐘信號沒有到來，所以FIFO為空(empty=‘1’)。從550 ns～24.75 μs時間段讀時鐘信號沒有上升沿到來，整個設(shè)計處于第一個矩陣的運(yùn)算過程中，即運(yùn)算一個矩陣所需要的時間為24.2 μs。與此同時，第二個數(shù)據(jù)寫入FIFO，empty一直處于不空狀態(tài)(empty=‘O’)。

　　在第一個矩陣運(yùn)算結(jié)束之后，即24.6μs時，系統(tǒng)檢測到empty=‘0’，開始讀數(shù)據(jù)并觸發(fā)第二個矩陣運(yùn)算的時鐘控制信號。如圖6所示，在24.6μs時，empty=‘1’。FIFO中的第二個數(shù)據(jù)被讀出，處于空狀態(tài)。從24.85～49.05μs進(jìn)入第二個矩陣的運(yùn)算周期。
　　

　　在仿真時，輸人數(shù)據(jù)為16位的定點數(shù)(1+j1;O+jO;2+j2;3+j3;4+j4;5+j5，6+j6;7+j7;8+j8;9+j9;A+jA)，輸出結(jié)果為32位的單精度浮點數(shù)。選擇的主時鐘周期為200 ns。在實際調(diào)試過程中，整個系統(tǒng)可以在50 MHz主時鐘頻率下正常工作。

　　2.2 并行處理方案仿真結(jié)果

　　并行方案運(yùn)算原理與串行方案的一樣，只是在時鐘控制上有所區(qū)別，因為采用了11個浮點復(fù)數(shù)乘累加器，進(jìn)行一次矩陣運(yùn)算，只需要11個時鐘周期，如圖7，圖8所示。在仿真時，設(shè)置在寫使能信號有效(wr=‘O’)的同時，有3個寫時鐘信號(wr_clk)的上升沿到來，即分別向22個FIF0中存入3個數(shù)據(jù)，則輸出有3個矩陣。從圖7中還可以清楚地看出，運(yùn)算結(jié)果是矩陣的11行數(shù)據(jù)并行輸出，輸出結(jié)果是一個對稱矩陣。
　　

　　3 結(jié)語

　　在分析了目前應(yīng)用于空間譜估計的協(xié)方差矩陣運(yùn)算在硬件實現(xiàn)上的不足，如定點計算的數(shù)據(jù)動態(tài)范圍小，運(yùn)算精度不高，且只適用于特定陣列模型和的陣元數(shù)，不具備通用性。在此基礎(chǔ)上提出了基于浮點運(yùn)算的通用型協(xié)方差矩陣的實現(xiàn)方案。仿真結(jié)果表明，本文所提出的實現(xiàn)方案采用的是復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算，最終結(jié)果得到的是復(fù)共軛對稱矩陣，適合利用任意的陣列模型和陣元數(shù)得到與之相對應(yīng)的協(xié)方差矩陣。這就拓展了協(xié)方差矩陣運(yùn)算的應(yīng)用范圍，且整個運(yùn)算過程采用的是浮點運(yùn)算，提高了整個運(yùn)算的精度。