一種基于FPGA的復(fù)數(shù)浮點(diǎn)協(xié)方差矩陣實(shí)現(xiàn)

　　O 引言

　　協(xié)方差矩陣的計(jì)算是信號處理領(lǐng)域的典型運(yùn)算，是實(shí)現(xiàn)多級嵌套維納濾波器、空間譜估計(jì)、相干源個數(shù)估計(jì)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(shí)時性，是算法工程化的重要環(huán)節(jié)。但是FPGA不適宜對浮點(diǎn)數(shù)的處理，對復(fù)雜的不規(guī)則計(jì)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(shí)現(xiàn)都是采用定點(diǎn)運(yùn)算方式。

　　在所有運(yùn)算都是定點(diǎn)運(yùn)算的情況下，每次乘法之后數(shù)據(jù)位寬都要擴(kuò)大一倍。若相乘后的數(shù)據(jù)繼續(xù)做加減運(yùn)算，為了保證數(shù)據(jù)不溢出，還必須將數(shù)據(jù)位寬擴(kuò)展一位，而協(xié)方差矩陣的運(yùn)算核心就是乘累加單元，隨著采樣點(diǎn)數(shù)的增加，位寬擴(kuò)展呈線性增加。最終導(dǎo)致FPGA器件資源枯竭，無法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。為了保證算法的實(shí)現(xiàn)，必須對中間運(yùn)算數(shù)據(jù)進(jìn)行截?cái)啵瑢⒚看卫奂拥慕Y(jié)果除2(可以通過移位運(yùn)算來實(shí)現(xiàn))，以避免溢出。

　　此外，在應(yīng)用MUSIC算法時，各種計(jì)算都是復(fù)數(shù)運(yùn)算。為達(dá)到減少算法的計(jì)算量，提高M(jìn)USIC算法處理速度的目的，許多文獻(xiàn)致力于研究陣列的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在保證測角精度的前提下，尋找一種簡單而有效的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，將復(fù)數(shù)矩陣轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)矩陣，把復(fù)矢量用一個實(shí)矢量來代替，從而將復(fù)數(shù)運(yùn)算轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)運(yùn)算。

　　接收陣元模型可分為任意離散陣、均勻圓弧陣、均勻圓陣和均勻線陣。在實(shí)際應(yīng)用中，比較常見的是均勻線陣和均勻圓陣。每種陣列模型都有各自的特點(diǎn)，加之陣元數(shù)目的取值不同，也會導(dǎo)致陣列流型的對稱性變化。針對不同的陣元模型和陣元數(shù)，數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法也會有所不同。

　　對于數(shù)據(jù)預(yù)處理的研究，目前已經(jīng)有了一些比較成熟的算法。對于一個偶數(shù)陣元的對稱陣列(包括均勻線陣和均勻圓陣)，相關(guān)研究表明，可利用其對稱性，分成兩個完全對稱的子陣，選擇合適的參考點(diǎn)，構(gòu)造互為共軛對稱的方向矩陣，進(jìn)而構(gòu)造一個線性變換矩陣，即可達(dá)到將復(fù)數(shù)矩陣轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)矩陣的目的。

　　對于奇數(shù)陣元的均勻線陣，也有相關(guān)研究成果表明，通過構(gòu)造一個酉矩陣，也可以達(dá)到數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的。

　　由于均勻圓陣的陣列流型矩陣不是Vandermonde矩陣，即不具備旋轉(zhuǎn)不變性，因此適用于奇數(shù)陣元的均勻線陣的預(yù)處理理論不能直接用于奇數(shù)陣元的均勻圓陣，需要將圓陣先轉(zhuǎn)換到模式空間——虛擬線陣，而轉(zhuǎn)換需要第一類Bessel函數(shù)，不適宜用硬件實(shí)現(xiàn)。

　　以上研究表明，目前除了奇數(shù)陣元的均勻圓陣外，其他常用陣列模型都可以通過預(yù)處理的方法將復(fù)數(shù)運(yùn)算轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)運(yùn)算。若在某些特定的情況下，必須采用奇數(shù)陣元的均勻圓陣。此時，基于復(fù)數(shù)運(yùn)算的協(xié)方差矩陣的實(shí)現(xiàn)就成為一種必然。

　　因此，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?cái)嗨a(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(jì)作為研究背景，研究了復(fù)數(shù)據(jù)運(yùn)算和浮點(diǎn)運(yùn)算的特點(diǎn)，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(diǎn)運(yùn)算的協(xié)方差矩陣的FPGA實(shí)現(xiàn)方案。