發(fā)布時間：2020-02-20 22:06

【摘要】：為滿足多波束接收機、焦面陣和天線陣等超大數(shù)據(jù)量終端的處理需求,采用以GPU并行運算為處理核心的FPGA+CPU+GPU混合架構(gòu)對天文相關(guān)器進行設計,利用嚴格時序的FPGA進行采樣和預處理,基于統(tǒng)一計算設備架構(gòu)平臺開發(fā)實現(xiàn)GPU并行運算信號處理與CPU邏輯控制、存儲和顯示。測試結(jié)果表明,該相關(guān)器運行穩(wěn)定、準確,通過調(diào)節(jié)混頻、濾波和傅里葉變換參數(shù)即可實現(xiàn)通帶范圍內(nèi)任意頻帶的高精度測量。
【圖文】：

可，使計算量得到大幅的簡化，優(yōu)化了軟硬件資源并節(jié)省了計算時間，該類型的相關(guān)機被稱為FX型相關(guān)機［12］，文中即采用了該設計原理。通過相關(guān)計算可獲得兩信號的自相關(guān)幅度A*·A，B*·B，該結(jié)果即為各通道的功率譜，即信號的頻譜;還可獲得兩信號互相關(guān)的實部ABre和虛部ABim，根據(jù)式(1)進行轉(zhuǎn)換即可得到互相關(guān)的幅度和相位，該類型相關(guān)機在甚長基線干涉測量(VLBI)［13］和全息法測量［14-15］等天文觀測中應用較多。Amp=AB2re+AB2i醝mPhase=arctan(ABim/ABre)(1)圖1FX型相關(guān)機原理4系統(tǒng)硬件架構(gòu)基于混合架構(gòu)的實時相關(guān)器系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖2所示，F(xiàn)PGA部分采用美國伯克利大學天文信號處理與電子研究組織(CASPEＲ)提供的可重構(gòu)開放式架構(gòu)硬件計算平臺(ＲOACH)，，負責數(shù)據(jù)的高速采集與傳輸，該平臺采用XilinxVirtex5FPGA處理芯片，與A/D采樣板采用Z-DOK連接方式，配備有4個10GbE的萬兆以太網(wǎng)模塊，采用10GbE電纜直接與計算機端的10GbE模塊連接以便數(shù)據(jù)的高速實時讀齲ＲOACH板與計算機間的通信與控制采用普通以太網(wǎng)的連接方式。計算機端配備有Nvidia最新的GPU處理器GeForceGTXTITAN，含有2688個CUDA核，內(nèi)存訪問帶寬為288．4GB/s，采用PCIExpress3．0×16接口與計算機連接，數(shù)據(jù)交換速率能達到32GB/s。43

計算機工程2016年5月15日圖2系統(tǒng)硬件框圖5系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計分為FPGA開發(fā)和基于CUDA的CPU+GPU混合編程兩部分，當前所使用的AD采樣為雙通道200Mb/s，8bit，數(shù)據(jù)速率為3．2Gb/s，經(jīng)實測，10GbE網(wǎng)絡的最大有效傳輸速率約為9．5Gb/s，足夠滿足兩通道信號的實時傳輸。對于多波束、焦面陣或天線陣產(chǎn)生的多通道、寬帶寬、高精度的超大數(shù)據(jù)量來說，由于終端處理器傳輸帶寬的限制，一般先將數(shù)據(jù)保存到存儲服務器上，然后再進行后處理。本文僅對雙通道窄帶信號進行相關(guān)，數(shù)據(jù)只需先暫存到服務器的存儲硬盤上，然后再從硬盤上讀取數(shù)據(jù)進行實時處理，由于GPU的運算效率極高，因此可實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的實時采集與處理。服務器的存儲采用了SATA36Gb/s接口平臺的固態(tài)硬盤，其讀寫速率最大分別可達550MB/s和520MB/s，存儲空間為512GB，讀寫速率足夠滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊�。系統(tǒng)軟件設計規(guī)劃如圖3所示，ＲOACH完成兩通道數(shù)據(jù)的高速采集、數(shù)字混頻、濾波并打包發(fā)送到10GbE網(wǎng)絡，GPU＆CPU從10GbE模塊讀取數(shù)據(jù)、解包、多相濾波、FFT、交叉相乘、積分并進行存儲和顯示，CPU還要完成整個系統(tǒng)的邏輯和流程控制。圖3系統(tǒng)軟件設計規(guī)劃系統(tǒng)軟件流程如圖4所示，總體來說，由CPU完成邏輯和流程控制，包括初始化、內(nèi)存分配與回收、FPGA程序加載與參數(shù)配置、CPU與GPU間數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)獲娶存儲與顯示等;采用FPGA進行采樣和預處理、并將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到10GbE網(wǎng)絡;利用GPU并行運算來完成多相濾波、傅里葉變換、相關(guān)運算、積分等信號處理。圖4系統(tǒng)軟件流程5．1ＲOACH板軟件開發(fā)ＲOACH板軟件開發(fā)包括ＲOACH控制軟件和FPGA開發(fā)，前者主要完成將二進制文件加載到FPGA、初始化配置、網(wǎng)絡設置等控制功能，相對簡單;后者基于CASPEＲ提供的FPGA開發(fā)庫，在Mat

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1 姜釗;金聲震;姜愛民;賈志宏;;空間太陽望遠鏡圖像積分中1 bit相關(guān)器的研究[J];光電子.激光;2007年02期

2 ;[J];;年期

本文編號：2581441