一种高性能单精度浮点基-3蝶形运算单元的设计与实现

在分析现有蝶形计算单元算法的基础上,提出了一种有效的适用于基-3快速傅里叶变换(FFT)的单精度浮点蝶形计算单元流水设计方法。首先,应用Cooley-Tukey算法推导出了基-3蝶形单元的简化公式;然后,通过引入最小资源固定乘数乘法算法,把蝶形计算单元中和3点DFT矩阵的浮点复数乘法转化为有限的定点加法计算,结合经典单精度浮点乘法和加法结构实现了基-3FFT蝶形单元的设计。相比于传统算法结构降低了浮点操作的占用,节省了实现中需要的硬件资源。仿真实验和工程应用的结果表明,不论相比于通用机的软件实现还是其他硬件实现结构,提出的设计都能在满足计算精度的基础上保证系统计算的实时性。

数据存储中并行CRC校验的FPGA实现

提出了一种基于FPGA的CRC并行设计方法,以应用到高速数据存储的差错检验中。通过对串行CRC结构的推导,得到了并行CRC设计的递归表达式,并给出了硬件实现的结构框图。同时,对生成多项式的异或操作过程进行化简,利用直通和非操作减少了逻辑资源,降低了关键路径的延迟。相比于以往的文献,该设计降低了硬件资源的占用,到达时间至少降低了22.68%。

一种基于矢量基2×2的二维FFT高效结构

提出了一种基于时间抽取原位计算的高效并行的二维矢量基2×2快速傅里叶变换的硬件实现结构.该算法结构将N×N点数据分解为4个独立存储的部分来实现矢量基2×2蝶形计算单元4个操作数的并行访问,仅用一个二维分裂基蝶形运算单元对这4块数据进行二维矢量基快速傅里叶变换,利用无冲突访问方法完成对存储器的并行访问.推导出了该算法硬件实现结构下的各存储器数据地址存取公式和旋转因子的产生方法,并利用CORDIC算法实现旋转因子的产生来减少存储器的使用.该算法对N×N点数据进行二维离散傅里叶变换处理的时间仅为(N2/2)(lb N-1)个时钟周期,与以往算法计算时间的比较结果表明了该设计的有效性.

时空相关杂波下多目标步进频参数估计

提出了时空相关复合高斯分布海杂波下步进频雷达运动目标参数估计的方法.根据复合高斯分布杂波的散斑分量与纹理分量的分布特性,推导出步进频体制高分辨雷达的运动目标距离与速度的最大似然估计;提出目标误差函数的定义,基于目标误差函数最小化的准则,通过对距离进行搜索找到距离的估计值,并通过距离的估计值,求解出速度的最优最大似然估计值.仿真实验表明,该方法可以有效地估计出时空相关复合高斯分布海杂波背景下的步进频运动目标距离与速度参数.

紧急状况下卫星网络传输任务在轨实时规划技术

针对在紧急状况下卫星网络任务传输的需求,提出一种卫星网络传输在轨实时规划技术。通过对组网卫星当前链路通路参数的实时计算,规划当前紧急信息能够最快传输的路径。首先,对卫星网络进行模型建立,将星间链路的连接看作时变连接矩阵的拓扑模型;然后,通过各节点的参数规划最小信息传输延迟下的数据通路;最后,紧急信息任务根据当前节点规划结果选择下一个节点的最佳传输路径,从而使得传输延迟最短。采用在轨各节点实时动态规划的方式,消除地面对卫星网络状态交互的延迟及误判,减少对正常通信业务的影响。基于设计模型进行了硬件电路的实现及实验,传输平均延迟均在秒级,能够实时完成紧急信息传输的自主任务规划。

星载SAR在轨成像及舰船目标检测方法

针对现有星上在轨SAR成像和目标检测处理的实时性、有效性及能效比等性能指标较低,文章提出了一种高能效比星载SAR成像及舰船目标检测方法,该方法是基于高速并行化混合快速傅立叶变换(FFT)阵列加速的星载SAR成像实时实现方法和以局部降维统计分类为基础的舰船目标检测方法,并建立计算精度误差模型,自主调度定/浮点计算,在有效降低硬件资源占用的同时,保障了星载SAR成像和舰船目标检测计算的实时性。在Xilinx公司现场可编程门阵列(FPGA)开发板上,经合成孔径雷达卫星-1(RadarSat-1)遥感卫星数据,验证了方法的可行性和有效性。该方法的能效比为传统FPGA+数字信号处理器(DSP)经典处理架构的4倍以上,可为星上在轨实时处理设计提供参考。

遥感舰船目标检测识别方法

针对基于经典图像处理方法的目标检测识别方法虚警率高、分类效果差等问题,提出了一种基于深度学习的光学遥感舰船目标检测识别方法。该方法采用形态学运算+深度学习的方法,基于视觉增强技术快速筛选疑似目标,大幅降低需处理的数据量;采用深度学习网络,大幅降低目标检测虚警率。在2片Xilinx FPGA上完成了设计验证,利用FPGA全并行流水处理的特点,大幅提升处理效率和实时性,相对采用i7-CPU和GPU-GTX1050实现该算法,能效比分别提升260倍和28倍。经16景高分2号卫星遥感图像验证,目标检测识别率高于98%,虚警率低于5%。与现有的目标检测识别方法比,该方法在工程化能力、鲁棒性、实时性、准确率、能效比等方面达到较好平衡,性能优越,优于当前业内方法。

基于分级缓存加速的高可靠高速星载固存设计

星上模块在模式切换过程会因为星载固态存储器启动过程缓慢而导致无法快速访问固存;分级缓存系统设计采用片内缓存结合小容量非易失存储器(MRAM)的硬件架构,通过在MRAM中存储文件对象头索引以及Nand Flash块元数据区索引等流程优化来加速文件系统启动操作;该设计通过数据建模和仿真实验来分析性能,并在硬件板卡上进行算法实现和测试验证,以对象为索引的启动方式耗时3.12ms,以块元数据区为依据的启动方式耗时143.47ms;对比传统设计架构下的耗时170.35s的启动操作,基于分级缓存加速的系统具有高可靠性同时大大缩短了固存启动时间;其系统性能提升为卫星在轨管控优化提供技术基础。

深空通信载波同步高精度FFT频偏估计算法

深空通信信道具有高动态、低信噪比的特点,传统深空探测器应答机中采用的基于锁相环的载波同步算法,在信噪比低于6dB时无法实现可靠同步。针对这一问题,文章提出了一种基于插值的快速傅里叶变换(FFT)频偏估计算法。通过一次插值,即可获得频偏的无偏估计值;插值后再进行二分搜索,以提高靠近谱线位置频点的估计精度。文章对此算法的估计精度进行了仿真,同时给出了其在某深空探测器应答机中的实现和验证情况。结果表明:此算法估计精度优于抛物线、Rife等插值算法;当二分搜索迭代次数等于5时,能够实现整个频偏估计范围内的可靠载波恢复。基于算法设计的深空探测器应答机载波同步门限可达2dB,相较于传统应答机,载波同步门限降低4dB。

应用多普勒牵引的高分辨率星载SAR滑动聚束模式设计方法

高分辨率星载合成孔径雷达(SAR)通常采用滑动聚束模式完成成像任务,当分辨率提高到一定程度后,卫星轨道弯曲问题无法忽略,因此需要与之相适应的模式设计方法。为此,文章提出一种应用多普勒牵引的滑动聚束模式设计方法,通过姿态校正的方式保证在合成孔径时间内多普勒中心呈线性分布,使回波可以利用传统的非线性调频变标(NCS)算法完成成像。利用STK和Matlab软件的联合仿真平台,通过建模及仿真成像的方式对设计方法进行验证,结果表明:该设计方法在降低工程实现复杂度和图像后处理的难度上都具有很大的优势,可为我国高分辨星载SAR成像模式设计提供参考。

空间碎片目标在轨实时监测处理方法

针对现有地基空间碎片目标监测的实时性、有效性以及弱小目标探测能力等性能指标较低等问题,文章提出了一种空间碎片目标在轨实时监测处理方法.它是基于空间目标光学成像特性和高速信息处理技术为基础的碎片目标检测算法,建立计算精度误差模型,能有效降低硬件资源的同时,保障了空间碎片目标在轨检测和定位的实时性.在专用高速信息处理板上经卫星光学载荷数据验证了方法的可行性和有效性.该方法能够通过处理卫星载荷数据完成空间碎片目标的实时检测和定位,可为天基空间目标观测系统设计提供参考.

基于多并行计算和存储的CNN加速器

根据深度卷积神经网络(CNN)前向推理结构特点,设计了基于多并行计算和存储的深度卷积神经网络加速器,从运算效率与数据重用两个角度分析了卷积运算的并行特征,并研究了全连接层的全并行流水实现方式。该加速器采用并行流水结构提升计算效率,在卷积层运算中,充分利用多种卷积运算并行架构平衡运算效率与参数及数据载入带宽的需求,通过三种加速方式实现卷积层内全流水加速;在全连接层运算中,将乘累加运算设计成全流水处理架构,流水延时不超过20个处理时钟,并通过并行计算实现16倍加速。在基于ImageNet公开数据集验证实验中,该加速器每周期最多运行2304次乘累加运算,在150MHz的工作频率下,峰值运算速率达到691.2Gops,能效比为i7-6700-CPU的2700倍以上,为GTX-1050-GPU的290倍以上。该加速器在硬件资源、计算精度、速度以及功耗等多方面达到良好平衡,便于在星载嵌入式环境应用。

星载干涉雷达高度计高程精度分析

星载干涉雷达高度计采用脉冲压缩技术提高距离向分辨率,采用合成孔径技术提高方位向分辨率,采用干涉技术提高高程精度。针对星载雷达高度计下视角较小的问题,从干涉雷达原理入手,重点分析了干涉相位及干涉高程精度影响因素,推导了干涉相位及高程误差传递方程,最后通过仿真实验得到:下视角越小,海面高程精度受基线长度和倾角误差的影响也越小,反演得到的高程精度也越高。因此雷达高度计采用小下视角获取的海面高程精度更高,更有利于高精度海洋探测。

针对星载FPGA配置数据的高可靠存储设计

为了提高星载SRAM型FPGA在轨应用的可靠性,星载SRAM型FPGA在轨重构系统需要提高FPGA配置数据的存储可靠性;对配置数据存储方法进行了研究,提出了一种"三模+巡检"的复合式存储设计方法及相关系统实施方案;采用Markov模型,结合星上设备在轨运行时出现的永久性错误、暂时性错误以及修复率的影响,对"三模+巡检"的复合式存储设计进行可靠度分析,给出了系统可靠度微分方程组;通过Matlab仿真分析了永久性错误率、修复率等因素对可靠度的影响;经过仿真分析,"三模+巡检"的复合式存储系统在轨可靠度大于0.99,进一步证明其可靠性明显优于传统三模冗余的存储方式,满足在轨可靠性要求。

基于可编程电路的低延时中值求取方法

针对高性能实时计算对中值求取等常用处理方法低延时性能要求越来越高,而当前利用FPGA等可编程电路实现中值求取存在流水延时较高且控制逻辑复杂的问题,提出一种基于可编程电路的低延时中值求取方法。利用FPGA等可编程电路丰富的逻辑运算和存储单元,可快速实现移位、截取、拼接及构建查找表,减少加减乘除等运算的特点,设计一种充分发挥其并行计算能力的中值求取方法,有效提升处理效率和减少流水延时。实验结果表明,中值求取流水延时最低可做到2个时钟周期,控制流程简单可行,硬件资源占用适当,并可推广到更大规模的数据序列中值求取运算中,符合高性能低延时计算领域的需求和趋势。

星载高速碎片式文件存储访问系统设计

针对碎片式文件存储访问系统访问效率较低的局限性,以及星上存储应用的实时性特点,从碎片式文件存储访问结构和基于NANDFlash的存储布局策略出发,提出一种星载高速碎片式文件存储访问(PFSA)系统.针对Flash中的块操作建立数据访问模型,将不同的碎片式文件存放在不同的Flash基片上,以提高并发数据的访问速度;采用磁电存储器(MRAM)存储百字节的碎片式文件,当MRAM内部数据达到阈值时一次性搬入Flash的固定块内,以减少碎片式文件的读写Flash时间.通过在板卡上的仿真试验对平均写入性能、大批量碎片式文件写入性能、文件传输性能及块擦除均衡性能进行测试,结果表明:相比于以往碎片式文件存储设计,访问速度、传输延迟、擦除均衡性能均得以提升,进而验证了PFSA系统设计的有效性.