国产激情久久久久影院小草_国产91高跟丝袜_99精品视频99_三级真人片在线观看

基于FPGA的快速并行FFT及其在空間太陽望遠鏡圖像鎖定系統(tǒng)中的應(yīng)

時間:2024-10-17 00:12:24 理工畢業(yè)論文 我要投稿
  • 相關(guān)推薦

基于FPGA的快速并行FFT及其在空間太陽望遠鏡圖像鎖定系統(tǒng)中的應(yīng)

摘要:在空間太陽望遠鏡的在軌高速數(shù)據(jù)處理中,運算時間是影響系統(tǒng)性能的重要環(huán)節(jié)之一。利用FPGA豐富的邏輯單元實現(xiàn)快速傅里葉變換(FFT),解決 了在軌實時大數(shù)據(jù)量圖像處理與航天級DSP運算速度不足之間的矛盾;利用溢出監(jiān)測移位結(jié)構(gòu)解決了定點運算的動態(tài)范圍問題。經(jīng)過實驗驗證,各項指標(biāo)均達到了設(shè)計要求。

空間太陽望遠鏡項目是我國太陽物理學(xué)家為了實現(xiàn)對太陽的高分辨率觀測而提出的科學(xué)計劃。它可以得到空間分辨率為0.1"的向量磁圖和0.5"的X射線圖像,實現(xiàn)這樣高的觀測精度的前提就是采用高精度的姿態(tài)控制系統(tǒng)和高精度的相關(guān)跟蹤系統(tǒng)。從整個系統(tǒng)來看,相關(guān)運算所需的時間成為限制系統(tǒng)性能能否提高的一個重要環(huán)節(jié)。

目前,國際國內(nèi)相關(guān)計算比較通用的實現(xiàn)方法有兩種:用高速DSP或者專用(FFT)處理芯片。用DSP完成相關(guān)計算(關(guān)鍵是FFT)受到航天級DSP性能的限制,現(xiàn)有的航天級DSP(如ADSP21020)計算一個32×32點8bit的二維FFT所用時間需要1.5ms以上,遠遠不能滿足系統(tǒng)設(shè)計要求;而現(xiàn)有的FFT處理芯片在處理速度、系統(tǒng)兼容性、抗輻射能力等方面不能滿足空間太陽望遠鏡所提出的要求。

為克服這一矛盾,本文利用FPGA資源豐富、易于實現(xiàn)并行流水的特點設(shè)計專用的FFT處理芯片來完成復(fù)雜的、大量的數(shù)據(jù)處理;并通過在運算中作溢出監(jiān)測來保證定點運算的精度,從而大大縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時間,將極大地提高空間太陽望遠鏡的在軌實時圖像處理能力;同時由于FPGA具有抗輻射能力,可以提高系統(tǒng)的可靠性,其在航天遙測遙感和星載高速數(shù)據(jù)處理等方面將有廣泛的應(yīng)用前景。

1 算法構(gòu)成

1.1 FFT算法選擇

提高FFT速度的兩個主要途徑是采用流水結(jié)構(gòu)和并行運算[1]。采用高基數(shù)結(jié)構(gòu)也可以提高速度,只是用FPGA實現(xiàn)時必須綜合考慮系統(tǒng)要求、結(jié)構(gòu)特點及片內(nèi)資源。針對本系統(tǒng)自身特點,這里按時間抽選算法進行分析。由于32不滿足N=4m,所以32點FFT算法不能采用基-4 FFT運算。當(dāng)詳細分析基-2蝶形圖時,有些蝶形運算并不需要做乘法,例如等[2];對于32點DIT-FFT,一共80個蝶形運算,這種結(jié)構(gòu)就有46個,極大地降低了運算復(fù)雜度。在一維FFT計算效率提高的基礎(chǔ)上對二維FFT采用最常用的行列算法[3],綜合各項指標(biāo)本系統(tǒng)采用基-2 DIT行列算法。

1.2 算術(shù)運算方案

本系統(tǒng)是針對32×32點16bit的二維圖像進行快速傅里葉變換(FFT),設(shè)計要求運算在0.5ms之內(nèi)完成,所以采用定點運算更符合系統(tǒng)對時間的要求。對于定點運算,必須用定比例的方法防止溢出,即必須解決動態(tài)范圍問題。下面對其進行理論分析:

若{x(n)}是-N點序列,其DFT為{X(K)},由Parseval定理得[4]:

由式(1)可知變換結(jié)果的均方值是輸入序列均方值的N倍。考慮基-2算法的第m級蝶形運算,用Xm(i)、Xm(j)表示原來的復(fù)數(shù),則新的一對復(fù)數(shù)Xm 1(i)、Xm 1(j)為:

Xm 1(i)=Xm(i) Xm(j)×W (2)

Xm 1(j)=Xm(i)-Xm(j)×W

其中,W為旋轉(zhuǎn)因子。首先,考慮復(fù)數(shù)的均方程根值。由(2)式可得:

因此,從均方根意義上看,數(shù)據(jù)(實數(shù)或復(fù)數(shù))復(fù)級都增加(2的平方根)倍。其次,再考慮復(fù)數(shù)的最大模。由(2)式可以證明[5]。

max{|Xm(i)|,|Xm(j)|}≤max{|Xm 1(i)|,|Xm 1(j)|}≤2max{|Xm(i)|,|Xm(j)|}

因此,復(fù)數(shù)數(shù)組的最大模是非減的。所以,對于DITFFT,其每一級的蝶形運算之后數(shù)值都會增加1 (2的平方根)≈2.414倍。在每一次運算完成之后,須將結(jié)果右移2bits以滿足要求。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)原理如圖1所示,整個FFT運算處理單元分為三部分:存儲單元(兩個輸入/運算存儲器、一個輸出存儲器及旋轉(zhuǎn)因子存儲器)、蝶形運算單元、地址產(chǎn)生器。

2.1 存儲器

本系統(tǒng)實時接收前端CCD相機的圖像。為保證CCD相機采集圖像的準(zhǔn)確率,圖像的每一行、每一幀之間都必須有一定的時間間隔,故采用兩個存儲單元作為輸入數(shù)據(jù)和中間數(shù)據(jù)的暫存單元(如圖1所示),以節(jié)省時間實現(xiàn)實時處理。當(dāng)系統(tǒng)工作時,將圖像存入存儲器、計算上一次采集的圖像、將存儲器中的結(jié)果輸出,這三個工作同時進行,用簡單的流水方式減少存儲數(shù)據(jù)所需的時間。旋轉(zhuǎn)因子則預(yù)先存儲在器件的內(nèi)置ROM中。根據(jù)級數(shù)不同選用不同的因子。

2.2 蝶形運算單元

一個基-2蝶形運算由一個復(fù)乘和兩個復(fù)加(減)組成,采用完全并行運算,進一步分解為四個實數(shù)乘法,六個實數(shù)加(減)法,分三級并行完成,加上前后輸入輸出的數(shù)據(jù)鎖存,共需要6個時鐘周期。32點的FFT需要16×5=80個基-2的蝶形運算,一幅圖像一共是32行32列,不考慮不需要做乘法的蝶形

基于FPGA的快速并行FFT及其在空間太陽望遠鏡圖像鎖定系統(tǒng)中的應(yīng)

【基于FPGA的快速并行FFT及其在空間太陽望遠鏡圖像鎖定系統(tǒng)中的應(yīng)】相關(guān)文章:

基于USB2.0和FPGA的高速圖像采集系統(tǒng)03-07

基于FPGA的快速傅立葉變換03-19

固定幾何結(jié)構(gòu)的FFT算法及其FPGA實現(xiàn)03-18

基于Cyclone系列FPGA的1024點FFT算法的實現(xiàn)03-07

基于FPGA的前端圖像采集卡的設(shè)計11-22

基于數(shù)字移相的高精度脈寬測量系統(tǒng)及其FPGA實現(xiàn)03-18

基于圖像處理的數(shù)字測色系統(tǒng)03-07

1394技術(shù)及其在實時圖像采集系統(tǒng)中的應(yīng)用研究03-02

基于FPGA/CPLD和USB技術(shù)的無損圖像采集卡03-18