并行信号处理算法的硬件实现研究

论文摘要

信号处理作为一门涉及到多个学科领域的新兴学科,其内容涉及到算法和硬件两个方面。信号处理算法的硬件实现则是理论和实践的桥梁,同时也是科学和工程的交汇点。针对很多实际应用的计算量越来越大和对实时性的要求也越来越高这一难题,并行处理理论这一新兴的理论和工程方法得到极大的重视,将这一理论应用到信号处理工程实践当中可以极大地解决某些大运算量算法对硬件性能的依赖性以及满足信号处理实时化的要求。本文从信号处理算法的并行化硬件实现这一实际要求入手,构建了一套完整包含了中频信号采样板到后端的4 TS201 DSP高速并行信号处理板的硬件系统,在这套硬件系统的基础上探讨了算法并行化的理论及具体实现方法,并且以具有广泛代表性和实际工程意义的快速傅立叶变换算法为例,实现了两种不同的并行化算法。本文首先研究了中频采样技术。详细分析了带通信号采样理论,分析了ADC采样器件的关键性能指标,以此为依据制定了一套信号采样板的系统方案,然后完成了该采样板的PCB设计并讨论了高速PCB设计当中的电磁兼容设计方法,最后从实际应用出发完成了该信号采样板的FPGA设计并给出了实现结果。其次研究了并行高速DSP信号处理板的系统方案。从并行化计算的实际要求出发设计了采用复合耦合结构的多处理器系统结构,并且完成共享总线的FPGA设计,设计了一个具有总线仲裁机制的SDRAM控制器,实现了信号处理板与信号采样板的数据通信。接着研究了并行算法的基本概念和传统串行算法并行化处理的基本方法,紧接着阐述了快速傅立叶变换算法的原理。在此基础上通过分析快速傅立叶变换算法的内在串行性和并行性提出了粗粒度块分配流水线算法和中粒度频率抽取算法两种并行FFT算法,并且针对硬件结构对算法进行了优化并给出了具体实现方法。最后搭建了一个测试平台实际测试了两种算法的运算开销和性能,分析和对比了两种并行算法的特点和性能,提出了两种算法的优缺点和具体适用的场合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 高速并行信号处理硬件实现技术的发展和研究意义
• 1.1.1 高速并行信号处理硬件实现技术的发展
• 1.1.2 研究意义和应用前景
• 1.2 国内外发展动态
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 高速数字采集板设计
• 2.1 信号采样理论
• 2.1.1 带通信号采样理论
• 2.1.2 中频信号的采样
• 2.2 模数转换器（ADC）设计
• 2.2.1 ADC 芯片的选择
• 2.2.2 AD9218
• 2.2.3 基于AD9218 的数据采集模块设计
• 2.3 ADC 采集板PCB 设计
• 2.3.1 共模干扰
• 2.3.2 差模干扰
• 2.3.3 电磁辐射和电流回路
• 2.3.4 电源层划分和退耦电容
• 2.3.5 高速电路PCB 设计的具体措施
• 2.4 ADC 采集板板载FPGA 设计
• 2.4.1 发送端与接收端系统设计
• 2.4.2 DDR 信号产生电路：ODDR 逻辑
• 2.4.3 DCM 时钟模块配置
• 2.4.4 实现结果
• 2.5 本章小结
• 第三章 高速并行DSP 硬件系统设计
• 3.1 复合耦合形式的多处理器硬件结构设计
• 3.1.1 系统综述
• 3.2 多处理器复合耦合结构模型
• 3.2.1 高速链路口耦合模型
• 3.2.2 外部总线耦合方式
• 3.3 共享总线的FPGA 设计
• 3.3.1 FPGA 对SDRAM 的总线访问
• 3.3.2 FPGA 与DSP 系统之间的总线仲裁机制和总线控制器的设计与实现
• 3.4 本章小结
• 第四章 并行算法设计及快速傅立叶变换
• 4.1 并行算法的基本概念
• 4.1.1 并行算法性能指标
• 4.1.2 加速比定律：Amdahl 定律和Gustafson 定律
• 4.2 设计并行算法一般方法
• 4.2.1 算法并行化的思路
• 4.2.2 并行算法设计策略
• 4.3 频率抽取的基二快速傅立叶变换
• 4.3.1 快速傅里叶变换原理
• 4.3.2 基-2 FFT 算法
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于4 TS201 DSP 硬件平台的并行FFT 算法设计
• 5.1 FFT 算法的并行化策略
• 5.1.1 频率抽取FFT 算法的并行性
• 5.1.2 时间抽取FFT 算法的并行性
• 5.1.3 FFT 算法的串行性
• 5.2 粗粒度块分配流水线并行算法实现
• 5.2.1 流水线块分配算法的并行化方法
• 5.2.2 针对硬件系统优化的进一步算法重构
• 5.2.3 块分配流水线并行算法的程序实现
• 5.3 中粒度频率抽取FFT 算法的并行实现
• 5.3.1 采用分治策略的数据分割方法
• 5.3.2 运行时间及加速比分析
• 5.3.3 中粒度并行算法的程序实现
• 5.4 本章小结
• 第六章 并行算法的性能测试
• 6.1 测试平台介绍
• 6.1.1 测试平台硬件框图
• 6.1.2 DSP 并行算法性能测试方法
• 6.2 粗粒度块分配流水线FFT 算法性能测试
• 6.3 中粒度并行频率抽取FFT 算法性能测试
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者攻硕期间取得的成果