外文文献及翻译-使用基于重构计算机平台的FPGA分析高性能功率谱

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1、PDF外文：http:/ Computing and FPGA's, 2006. ReConFig2006. IEEE International Conference on. IEEE, 2006: 1-5. 1 使用基于重构计算机平台的 FPGA分析高性能功率谱  摘要： 功率谱分析是一种提供信号关键信息的重要工具。应用的范围包括通信系统到 DNA测序。如果传输信号存在干扰，这可能是由于自然原因或叠加因素影响。在后一种情况下，其早期检测和分析变得非常重要。在这种情况下有一个小观察窗，在功率谱中快速查找可以显示大量的信息，包括频率和干扰源。  在本文，我们提出基于

2、重构平台 FPGA功率谱分析的设计。这样就可以达到实时数据采集和对小时域输入信号的采样处理。处理过程包括通过一个输入值的集合来计算其功率，平均值和峰值。该平台支持四路输 入通道同步采集。  1 绪论  功率谱信号的概念和使用是基础工程，应用在通信系统中、微波和雷达。最近，它也被用在不同的领域 ,如基因识别。在一个典型的发送接收信号系统中 ,如果接收到的信号是纯粹的、就像预期的那样 ,那么就没有必要过滤。然而，在另一方面 ，一些干扰覆盖所接收的信号，可能需要一定的分析，以了解更多的干扰。由于干扰往往增加接收电波的额外功率，功率成为了分析这类问题有用的标准。 运用逆向工程技术

3、,输入信号的过剩电量信息可以帮助寻找接口的特点 ,如频率、电源等。  一个功率谱表现各种频率成分的大小的一个信号。通过看谱 ,你能看到多少能量或功率是包含在信号的频率成分内的。分析及评价功率谱是隔离噪音的其中一种方式。  有一些产生功率谱的技巧 , 最常见的一种是通过使用傅里叶变换，其他技术 ,如小波变换或最大熵方法也可以被使用。      经实验研究 ,确定功率谱可以有三种方法 :（ 1）  使用频谱和信号分析仪  -一个商业专用的工具，显示实时功率谱。 （ 2） 使用微机信号分析仪插件卡。 （ 3） 通过数字化的实验数据

4、和一个执行快速傅立叶变换（ FFT）台式机。  从成本和复杂性的角度 ,对上述三个选择降序排列 ,然而从灵活性考虑 , 他们是升序排列的。专用分析 仪是有时候使用 ,但他们可能不符合成本效益及灵活性或者当观察期很短时，能力不够提取相关干扰 ,  一般而言 ,第二个选择提供了额外的灵活性 ,特别是现场可编程门阵列 (FPGA)的使用。  本文中我们提出我们的设计的一个非常强大的可重构计算基础设计为解决复杂信号的功能和实时分析。 虽然这个作品作为一个工作站的附加卡，它是非常强大，灵活和 相对低成本 。 功率谱分析使用由我们开发的多通道数据采集和信号处理上进行一些数据通

5、道同时运作四个模块。  该解决方案允许基于 FPGA 的实时采集和输入信号的来样加工。经过数据采集和分析， 基于选定的 选项， 数据传递到主机的基础上。  同时我们的卡上进行数据支持每个数据流上四通道 复杂的运算法则 。  本文开始我们简单的讨论了功率谱分析力学。第三节概述了可重构计算和用于这种工作的卡。第四和第五章中 ,我们分别讨论了我们的实现方案用于功率谱分析的基础上重构 FPGA 硬件和实验装置。 最后，本文总结并指出了今后改进的方向。  2 功率谱分析   2 如果在输入信号中仅通过观察样品时域，噪声或干扰是非常难以察觉。但是， &nb

6、sp;通过映射的信号在频域内 ，这些信号的分析和检测变得容易了。  信号处理技术 ,特别是 FFT扮演着重要的角色。 1965年 ,它 几乎是所使用的成员 J.W.表示 Tukey成员 J.W.表示 -贝尔实验室和过滤了噪音信号。这个 “分而治之 ”技术为 N降低了算法复杂度使之从 N2变为 N*log2N,另外需要通过离散傅里叶变换 (DFT)。  功率谱分析使用的 FFT 来表示信号的各种频率成分的大小 。 通过观察 频 谱 , 可以发现 能量或功率是包含在不同频率成分信号中。功率谱的分析提供信息允许隔离噪音及有关它的源头。    可重构计算 (RC

7、) 可重构计算探讨了硬件 /软件解决方案，其底层硬件的灵活性和在运行的硬件修改软件控制下加速一个应用程序。对于绝大多数人来说 , 可重 构计算 利用 FPGA，一个超大规模集成电路芯片，其硬件的功能是用户可编程的。把 FPGA 上的 PC 附加卡或主板允许 FPGA 来作为计算密集的协处理器。它实现了相当大加速度亦可实现针对这些特定应用，灵活的部件动态可编程算法。  可重构计算，以加速应用的范例采用可编程硬件已经足够成熟。现在，高性能计算领域正在寻找实现这一技术，进一步提高超级计算机集群的功率需求。   图 1 可重构计算卡框图  以下小节总结了可重构的硬件和系统

8、软件在这个实验中的使用。  3.1 RC卡  它是一种基于 FPGA 的卡，可以通过插入 64 位， 66 MHz PCI 总线到主机。此卡有两个 Xilinx 的的 FPGA。因为这样，较大的设备， XCV800 用作计算引擎实现应用程序逻辑。另外 FPGA 是 XCV300设备保存的 PCI 控制器和逻辑来控制其它设备。当插入到 PCI 插槽，使用 RC 卡可以被假定为工作作为协处理器的主机。图 1 显示了 RC 卡的框图。机上有一个 128MB 的 SDRAM 和 1MB 的 ZBT RAM。  SDRAM 的存储输入，中间和最终结果。对于其中的 ZBT 缓

9、存是必需的应用场合。该卡支持 DMA 操作。  输入和输出数据卡可提供从使用 PCI 接口的主机，也可以直接到该卡使用 LVDS 接口。 LVDS 的允许高速超过 1 Gbps 的数据传输。  为 可重构计算 卡系统软件接口实现了红帽 Linux 操作系统。它提供的数据传输和控制卡，不论预期的应用方面的所有基本功能。该设备驱动程序执行资源管理和服务来分配 /释放 DMA 缓冲区。该系统软件还提供基本服务的配置，安装 /免费资源，输入数据发送，接收输出数据，计算等发起 。   3 4 功率频谱分析仪对可重构计算  功率频谱分析仪的应用主要有两部分组成：一个

10、运行在主机系统上和另一个 运行在连接到主机的RC 卡 。主机控制应用程序的初始设置。原始输入数据是预先由 RC 卡处理，以及电力， 平均功率和峰值功率值确定  主机控制应用程序的初始设置。原始输入数据是预先由 RC 卡处理，以及电力，平均功率和峰值功率值决定的。  在主机上执行由 RC产生的经过处理的数据后处理等操作。这是必须完成的功率谱分析  如图 1 所示，输入的 LVDS 数据流是由机载接收机处理，为计算引擎兼容的信号。  功率谱计算块驻留在 XCV800计算的 FPGA如图 2所示。它由六个主要部分组成：输入采样器和缓冲器，多通道 FFT单元，信

11、道分离器和功率计算单元，平均和峰值功率的计算单位，时间标记和控制，以及 XCV800-XCV300接口。在下面的小节 中，我们描述这些组件的应用程序。   图 2 计算功率谱分析仪上实现 FPGA 4.1 输入采样和缓冲  频谱分析仪应用程序需要四个输入，每有一个 4 位数据宽度 LVDS 通道。但是，只有八个频道专门为差分线。时分复用的通道是成双成对 .channel-1 和 channel-2 运行在四条线上 ,而 channel-3 和channel-4 在余下的四线。  一个时钟 ,作为闸门的选择提供参考。数据采样单元在时钟的上升沿或下降沿发生变化。    该通道复用输入的数据传递到采样单位，解复用，并转交通道缓冲器，以及对输入数据缓冲区。从通道缓冲 器的数据输入到 FFT 区块，而从输入数据的数据缓冲区在 SDRAM 中。  该频道缓冲是需要收集 FFT 计算前的数据块。通过每个 FFT 输入缓冲对，数据读取和 FFT 的并行处理单元的输入数据缓冲区中的其他主机的数据流。当 FFT 核完成处理当前输入的数据，存储银行进行交换和数据负载和计算上的备用记忆库仍在继续。  4.2 多通道 FFT