【正文】 1 使用基于重構(gòu)計算機平臺的 FPGA分析高性能功率譜 摘要： 功率譜分析是一種提供信號關(guān)鍵信息的重要工具。應(yīng)用的范圍包括通信系統(tǒng)到 DNA測序。如果傳輸信號存在干擾，這可能是由于自然原因或疊加因素影響。在后一種情況下，其早期檢測和分析變得非常重要。在這種情況下有一個小觀察窗，在功率譜中快速查找可以顯示大量的信息，包括頻率和干擾源。 在本文，我們提出基于重構(gòu)平臺 FPGA功率譜分析的設(shè)計。這樣就可以達(dá)到實時數(shù)據(jù)采集和對小時域輸入信號的采樣處理。處理過程包括通過一個輸入值的集合來計算其功率，平均值和峰值。該平臺支持四路輸 入通道同步采集。 1 緒論 功率譜信號的概念和使用是基礎(chǔ)工程，應(yīng)用在通信系統(tǒng)中、微波和雷達(dá)。最近，它也被用在不同的領(lǐng)域 ,如基因識別。在一個典型的發(fā)送接收信號系統(tǒng)中 ,如果接收到的信號是純粹的、就像預(yù)期的那樣 ,那么就沒有必要過濾。然而，在另一方面 ，一些干擾覆蓋所接收的信號，可能需要一定的分析，以了解更多的干擾。由于干擾往往增加接收電波的額外功率，功率成為了分析這類問題有用的標(biāo)準(zhǔn)。 運用逆向工程技術(shù) ,輸入信號的過剩電量信息可以幫助尋找接口的特點 ,如頻率、電源等。 一個功率譜表現(xiàn)各種頻率成分的大小的一個信號。通過看譜 ,你能看到多少能量或功率是包含在信號的頻率成分內(nèi)的。分析及評價功率譜是隔離噪音的其中一種方式。 有一些產(chǎn)生功率譜的技巧 , 最常見的一種是通過使用傅里葉變換，其他技術(shù) ,如小波變換或最大熵方法也可以被使用。 經(jīng)實驗研究 ,確定功率譜可以有三種方法 :（ 1） 使用頻譜和信號分析儀 一個商業(yè)專用的工具，顯示實時功率譜。 （ 2） 使用微機信號分析儀插件卡。 （ 3） 通過數(shù)字化的實驗數(shù)據(jù)和一個執(zhí)行快速傅立葉變換（ FFT）臺式機。 從成本和復(fù)雜性的角度 ,對上述三個選擇降序排列 ,然而從靈活性考慮 , 他們是升序排列的。專用分析 儀是有時候使用 ,但他們可能不符合成本效益及靈活性或者當(dāng)觀察期很短時，能力不夠提取相關(guān)干擾 , 一般而言 ,第二個選擇提供了額外的靈活性 ,特別是現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)的使用。 本文中我們提出我們的設(shè)計的一個非常強大的可重構(gòu)計算基礎(chǔ)設(shè)計為解決復(fù)雜信號的功能和實時分析。 雖然這個作品作為一個工作站的附加卡，它是非常強大，靈活和 相對低成本 。 功率譜分析使用由我們開發(fā)的多通道數(shù)據(jù)采集和信號處理上進行一些數(shù)據(jù)通道同時運作四個模塊。 該解決方案允許基于 FPGA的實時采集和輸入信號的來樣加工。經(jīng)過數(shù)據(jù)采集和分析， 基于選定的 選項， 數(shù)據(jù)傳遞到主機的基礎(chǔ)上。 同時我們的卡上進行數(shù)據(jù)支持每個數(shù)據(jù)流上四通道 復(fù)雜的運算法則 。 本文開始我們簡單的討論了功率譜分析力學(xué)。第三節(jié)概述了可重構(gòu)計算和用于這種工作的卡。第四和第五章中 ,我們分別討論了我們的實現(xiàn)方案用于功率譜分析的基礎(chǔ)上重構(gòu) FPGA 硬件和實驗裝置。 最后，本文總結(jié)并指出了今后改進的方向。 2 功率譜分析 2 如果在輸入信號中僅通過觀察樣品時域，噪聲或干擾是非常難以察覺。但是， 通過映射的信號在頻域內(nèi) ，這些信號的分析和檢測變得容易了。 信號處理技術(shù) ,特別是 FFT扮演著重要的角色。 1965年 ,它 幾乎是所使用的成員 Tukey成員 示 貝爾實驗室和過濾了噪音信號。這個 “分而治之 ”技術(shù)為 N降低了算法復(fù)雜度使之從 N2變?yōu)?N*log2N,另外需要通過離散傅里葉變換 (DFT)。 功率譜分析使用的 FFT 來表示信號的各種頻率成分的大小 。 通過觀察 頻 譜 , 可以發(fā)現(xiàn) 能量或功率是包含在不同頻率成分信號中。功率譜的分析提供信息允許隔離噪音及有關(guān)它的源頭。 ３ 可重構(gòu)計算 (RC) 可重構(gòu)計算探討了硬件 /軟件解決方案，其底層硬件的靈活性和在運行的硬件修改軟件控制下加速一個應(yīng)用程序。對于絕大多數(shù)人來說 , 可重 構(gòu)計算 利用 FPGA，一個超大規(guī)模集成電路芯片，其硬件的功能是用戶可編程的。把 FPGA上的 PC 附加卡或主板允許 FPGA來作為計算密集的協(xié)處理器。它實現(xiàn)了相當(dāng)大加速度亦可實現(xiàn)針對這些特定應(yīng)用，靈活的部件動態(tài)可編程算法。 可重構(gòu)計算，以加速應(yīng)用的范例采用可編程硬件已經(jīng)足夠成熟?，F(xiàn)在，高性能計算領(lǐng)域正在尋找實現(xiàn)這一技術(shù)，進一步提高超級計算機集群的功率需求。 圖 1 可重構(gòu)計算卡框圖 以下小節(jié)總結(jié)了可重構(gòu)的硬件和系統(tǒng)軟件在這個實驗中的使用。 RC卡 它是一種基于 FPGA的卡，可以通過插入 64 位， 66 MHz PCI 總線到主機。此卡有兩個 Xilinx的的 FPGA。因為這樣，較大的設(shè)備， XCV800用作計算引擎實現(xiàn)應(yīng)用程序邏輯。另外 FPGA是 XCV300設(shè)備保存的 PCI 控制器和邏輯來控制其它設(shè)備。當(dāng)插入到 PCI插槽，使用 RC 卡可以被假定為工作作為協(xié)處理器的主機。圖 1顯示了 RC卡的框圖。機上有一個 128MB 的 SDRAM和 1MB 的 ZBT RAM。 SDRAM的存儲輸入，中間和最終結(jié)果。對于其中的 ZBT 緩存是必需的應(yīng)用場合。該卡支持 DMA操作。 輸入和輸出數(shù)據(jù)卡可提供從使用 PCI接口的主機，也可以直接到該卡使用 LVDS接口。 LVDS的允許高速超過 1 Gbps 的數(shù)據(jù)傳輸。 為 可重構(gòu)計算 卡系統(tǒng)軟件接口實現(xiàn)了紅帽 Linux操作系統(tǒng)。它提供的數(shù)據(jù)傳輸和控制卡，不論預(yù)期的應(yīng)用方面的所有基本功能。該設(shè)備驅(qū)動程序執(zhí)行資源管理和服務(wù)來分配 /釋放 DMA緩沖區(qū)。該系統(tǒng)軟件還提供基本服務(wù)的配置，安裝 /免費資源，輸入數(shù)據(jù)發(fā)送，接收輸出數(shù)據(jù)，計算等發(fā)起 。 3 4 功率頻譜分析儀對可重構(gòu)計算 功率頻譜分析儀的應(yīng)用主要有兩部分組成：一個運行在主機系統(tǒng)上和另一個 運行在連接到主機的RC卡 。主機控制應(yīng)用程序的初始設(shè)置。原始輸入數(shù)據(jù)是預(yù)先由 RC卡處理，以及電力， 平均功率和峰值功率值確定 主機控制應(yīng)用程序的初始設(shè)置。原始輸入數(shù)據(jù)是預(yù)先由 RC 卡處理，以及電力，平均功率和峰值功率值決定的。 在主機上執(zhí)行由 RC產(chǎn)生的經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)后處理等操作。這是必須完成的功率譜分析 如圖 1 所示，輸入的 LVDS 數(shù)據(jù)流是由機載接收機處理，為計算引擎兼容的信號。 功率譜計算塊駐留在 XCV800計算的 FPGA如圖 2所示。它由六個主要部分組成：輸入采樣器和緩沖器，多通道 FFT單元，信道分離器和功率計算單元，平均和峰值功率的計算單位，時間標(biāo)記和控制，以及 XCV800XCV300接口。在下面的小節(jié) 中，我們描述這些組件的應(yīng)用程序。 圖 2 計算功率譜分析儀上實現(xiàn) FPGA 輸入采樣和緩沖 頻譜分析儀應(yīng)用程序需要四個輸入，每有一個 4位數(shù)據(jù)寬度 LVDS通道。但是，只有八個頻道專門為差分線。時分復(fù)用的通道是成雙成對 .channel1 和 channel2 運行在四條線上 ,而 channel3和channel4 在余下的四線。 一個時鐘 ,作為閘門的選擇提供參考。數(shù)據(jù)采樣單元在時鐘的上升沿或下降沿發(fā)生變化。 該通道復(fù)用輸入的數(shù)據(jù)傳遞到采樣單位，解復(fù)用，并轉(zhuǎn)交通道緩沖器，以及對輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。從通道緩沖 器的數(shù)據(jù)輸入到 FFT 區(qū)塊，而從輸入數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)在 SDRAM 中。 該頻道緩沖是需要收集 FFT 計算前的數(shù)據(jù)塊。通過每個 FFT 輸入緩沖對，數(shù)據(jù)讀取和 FFT 的并行處理單元的輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的其他主機的數(shù)據(jù)流。當(dāng) FFT 核完成處理當(dāng)前輸入的數(shù)據(jù)，存儲銀行進行交換和數(shù)據(jù)負(fù)載和計算上的備用記憶庫仍在繼續(xù)。 多通道 FFT 4 此塊使用兩個從 Xilinx的 CoreGen庫 256點復(fù)數(shù) FFT 單元，在并行工作的四個輸入數(shù)據(jù)通道。而不是使用復(fù)數(shù)的 FFT 的實部和虛部他們輸入的計算，它們用于處理兩個真正的數(shù)據(jù)流。復(fù)數(shù) FFT 計算單 元按下列公式： ? ? ? ??? 256 2)(8256 1 ?j nkenxkX (1) 其中， x(n) 是輸入值 n = 0,1,2,....255； X(k)是輸出值 k = 0,1,2 ...255； S是比例因子調(diào)整到 1。 信道分離和功率計算 該信道分離和功率計算塊分開的兩個從復(fù)數(shù)的 FFT 值的真正渠道 FFT 值，并計算每個信道功率 由于復(fù)數(shù)的 FFT 結(jié)果，實部和虛部的值在頻域在獲得。如果得到的值 Re[256]和 Im[256]，這兩個通道是分開使用下面的一組方程： CH1 real[N] = (Re[N] + Re[256 ? N])/ 2 CH2 real[N] = (Im[N] ? Im[256 ? N])/ 2 CH1 imag[N] = (Im[N] + Im[256 ? N])/ 2 CH2 imag[N] = (Re[256 ? N] ? Re[N])/ 2 類似的方程計算 3 號通道和 4 號通道。 該功率值是計算每個按下列公式通道： CHx pwr[N] = CHx real[N]2 + CHx imag[N]2 其中 x表示通道號。該功率值是正數(shù)， 32 位值，存儲在 Block RAM 的內(nèi)部。 平均值和峰值功率計算 計算的平均功率的值和做的峰值功率值是在這個區(qū)塊。將計算的峰值和平均值的存儲到 SDRAM。平均結(jié)果從一個小型的時期 ,為使所做的主機軟件來讀這個結(jié)果相似。平均頻譜的值是在一段時間內(nèi)128塊 (1Block = 256 分 )。隨著觀察 ,其主峰值平均在每一頻點存放。所有的結(jié)果寫進了 SDRAM。這被稱為一個短期的積累 (STA)周期。 顯示時間與控制 顯示時間與控制塊有兩個 32 位計數(shù) 器用以顯示時間和標(biāo)記。這些計數(shù)器用于輸入數(shù)據(jù)的時間標(biāo)記和操作上的參考時鐘和一個標(biāo)記信號作為輸入提供。顯示時間計數(shù)器的參考時鐘運行，并在每個標(biāo)記復(fù)位脈沖。標(biāo)記計數(shù)器每遞增一次，標(biāo)記脈沖并復(fù)位給予 XCV800。這些計數(shù)值是在第一個數(shù)據(jù)出現(xiàn)瞬間在一個新的更新周期（ 1 周期 =128STA）是送給到主機。 5 圖 3 實驗裝置 XCV800 XCV300接口 該 XCV800 XCV300之間的通信接口允許計算和控制引擎。有一種控制和數(shù)據(jù)線，一組寄存器和一個良好定義的協(xié)議，允許通過接口通訊集。 5 實驗裝置 實 驗裝置如圖 3，其中的 RC 卡具有 LVDS 輸入捕捉功能，是連接到基于 PCI 的主機。由于在實際輸入在實驗裝置的 RS 422 信號，小信號為 RS 422 轉(zhuǎn)換板與 LVDS 形式提供設(shè)計，并在區(qū)局卡的輸入連接。 如第 4條所述，該代碼在主機上運行使用一個命令來控制，并啟動卡上的應(yīng)用程序設(shè)置的可重構(gòu)計算。首先， XCV800 的計算發(fā)動機的設(shè)備配置。配置完成后，該設(shè)備被賦予一個復(fù)位。 該卡上的 SDRAM是用作兩個循環(huán)緩沖區(qū)，一個用于輸入數(shù)據(jù)和其他的結(jié)果。每個循