在FPGA 平台上实现实时波束形成器 - Xilinx

算两个输出项 ℑ(υ) 和 ℜ(υ) 之一。
计算这两个输出项需要两个时钟周期。
每个时钟周期内都为 DSP 提供一个独
一无二 的操作码 。 让 我们看看数据
ℜ(υ) 的计算过程。第一个时钟周期
里,计算得出 cos(Φ) x ℜ(xin ) 的乘积
并存储在 DSP48 乘积(或称 p)寄存器
中。
第二个时钟周期里,算出 sin(Φ)
x ℑ(xin ) 结果,然后从 p 寄存器所存
储 的数值 中 减去该结果, 得出最终的
输出项。通过类似 的计算过程可得出
ℑ(υ)。内部单元上使用 DSP48 嵌入
式模块而不使用基于 CORDIC 的方
法,可减少计算中的相位延迟,同时还
使实现所需的 FPGA 逻辑架构的数量
降为最低。表 1 所示为 QRD 实现
中 主 要 功 能单元范围的 明细,同时
还显示了该设计的总范围。
内部单元所需的 cos(Φ)、sin(Φ)、
cos(Θ) 和 sin(Θ) 项是用一个简单的
LUT 计算出来的,这个 LUT 将边界单
元中矢量单元计算得出的 Φ 和 Θ 角
映射到相应的正弦和余弦中。线性插补
法被应用于 LUT 的输出样本,以增加
从角到 振幅的 映射的 精确度,同时将
LUT 本身限制在单个 Block RAM 上。
QRD 处理器的输入阵列的行和列
的维数可在运行时进行动态调节,方法
是将新维数写到 FPGA 控制平台中的控
制寄存器上。
表 2 提供了输入数据组几个配置
的时序信息。
设计流程
我们的 QRD 实现使用了基 于
Xilinx System Generator for DSP 模式
的设计流程。除了为开发 FPGA 信号处
功能单元 LUT FF DSP48 Slice Block RAM Slice
边界单元 2,145 2,057 3 1 1,266
内部单元 216 329 6 0 176
后替代单元 2,862 3,286 4 1 1,932
QRD 总计 5,411 5,916 13 6 3,530
M N
表 1 - FPGA 中合并 QRD 和后替代阵列的资源利用率
三角形化 后替代
250-MHz 时钟
总周期
周期 周期 所用时间 (m s)
3 3 792 147 939 3.76
8 3 2,112 147 2,259 9.04
5 5 2,540 255 2,795 11.18
9 5 4,572 255 4,827 19.31
7 7 5,656 371 6,027 24.11
10 7 8,080 371 8,451 33.80
9 9 10,476 495 10,971 43.88
11 9 12,804 495 13,299 53.20
10 10 13,630 560 14,190 56.76
表 2 - M x N 矩阵中 FPGA QRD 实现的三角化和后替代阶段的运行时间
技 术 长 廊
理的实现方法提供自然的开发环境外,
System Generator 还具有一套丰富的
功能,用来支持既包括 FPGA 元件又包
括处理器的异构应用的开发。处理器可
以是嵌入式 PowerPC 405 硬 IP 模
块、MicroBlaze 软处理器核或处于
FPGA 外部的处理器。
为本项目开发的波束形成器在 PC
主机和 FPGA 平台之间进行了分割。
在我们的实现中,在 PC 上运行的主应
用更像是波束形成器验证过程(测试平
台)的一个单元,但主应用也可能是随
意而复杂的,随要完成的任务之需而变。
此设计中的波束形成器主应用是一
个 MATLAB 脚本(m 代码),用于仿
真波束形成器网络的传感器阵列。该脚
本仿真一个动态目标,并为移动目标生
成远场辐射图的样本。每个传感器上的
电场样本都是在 MATLAB 中生成并传输
给 FPGA QRD 处理器的。对波束形成
器权重矢量会生成一个新的估值,然后
反馈给 MATLAB 环境作进一步计算。
在此示例中,额外的处理涉及到为
经过更新的复杂权重矢量绘制极坐标辐
射 图。请注意, 主 应用不一定非 要 与
MATLAB 环境有联系,例如,它可以
是用 C 编写的程序。
这种波束形成器应用中一个很有意
思的因素是对主应用(这里是在 PC 上
运行)和 QRD 处理(在 FPGA 平台上
运 行)之间接口的管理。System
Generator 提供了一套共享存储器库
(ROM、RAM、FIFO),它们能提取
几乎所有的处理器/FPGA 接口细节,
并使主机软件和 FPGA 硬件彼此隔离
(图 5)。
波束形成器每次新的更新实际上都
是一个三步过程:
1.每个天线元件收到的新输入样本(由
MATLAB 主应用生成)被传送到
FPGA 上的原位 QRD 引擎上。
2.触发 QRD 处理。
3.新的权重矢量由 FPGA 返回到主机
上。
2007 年夏季刊