[发明专利]基于状态机的协方差矩阵运算硬件加速系统

说明书

本发明公开了一种基于状态机的协方差矩阵运算硬件加速系统，包括：若干第一级RAM，用于从上级FFT运算模块中读取FFT频域信号并进行存储；配置有多个PE模块的状态机；其中，多个PE模块分别与若干第一级RAM对应连接，用于从对应的第一级RAM中读取FFT频域信号并进行协方差运算，以输出协方差矩阵；若干第二级RAM，对应连接状态机中的多个PE模块，用于存储对应PE模块输出的协方差矩阵，以备下级模块进行读取处理。本发明利用状态机实现了包含协方差矩阵运算的算法硬件加速，平衡了板卡级系统运算时间与系统资源成本，可用于如水下声信号处理的波束形成算法硬件加速技术实现。

技术领域

本发明属于硬件加速技术领域，具体涉及一种基于状态机的协方差矩阵运算硬件加速系统。

背景技术

水声信号是当前水下信息传递最有效的载体，不仅可以反映海洋环境的多项参数，还能为识别水下目标提供全面信息，水声处理模块是飞翼滑翔机的强有力载荷。放眼之，现在的水声信号处理系统已经趋向于更加小型化、智能化、集成化、低功耗，和具有长期无人操作作业能力的方向发展。与外国先进技术水平比较，目前国内实际应用中主流的水声信息处理硬件平台是DSP，但是设备处理速率低、功耗高以及体积大，需要高性能低能耗的硬件处理平台来处理计算，因此采用基于FPGA+CPU的异构处理平台实现水下声信号处理的波束形成算法硬件加速。而波束形成算法硬件加速需要实现算法流程各个步骤硬件加速，其中就包含了协方差矩阵运算。

目前，国内实际应用中主流的水声信息处理硬件平台是DSP，或matlab等软件来实现正交解调、FIR滤波、波束形成等预处理计算，然后将数据存入SD卡、SDRAM、Flash等存储器中，最后通过网口或串口通信电路将水声信号数据上传到上位机的本地文件存储。

以水下声信号处理的波束形成算法硬件加速技术为例，算法流程的关键步骤通过函数库进行运算。具体的，假定信号源阵元数为32，窄带信号波束形成定位算法流程如图1所示，其首先对回波信号进行FFT变换，得到频域信号，然后将其与自身的共轭转置信号相乘，得到协方差矩阵，最后乘上加权系数，得到空间谱函数PBF。由此可见，为了得到算法流程中的空间谱函数，需要对32阵元的频域信号进行协方差矩阵运算。

然而，现有的DSP或matlab中的函数库无法应用到板卡级系统中，从而无法实现算法的硬件加速。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于状态机的协方差矩阵运算硬件加速系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种基于状态机的协方差矩阵运算硬件加速系统，包括：

若干第一级RAM，用于从上级FFT运算模块中读取FFT频域信号并进行存储；

配置有多个PE模块的状态机；其中，多个PE模块分别与所述若干第一级RAM对应连接，用于从对应的第一级RAM中读取FFT频域信号并进行协方差运算，以输出协方差矩阵；

若干第二级RAM，对应连接所述状态机中的多个PE模块，用于存储对应PE模块输出的协方差矩阵，以备下级模块进行读取处理。

在本发明的一个实施例中，所述配置有多个PE模块的状态机采用行复用或者列复用方式的结构，通过多次复用依次计算并输出协方差矩阵的行/列向量。

在本发明的一个实施例中，所述状态机在进行多次复用的计算过程中，利用STATE信号进行状态切换，其过程如下：

初始阶段STATE信号处于待机状态；

当获取到使能信号后转换为运算状态；此时，PE模块开始工作，并通过单次复用计算出协方差矩阵的一行/列向量；其中，所述使能信号为FFT运算模块IP核输出通道的TVALID信号；