O 引言

　　協(xié)方差矩陣的計(jì)算是信號(hào)處理領(lǐng)域的典型運(yùn)算，是實(shí)現(xiàn)多級(jí)嵌套維納濾波器、空間譜估計(jì),、相干源個(gè)數(shù)估計(jì)以及仿射不變量模式識(shí)別的關(guān)鍵部分，廣泛應(yīng)用于雷達(dá),、聲吶,、數(shù)字圖像處理等領(lǐng)域。采用FPGA(Field Programmable Gate Array)可以提高該類數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的實(shí)時(shí)性,，是算法工程化的重要環(huán)節(jié),。但是FPGA不適宜對(duì)浮點(diǎn)數(shù)的處理，對(duì)復(fù)雜的不規(guī)則計(jì)算開(kāi)發(fā)起來(lái)也比較困難,。故目前國(guó)內(nèi)外協(xié)方差運(yùn)算的FPGA實(shí)現(xiàn)都是采用定點(diǎn)運(yùn)算方式,。

　　在所有運(yùn)算都是定點(diǎn)運(yùn)算的情況下，每次乘法之后數(shù)據(jù)位寬都要擴(kuò)大一倍,。若相乘后的數(shù)據(jù)繼續(xù)做加減運(yùn)算,，為了保證數(shù)據(jù)不溢出，還必須將數(shù)據(jù)位寬擴(kuò)展一位,，而協(xié)方差矩陣的運(yùn)算核心就是乘累加單元,，隨著采樣點(diǎn)數(shù)的增加,，位寬擴(kuò)展呈線性增加。最終導(dǎo)致FPGA器件資源枯竭,，無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì),。為了保證算法的實(shí)現(xiàn)，必須對(duì)中間運(yùn)算數(shù)據(jù)進(jìn)行截?cái)?，將每次累加的結(jié)果除2(可以通過(guò)移位運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)),，以避免溢出。

　　此外,，在應(yīng)用MUSIC算法時(shí),，各種計(jì)算都是復(fù)數(shù)運(yùn)算。為達(dá)到減少算法的計(jì)算量,，提高M(jìn)USIC算法處理速度的目的,，許多文獻(xiàn)致力于研究陣列的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在保證測(cè)角精度的前提下,，尋找一種簡(jiǎn)單而有效的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法,，將復(fù)數(shù)矩陣轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)矩陣，把復(fù)矢量用一個(gè)實(shí)矢量來(lái)代替,，從而將復(fù)數(shù)運(yùn)算轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)運(yùn)算。

　　接收陣元模型可分為任意離散陣,、均勻圓弧陣,、均勻圓陣和均勻線陣。在實(shí)際應(yīng)用中,，比較常見(jiàn)的是均勻線陣和均勻圓陣,。每種陣列模型都有各自的特點(diǎn)，加之陣元數(shù)目的取值不同,，也會(huì)導(dǎo)致陣列流型的對(duì)稱性變化,。針對(duì)不同的陣元模型和陣元數(shù)，數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法也會(huì)有所不同,。

　　對(duì)于數(shù)據(jù)預(yù)處理的研究,，目前已經(jīng)有了一些比較成熟的算法。對(duì)于一個(gè)偶數(shù)陣元的對(duì)稱陣列(包括均勻線陣和均勻圓陣),，相關(guān)研究表明,，可利用其對(duì)稱性，分成兩個(gè)完全對(duì)稱的子陣,，選擇合適的參考點(diǎn),，構(gòu)造互為共軛對(duì)稱的方向矩陣，進(jìn)而構(gòu)造一個(gè)線性變換矩陣,，即可達(dá)到將復(fù)數(shù)矩陣轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)矩陣的目的,。

　　對(duì)于奇數(shù)陣元的均勻線陣,，也有相關(guān)研究成果表明，通過(guò)構(gòu)造一個(gè)酉矩陣,，也可以達(dá)到數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的,。

　　由于均勻圓陣的陣列流型矩陣不是Vandermonde矩陣，即不具備旋轉(zhuǎn)不變性,，因此適用于奇數(shù)陣元的均勻線陣的預(yù)處理理論不能直接用于奇數(shù)陣元的均勻圓陣,，需要將圓陣先轉(zhuǎn)換到模式空間——虛擬線陣，而轉(zhuǎn)換需要第一類Bessel函數(shù),，不適宜用硬件實(shí)現(xiàn),。

　　以上研究表明，目前除了奇數(shù)陣元的均勻圓陣外,，其他常用陣列模型都可以通過(guò)預(yù)處理的方法將復(fù)數(shù)運(yùn)算轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)運(yùn)算,。若在某些特定的情況下，必須采用奇數(shù)陣元的均勻圓陣,。此時(shí),，基于復(fù)數(shù)運(yùn)算的協(xié)方差矩陣的實(shí)現(xiàn)就成為一種必然。

　　因此,，在充分應(yīng)用FPGA并行處理能力的同時(shí),，為了擴(kuò)展數(shù)據(jù)處理的動(dòng)態(tài)范圍，減少數(shù)據(jù)溢出機(jī)率,，避免數(shù)據(jù)截?cái)嗨a(chǎn)生的誤差,，提高協(xié)方差矩陣的運(yùn)算精度以及擴(kuò)展該運(yùn)算的通用性。本文以空間譜估計(jì)作為研究背景,，研究了復(fù)數(shù)據(jù)運(yùn)算和浮點(diǎn)運(yùn)算的特點(diǎn),，提出了一種適用于任何陣列流型、任意陣元的基于復(fù)數(shù)浮點(diǎn)運(yùn)算的協(xié)方差矩陣的FPGA實(shí)現(xiàn)方案,。

　　1 求解復(fù)數(shù)浮點(diǎn)協(xié)方差矩陣

　　以11陣元的均勻圓陣為例,，其協(xié)方差矩陣的求解方案原理框圖如圖1所示。

　　1．1 FIFO數(shù)據(jù)緩存器

　　在該設(shè)計(jì)方案中選擇FIFO作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,，這是因?yàn)橐坏┒嗦方邮諜C(jī)有數(shù)據(jù)輸出,，就會(huì)啟動(dòng)FIFO進(jìn)行存儲(chǔ)，進(jìn)而FIFO的不空信號(hào)有效(empty=O),，觸發(fā)后續(xù)的矩陣運(yùn)算,；否則，運(yùn)算停止,，一切狀態(tài)清零,，F(xiàn)PGA恢復(fù)idle(空閑)狀態(tài)，等待新的快拍采樣數(shù)據(jù)的到來(lái),。

　　這樣可以很方便地控制運(yùn)算的開(kāi)始和結(jié)束,。矩陣運(yùn)算所需要的同步時(shí)鐘需要設(shè)計(jì)一個(gè)類似于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的模塊,。當(dāng)檢測(cè)到empty=‘0’時(shí)，就觸發(fā)一個(gè)含有121個(gè)clk(對(duì)于串行方案而言)時(shí)鐘信號(hào)周期長(zhǎng)度的高電平,。該高電平與主時(shí)鐘相與便可以得到運(yùn)算的同步時(shí)鐘,。

　　1．2 數(shù)據(jù)共軛轉(zhuǎn)換

　　由于測(cè)向陣列的輸出矢量X(t)是一個(gè)復(fù)矢量，對(duì)其求協(xié)方差矩陣需用陣列輸出列矢量X(t)與其共軛轉(zhuǎn)置矢量XH(n)對(duì)應(yīng)相乘,。如式(1)所示：

　　1．3 定點(diǎn)數(shù)到浮點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)換

　　定點(diǎn)計(jì)算在硬件上實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,，計(jì)算速度比浮點(diǎn)計(jì)算要快，但是表示操作數(shù)的動(dòng)態(tài)范圍受到限制,，浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算硬件實(shí)現(xiàn)比較困難,；一次計(jì)算花費(fèi)的時(shí)間也遠(yuǎn)大于定點(diǎn)計(jì)算的花費(fèi)，但是其表示的操作數(shù)動(dòng)態(tài)范圍大,，精度高,。在本設(shè)計(jì)中，考慮到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍和運(yùn)算精度,，選擇浮點(diǎn)計(jì)算,。由于運(yùn)算數(shù)據(jù)是直接從接收機(jī)I，Q兩路通道的A／D變換器的輸出獲得,，為定點(diǎn)數(shù),，因此必須要有一個(gè)將A／D采樣的定點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)的過(guò)程。設(shè)計(jì)中將16位定點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)的單精度格式,。32位單精度格式如圖2所示,，最高位為符號(hào)位，其后8位為指數(shù)e(用移碼表示,，基數(shù)f=2，偏移量為127),，余下的23位為尾數(shù)m,。

　　1．4 浮點(diǎn)復(fù)數(shù)乘累加器

　　1．4．1 復(fù)數(shù)乘法器

　　假設(shè)有兩個(gè)復(fù)數(shù)分別為a+jb和c+jd，這兩個(gè)數(shù)的乘積為：

　　復(fù)數(shù)乘法器的工作原理如圖3所示,，其中所用到的加法,、減法和乘法器都是基于浮點(diǎn)的運(yùn)算。值得一提的是,，在實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)加減法的時(shí)候,，可以將尾數(shù)連同符號(hào)位轉(zhuǎn)化為變形補(bǔ)碼形式后再進(jìn)行加減運(yùn)算。這樣做的目的是方便判斷數(shù)據(jù)是否溢出(變形補(bǔ)碼判斷溢出的規(guī)則是：當(dāng)兩位符號(hào)位不同時(shí)表示溢出,，否則無(wú)溢出,。無(wú)論數(shù)據(jù)是否溢出，第一位符號(hào)位永遠(yuǎn)代表真正的符號(hào)),，若溢出,，則將尾數(shù)右歸,，指數(shù)部分加1，若沒(méi)有溢出,，則將尾數(shù)左歸(規(guī)格化),。浮點(diǎn)乘法相對(duì)較簡(jiǎn)單，對(duì)應(yīng)階碼相加,，尾數(shù)相乘可以采用定點(diǎn)小數(shù)的任何一種乘法運(yùn)算來(lái)完成,，只是在限定只取一倍字長(zhǎng)時(shí)，乘積的若干低位將會(huì)丟失,，引入誤差,。

　　1．4．2 浮點(diǎn)復(fù)數(shù)乘累加器

　　以11個(gè)陣元的圓陣為例，實(shí)現(xiàn)串行處理方案的浮點(diǎn)復(fù)數(shù)乘累加器的原理如圖4所示,，實(shí)部和虛部(雙通道)的乘累加器模塊工作原理一樣,。

　　121階數(shù)據(jù)緩存器實(shí)際上就是121個(gè)數(shù)據(jù)鎖存器級(jí)聯(lián)形成的一個(gè)移位寄存器，初始狀態(tài)為零,。當(dāng)浮點(diǎn)復(fù)數(shù)乘法器有輸出的時(shí)候,，啟動(dòng)數(shù)據(jù)緩存器與之進(jìn)行加法操作，121個(gè)時(shí)鐘周期以后可以實(shí)現(xiàn)一次快拍采樣的矩陣?yán)奂?。累加清零信?hào)由時(shí)序控制器給出,，當(dāng)所有的快拍采樣點(diǎn)運(yùn)算都結(jié)束之后，數(shù)據(jù)緩存器輸出累加結(jié)果(即協(xié)方差矩陣的運(yùn)算結(jié)果),，同時(shí)控制器送出一個(gè)清零信號(hào),，清零121階數(shù)據(jù)緩存器。

　　2 仿真結(jié)果

　　可編程邏輯設(shè)計(jì)有許多內(nèi)在規(guī)律可循,，其中一項(xiàng)就是面積和速度的平衡與互換原則,。面積和速度是一對(duì)對(duì)立統(tǒng)一的矛盾體，要求一個(gè)設(shè)計(jì)同時(shí)具備設(shè)計(jì)面積最小,，運(yùn)行頻率最高,，這是不現(xiàn)實(shí)的。于是基于面積優(yōu)先原則和速度優(yōu)先原則,，本文分別設(shè)計(jì)了協(xié)方差矩陣的串行處理方案和并行處理方案,，并用Altera＼stratix＼EP1S20F780C7進(jìn)行板上調(diào)試。其調(diào)試結(jié)果表明,，串行處理方案占用的資源是并行處理方案的1／4,，但其運(yùn)算速度卻是后者的11倍。

　　2．1 串行處理方案仿真結(jié)果

　　如圖5所示,，clk為運(yùn)算的總控制時(shí)鐘,；reset為復(fù)位控制信號(hào)，高電平有效；rd為讀使能信號(hào),，低電平有效,；wr為寫使能信號(hào)，低電平有效,；wr_clk為寫時(shí)鐘信號(hào),，上升沿觸發(fā)；q_clk為讀時(shí)鐘信號(hào),，上升沿觸發(fā),；ab_re(31：O)和ab_im(31：O)為乘法器輸出的實(shí)部和虛部。q_t2為矩陣乘累加模塊的同步時(shí)鐘信號(hào),；clkll,，state(3：O)，clkl和state(3：0)是狀態(tài)機(jī)的控制信號(hào),，控制矩陣運(yùn)算規(guī)則,。

　　如圖5所示，在100 ns時(shí)reset信號(hào)有效(即reset=‘1’),，所有狀態(tài)清零,。從335～635 ns間，寫使能信號(hào)有效(wr=‘O’)且有兩個(gè)寫時(shí)鐘信號(hào)的上升沿到來(lái),，即向任意一個(gè)通道的FIFO中存入兩個(gè)快拍采樣數(shù)據(jù),，最后輸出結(jié)果應(yīng)該有兩個(gè)矩陣，如圖6所示,。當(dāng)FIFO為空時(shí),，運(yùn)算停止，所有狀態(tài)清零,。等待新采樣數(shù)據(jù)的到來(lái),。

　　圖5中，在350 ns時(shí),，讀使能有效(rd=‘0’)且有一個(gè)讀時(shí)鐘信號(hào)的上升沿到來(lái),，所以empty信號(hào)存在短暫的不空(empty=‘O’)狀態(tài)，捕獲到這個(gè)信息,，便觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器模塊，產(chǎn)生具有121個(gè)clk時(shí)鐘周期長(zhǎng)度,，占空比為120：1的q_clk信號(hào),，進(jìn)行FIFO的讀操作。

　　在350～535 ns時(shí)間段,，因?yàn)閷憰r(shí)鐘信號(hào)沒(méi)有到來(lái),，所以FIFO為空(empty=‘1’)。從550 ns～24．75 μs時(shí)間段讀時(shí)鐘信號(hào)沒(méi)有上升沿到來(lái)，整個(gè)設(shè)計(jì)處于第一個(gè)矩陣的運(yùn)算過(guò)程中,，即運(yùn)算一個(gè)矩陣所需要的時(shí)間為24．2 μs,。與此同時(shí)，第二個(gè)數(shù)據(jù)寫入FIFO,，empty一直處于不空狀態(tài)(empty=‘O’),。

　　在第一個(gè)矩陣運(yùn)算結(jié)束之后，即24．6μs時(shí),，系統(tǒng)檢測(cè)到empty=‘0’,，開(kāi)始讀數(shù)據(jù)并觸發(fā)第二個(gè)矩陣運(yùn)算的時(shí)鐘控制信號(hào)。如圖6所示,，在24．6μs時(shí),，empty=‘1’。FIFO中的第二個(gè)數(shù)據(jù)被讀出,，處于空狀態(tài),。從24．85～49．05μs進(jìn)入第二個(gè)矩陣的運(yùn)算周期。

　　在仿真時(shí),，輸人數(shù)據(jù)為16位的定點(diǎn)數(shù)(1+j1,；O+jO；2+j2,；3+j3,；4+j4；5+j5,，6+j6,；7+j7；8+j8,；9+j9,；A+jA)，輸出結(jié)果為32位的單精度浮點(diǎn)數(shù),。選擇的主時(shí)鐘周期為200 ns,。在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，整個(gè)系統(tǒng)可以在50 MHz主時(shí)鐘頻率下正常工作,。

　　2．2 并行處理方案仿真結(jié)果

　　并行方案運(yùn)算原理與串行方案的一樣,，只是在時(shí)鐘控制上有所區(qū)別，因?yàn)椴捎昧?1個(gè)浮點(diǎn)復(fù)數(shù)乘累加器,，進(jìn)行一次矩陣運(yùn)算,，只需要11個(gè)時(shí)鐘周期，如圖7,，圖8所示,。在仿真時(shí)，設(shè)置在寫使能信號(hào)有效(wr=‘O’)的同時(shí)，有3個(gè)寫時(shí)鐘信號(hào)(wr_clk)的上升沿到來(lái),，即分別向22個(gè)FIF0中存入3個(gè)數(shù)據(jù),，則輸出有3個(gè)矩陣。從圖7中還可以清楚地看出,，運(yùn)算結(jié)果是矩陣的11行數(shù)據(jù)并行輸出,，輸出結(jié)果是一個(gè)對(duì)稱矩陣。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　在分析了目前應(yīng)用于空間譜估計(jì)的協(xié)方差矩陣運(yùn)算在硬件實(shí)現(xiàn)上的不足,，如定點(diǎn)計(jì)算的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍小,，運(yùn)算精度不高，且只適用于特定陣列模型和的陣元數(shù),，不具備通用性,。在此基礎(chǔ)上提出了基于浮點(diǎn)運(yùn)算的通用型協(xié)方差矩陣的實(shí)現(xiàn)方案。仿真結(jié)果表明,，本文所提出的實(shí)現(xiàn)方案采用的是復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算,，最終結(jié)果得到的是復(fù)共軛對(duì)稱矩陣，適合利用任意的陣列模型和陣元數(shù)得到與之相對(duì)應(yīng)的協(xié)方差矩陣,。這就拓展了協(xié)方差矩陣運(yùn)算的應(yīng)用范圍,，且整個(gè)運(yùn)算過(guò)程采用的是浮點(diǎn)運(yùn)算，提高了整個(gè)運(yùn)算的精度,。