基于混合架构的双通道实时相关器实现
发布时间：2020-02-20 22:06
【摘要】：为满足多波束接收机、焦面阵和天线阵等超大数据量终端的处理需求,采用以GPU并行运算为处理核心的FPGA+CPU+GPU混合架构对天文相关器进行设计,利用严格时序的FPGA进行采样和预处理,基于统一计算设备架构平台开发实现GPU并行运算信号处理与CPU逻辑控制、存储和显示。测试结果表明,该相关器运行稳定、准确,通过调节混频、滤波和傅里叶变换参数即可实现通带范围内任意频带的高精度测量。
【图文】：
可，使计算量得到大幅的简化，优化了软硬件资源并节省了计算时间，该类型的相关机被称为FX型相关机［12］，文中即采用了该设计原理。通过相关计算可获得两信号的自相关幅度A*·A，B*·B，该结果即为各通道的功率谱，即信号的频谱;还可获得两信号互相关的实部ABre和虚部ABim，根据式(1)进行转换即可得到互相关的幅度和相位，该类型相关机在甚长基线干涉测量(VLBI)［13］和全息法测量［14-15］等天文观测中应用较多。Amp=AB2re+AB2i醝mPhase=arctan(ABim/ABre)(1)图1FX型相关机原理4系统硬件架构基于混合架构的实时相关器系统硬件架构如图2所示，FPGA部分采用美国伯克利大学天文信号处理与电子研究组织(CASPEＲ)提供的可重构开放式架构硬件计算平台(ＲOACH)，，负责数据的高速采集与传输，该平台采用XilinxVirtex5FPGA处理芯片，与A/D采样板采用Z-DOK连接方式，配备有4个10GbE的万兆以太网模块，采用10GbE电缆直接与计算机端的10GbE模块连接以便数据的高速实时读龋ＲOACH板与计算机间的通信与控制采用普通以太网的连接方式。计算机端配备有Nvidia最新的GPU处理器GeForceGTXTITAN，含有2688个CUDA核，内存访问带宽为288．4GB/s，采用PCIExpress3．0×16接口与计算机连接，数据交换速率能达到32GB/s。43
计算机工程2016年5月15日图2系统硬件框图5系统软件设计系统软件设计分为FPGA开发和基于CUDA的CPU+GPU混合编程两部分，当前所使用的AD采样为双通道200Mb/s，8bit，数据速率为3．2Gb/s，经实测，10GbE网络的最大有效传输速率约为9．5Gb/s，足够满足两通道信号的实时传输。对于多波束、焦面阵或天线阵产生的多通道、宽带宽、高精度的超大数据量来说，由于终端处理器传输带宽的限制，一般先将数据保存到存储服务器上，然后再进行后处理。本文仅对双通道窄带信号进行相关，数据只需先暂存到服务器的存储硬盘上，然后再从硬盘上读取数据进行实时处理，由于GPU的运算效率极高，因此可实现信号数据的实时采集与处理。服务器的存储采用了SATA36Gb/s接口平台的固态硬盘，其读写速率最大分别可达550MB/s和520MB/s，存储空间为512GB，读写速率足够满足数据传输的要求。系统软件设计规划如图3所示，ＲOACH完成两通道数据的高速采集、数字混频、滤波并打包发送到10GbE网络，GPU＆CPU从10GbE模块读取数据、解包、多相滤波、FFT、交叉相乘、积分并进行存储和显示，CPU还要完成整个系统的逻辑和流程控制。图3系统软件设计规划系统软件流程如图4所示，总体来说，由CPU完成逻辑和流程控制，包括初始化、内存分配与回收、FPGA程序加载与参数配置、CPU与GPU间数据交换、数据获娶存储与显示等;采用FPGA进行采样和预处理、并将数据打包发送到10GbE网络;利用GPU并行运算来完成多相滤波、傅里叶变换、相关运算、积分等信号处理。图4系统软件流程5．1ＲOACH板软件开发ＲOACH板软件开发包括ＲOACH控制软件和FPGA开发，前者主要完成将二进制文件加载到FPGA、初始化配置、网络设置等控制功能，相对简单;后者基于CASPEＲ提供的FPGA开发库，在Mat
本文编号：2581441
【图文】：
可，使计算量得到大幅的简化，优化了软硬件资源并节省了计算时间，该类型的相关机被称为FX型相关机［12］，文中即采用了该设计原理。通过相关计算可获得两信号的自相关幅度A*·A，B*·B，该结果即为各通道的功率谱，即信号的频谱;还可获得两信号互相关的实部ABre和虚部ABim，根据式(1)进行转换即可得到互相关的幅度和相位，该类型相关机在甚长基线干涉测量(VLBI)［13］和全息法测量［14-15］等天文观测中应用较多。Amp=AB2re+AB2i醝mPhase=arctan(ABim/ABre)(1)图1FX型相关机原理4系统硬件架构基于混合架构的实时相关器系统硬件架构如图2所示，FPGA部分采用美国伯克利大学天文信号处理与电子研究组织(CASPEＲ)提供的可重构开放式架构硬件计算平台(ＲOACH)，，负责数据的高速采集与传输，该平台采用XilinxVirtex5FPGA处理芯片，与A/D采样板采用Z-DOK连接方式，配备有4个10GbE的万兆以太网模块，采用10GbE电缆直接与计算机端的10GbE模块连接以便数据的高速实时读龋ＲOACH板与计算机间的通信与控制采用普通以太网的连接方式。计算机端配备有Nvidia最新的GPU处理器GeForceGTXTITAN，含有2688个CUDA核，内存访问带宽为288．4GB/s，采用PCIExpress3．0×16接口与计算机连接，数据交换速率能达到32GB/s。43
计算机工程2016年5月15日图2系统硬件框图5系统软件设计系统软件设计分为FPGA开发和基于CUDA的CPU+GPU混合编程两部分，当前所使用的AD采样为双通道200Mb/s，8bit，数据速率为3．2Gb/s，经实测，10GbE网络的最大有效传输速率约为9．5Gb/s，足够满足两通道信号的实时传输。对于多波束、焦面阵或天线阵产生的多通道、宽带宽、高精度的超大数据量来说，由于终端处理器传输带宽的限制，一般先将数据保存到存储服务器上，然后再进行后处理。本文仅对双通道窄带信号进行相关，数据只需先暂存到服务器的存储硬盘上，然后再从硬盘上读取数据进行实时处理，由于GPU的运算效率极高，因此可实现信号数据的实时采集与处理。服务器的存储采用了SATA36Gb/s接口平台的固态硬盘，其读写速率最大分别可达550MB/s和520MB/s，存储空间为512GB，读写速率足够满足数据传输的要求。系统软件设计规划如图3所示，ＲOACH完成两通道数据的高速采集、数字混频、滤波并打包发送到10GbE网络，GPU＆CPU从10GbE模块读取数据、解包、多相滤波、FFT、交叉相乘、积分并进行存储和显示，CPU还要完成整个系统的逻辑和流程控制。图3系统软件设计规划系统软件流程如图4所示，总体来说，由CPU完成逻辑和流程控制，包括初始化、内存分配与回收、FPGA程序加载与参数配置、CPU与GPU间数据交换、数据获娶存储与显示等;采用FPGA进行采样和预处理、并将数据打包发送到10GbE网络;利用GPU并行运算来完成多相滤波、傅里叶变换、相关运算、积分等信号处理。图4系统软件流程5．1ＲOACH板软件开发ＲOACH板软件开发包括ＲOACH控制软件和FPGA开发，前者主要完成将二进制文件加载到FPGA、初始化配置、网络设置等控制功能，相对简单;后者基于CASPEＲ提供的FPGA开发库，在Mat
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本文编号：2581441
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