专用指令集在基于FPGA的神经网络加速器中的应用#br#

近年来，表现出极其优越性能的神经网络算法对硬件算力的要求逐渐提高.在一些低功耗场景如星载系统中，拥有可编程重构、高并行等特性的FPGA是神经网络算法较为合适的硬件加速平台.为了解决传统神经网络硬件加速器设计中片内资源消耗大、各功能模块耦合性高等问题，设计实现了一套专用AI指令集并应用在了基于FPGA的神经网络加速器的设计中.文章首先介绍了该指令集的设计方案.整个指令集由指令寄存器、指令解释器、指令转发模块、内存管理单元和多个模块构成.通过该指令集可实现对不同模块的复用，降低模块之间的耦合性.并以YOLOV3 Tiny网络模型为例，对比了平铺式和指令控制式两种加速方案的逻辑资源的消耗.验证了应用专用指令集可以减少约50%的FPGA逻辑资源的使用.     

基于FPGA的移动通信衰落信道的建模与实现

介绍了一种基于现场可编程逻辑阵列器件(FPGA)的中频移动通信衰落信道模拟系统设计方案,它可以模拟在地面环境下的移动通信传播特性.该系统可以在实验室条件下评估移动通信终端的性能.利用FPGA作为数字信号处理平台来实现可调的衰落带宽以及多径延时.介绍了一个模拟最多三个不同传播路径的典型多径效应模型,通过增加相同的单元数目可以实现更多路径的模拟.该通道衰落模拟系统专为速度达到120km/h以及多径时延达到9μs的移动单元设计.     

航天应用FPGA配置可靠性研究

航天应用系统必须保证每一单元的安全性及可靠性. 现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA), 以其I/O管脚丰富、设计灵活等优势, 逐渐被广泛应用于航天领域. 其设计与工艺不断完善, 以适应太空中电子辐射等复杂的工作环境. 由于基于SRAM的FPGA芯片断电后程序丢失, 因此每次上电后都需要先从PROM等外部存储器中加载程序才能正常工作. 然而, 并不是每一个芯片的每一次加载配置都能成功完成, FPGA的上电配置结果将直接关系到卫星任务的成败. 研究发现, 诸如环境温度、信号完整性、供电电压、配置时钟速率等因素会影响FPGA的配置过程, 致使出现偶尔的配置失败, 这在航天应用中是绝对不允许的. 针对实际应用的Xilinx公司FPGA芯片, 为提高上电配置可靠性, 提出了一系列设计保障措施, 在FPGA航天应用领域具有一定的参考价值.      

光学捷联基准导航计算机设计与实现

为满足当前光学捷联基准解算精度高、低功耗、小型化的需求，设计了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）和数字信号处理器（DSP）为核心的嵌入式导航计算机。对导航计算机（ENC）硬件设计进行了阐述，并重点研究了导航计算机信息处理模块（MPM）和数据采集通信模块（DCM）的协同使用，充分体现了DSP和FPGA联合使用的优点。其次，研究了基于主惯导航向和计程仪速度组合的Kalman滤波器设计，以解决长时间工作对系统精度的影响。最后，将该导航计算机实际应用于捷联基准中，通过半实物仿真试验，验证了导航计算机硬件方案的可行性和Kalman滤波器设计的合理性。结果表明，基于FPGA和DSP双核的嵌入式导航计算机性能稳定，设计合理，满足光学捷联基准高精度、低功耗的使用要求。     

一种基于FPGA的超高速32k点FFT处理器

采用FPGA(Field Programmable Gate Arrays)实现了一个超高速的32k点的流水线FFT(Fast Fourier Transform)处理器.FPGA的工作频率为125MHz,可以处理连续的1Gs/s(1 Giga-samples per second)的复数数据.该FFT处理器主要基于二维分解算法,采用MDF(Multi-path Delay Feedback)流水线结构,并结合MDC(Multi-path Delay Commutator)及SDF(Single-path Delay Feedback)结构的特点.处理器的内存资源消耗相对MDC结构有所减少,而运算速度相对SDF结构有所提高.建立了处理器的算法和设计模型,并根据模型对处理器的3个组成模块进行了优化以减小资源消耗.利用VHDL语言在Xilinx ISE工具上进行了设计,FPGA的布局布线结果验证了设计的可行性.     

CMOS星敏感器图像驱动及实时星点定位算法

利用CMOS图像传感器技术的低功耗和开发简单等优点,设计了新型CMOS星敏感器的图像采集驱动电路.该电路设计以现场可编程门阵列(FPGA)为核心,配以静态存储器和并口通讯功能,实现了图像的采集、存储和输出.同时根据4连通域图像分割的原理,在FPGA内部设计了一个数字电路模块,以实现该星敏感器的实时星点定位功能.该模块由于采用了流水线结构,可以和图像采集同步完成星点质心定位算法,减少了向星敏感器数据处理单元中的精简指令集计算机(RISC)的数据传输量和RISC进行星图跟踪和识别的工作量,提高了星敏感器的总体工作性能.对比软件处理结果,对星敏感器的图像采集和质心算法硬件电路进行了验证.     

临近空间中子辐射环境分析及其引起的单粒子效应预计研究

使用Space Radiation 7.0工具分析临近空间中子辐射环境，研究其与海拔高度、太阳活动和经纬度的关系及内在原因.在此基础上，提出了一种基于蒙特卡罗方法的大气中子实时错误率预计方法，并以航空电子系统关键集成电路FPGA为例，预计其单粒子翻转敏感模块包括配置存储器、块存储器和用户触发器，单粒子功能中断敏感模块包括上电复位电路、SelectMAP接口等的实时飞行错误率.结果表明，配置存储器中发生的单粒子翻转达到总单粒子翻转率的77%，而上电复位电路和SelectMAP接口中发生的单粒子功能中断各占总单粒子功能中断率的36%.根据RTCA DO-254对飞行系统失效等级的划分，该FPGA器件不可用于航空电子系统关键位置.      

一种高速SpaceWire系统设计与验证

标准SpaceWire总线技术虽然在航天器上应用广泛，但是存在传输速率低的弱点.针对这一不足，首先提出了一种高速SpaceWire系统架构.在此基础上开展了吉比特级SpaceWire终端节点和路由器的FPGA设计，解决了终端节点的物理接口、片上总线、DMA，以及路由节点目的端口仲裁模块和组寻址路由模块设计中的关键问题.在测试验证部分，开展了数据传输测试、误码率测试和数据传输率测试，测试结果表明高速SpaceWire系统已具备路由和终端节点的主要功能、指标较先进，具有良好的航天应用前景.     

一种基于人工免疫系统的FPGA容错方法

通过对人工免疫系统容错性的分析和研究,提出了将人工免疫系统应用于硬件容错的4个条件.在此基础上设计了一种仿照人体细胞结构的新型FPGA可编程逻辑单元和一种基于人工免疫系统的容错方法.最后通过实验模拟故障的方法对该设计和容错方案的正确性和有效性进行了验证.     

脉冲功率放大链相位噪声检定系统中的信号处理系统

详细介绍了在脉冲功率放大链相位噪声检定系统中的信号处理系统的设计方案、工作原理及功能。本系统是整个检定系统的重要组成部分，在整个系统中担负着将放大器链的噪声信号进行转换、采集、存储、传输、处理和显示等任务，它由硬件电路和系统软件两大部分组成。硬件电路主要由采集单元、存储单元、控制单元、时钟单元及计算机接口等几个模块组成，其功能是：将模拟信号转换为数字信号，暂存采集到的信号数据，并将数据送人计算机内存中。电路中设有自检功能，从而增加了调试的透明度，也提高了系统工作的可靠性。系统软件由控制软件和分析处理软件组成，前者负责控制硬件进行自检，以及谐调各部件间按一定的时序工作；后者负责将噪声数据进行各种数据处理（时域、频域分析），并根据检定系统的测试指标要求（噪底、起伏特性等）给出正确的测量结果。软件设计采用多层菜单式动态显示技术，图文并茂，显示醒目直观。整个检定系统经多次联试试验后，结果表明，本信号处理系统方案设计合理，工作稳定可靠，功能强，维护方便。将本系统的设计思想应用于雷达发射机稳定性测试系统中也取得了很好的效果。     

GPS卫星信号模拟器中频信号处理与实现

利用数字内插、数字滤波、A/D(Analog／Digital)变换等软件无线电方法,建立GPS卫星信号模拟器中频信号处理的数学模型,提出了数字IF(Intermediate Frequency)的实现方法,且在matlab中进行了中频电路建模、优化和验证,完成了从数字基带信号处理到模拟中频信号生成.电路实现时尽量降低信号处理频率,缩小高频信号处理范围.利用verilog在ISE6.3中完成了数字中频模块的设计和仿真,对仿真输出的数字序列进行FFT(Fast Fourier Transform Algorithm)频谱分析,并在FPGA(Field Programmable Gate Arrays)中实现.      

天基通信与太空射电望远镜功能一体系统

摘要： 针对现有地基深空通信系统存在深空通信距离不够远、数传速率不够高等缺点,提出一种基于分布式协同控制的天基主动深空通信与太空射电望远镜功能一体系统.该系统部署在地球静止轨道上,由1颗馈源星、1颗中心星和4294颗小卫星（单元星）通过精密编队和在轨自主组装的方式构成,一体化集成天基主动深空通信功能和射电天文望远镜功能.该系统可以为深空探测器提供一个星地高速中转站,由于其部署在地球静止轨道,几乎不受大气云层影响,可以大幅度提升深空探测通信支持距离和数传速率,且能使射电天文望远镜的分辨率和灵敏度提升1~2个数量级.     

FAST望远镜主动反射面促动机构运动学研究

针对现有的FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope)主动反射面调整运动机构和促动器试验方案的不足,提出一种新型机构,能够有效地解决反射面边缘单元侧滑问题,并提高整个系统机械效率、可靠性,降低制造成本和运行维护费用.改进的核心是利用Sarrus机构产生理想的直线运动而没有任何侧滑.通过运动学分析证实了模型样机的可行性,静力分析表明这个系统具有足够的强度和刚度.模型的运行试验和仿真证明,即使在基座倾斜45°的条件下这种新型促动器机构能够可靠地防止反射面单元侧滑.这种改进为实际系统的设计和研制提供了至关重要的理论依据和试验数据.      

Progress on Space Solar Telescope in 2002-2004

The progress on Chinese Space Solar Telescope (SST) in 2002-2004 is introduced. The documentations on plans and outlines based on the standards of Chinese aerospace industry for SST mission has been fulfilled. The key technical problems of SST satellite platform and payloads are tackled during pre-study stage of the mission. The laboratory assembly and calibration of the main optical telescope of 1.2 m spherical mirror and 1 m plain mirror have been carried out with the accuracy of λ/40 and λ/30, respectively. The prototype at 17.1 nm for extreme ultraviolet telescope is under development and manufacture with a diameter of 13 cm. Its primary and secondary mirrors have a manufacturing error of 5nm with a roughness degree of less than 0.5 nm and a multiplayer reflection factor of better than 20%. The on-board scientific data processing unit has been developed. Prototypes for other payloads such as H and white light telescope, wide band spectroscopy in high energy and solar and interplanetary radio spectrometer have been developed accordingly.     

Progress on Solar Physics Research in China

The progress on Chinese Space Solar Telescope (SST) in 2002-2004 is introduced. The documentations on plans and outlines based on the standards of Chinese aerospace industry for SST mission has been fulfilled. The key technical problems of SST satellite platform and payloads are tackled during pre-study stage of the mission. The laboratory assembly and calibration of the main optical telescope of 1.2 m spherical mirror and 1 m plain mirror have been carried out with the accuracy of λ/40 and λ/30, respectively. The prototype at 17.1 nm for extreme ultraviolet telescope is under development and manufacture with a diameter of 13 cm. Its primary and secondary mirrors have a manufacturing error of 5 nm with a roughness degree of less than 0.5 nm and a multiplayer reflection factor of better than 20%. The on-board scientific data processing unit has been developed. Prototypes for other payloads such as H. and white light telescope, wide band spectroscopy in high energy and solar and interplanetary radio spectrometer have been developed accordingly.     

基于双ARM的无人直升机飞控导航系统设计

将两片基于ARM(Advanced RISC Machine)内核的微控制器应用于某型共轴式无人直升机飞控导航系统的CPU(Central Processing Unit)模块,连同电源及舵机信号处理模块、信号处理及接口模块形成一个高度集成的嵌入式飞控导航计算机,提供的8路异步串行通讯接口、8路数字信号口,与组合导航设备、信号调理设备、收发电台和姿态稳定系统与舵机等外围设备连接构成一套完整的无人直升机数字式飞控导航系统,另配置了16 MB FLASH(Flash Eeprom)用于任务与飞行状态数据记录,并基于ADS(ARM Developer Suite)集成开发环境编制了系统的飞控与自主导航软件.经地面检测与调试,该系统运行情况良好.     

无线电计量微机辅助管理系统

介绍了用于无线电计量室的“无线电计量微机辅助管理系统”的设计思路和主要功能模块。实践表明：该系统功能强、使用方便，缩短了数据处理时间，使信息质量大大提高。     

基于1.55μm的全光纤测速激光雷达

针对传统相干激光雷达难于实现本振光与信号光波前匹配的问题,设计了一种基于光纤低损窗口1.55μm的全光纤测速激光雷达.系统以全光纤器件构成整个光路结构,偏振无关光纤环形器与Cassegrain型望远镜组成收发合置光学天线.给出了激光雷达的整体方案和系统设计,并对接收机的光混频、天线与单模光纤的耦合、信号检测和数据采集处理等技术进行了讨论.通过实验说明,全光纤测速激光雷达对空间光随机噪声有较好的抗干扰能力,提高了干涉条文可见度和雷达系统的性能,所得的速度分辨率优于0.5mm/s,输出非线性度小于0.1％.     

一种面向电力终端的北斗定位模块研究

基于电力系统对卫星导航定位的自主安全性要求，研究用于电力终端的北斗定位技术，设计了一款用于电力行业终端的北斗定位导航模块，主要包括模块的模拟前端设计、数字信号处理及分析，重点对低功耗小型化设计、提高接收灵敏度设计等进行研究，并对所设计的北斗模块实物进行了实际测试和分析，成果已开始在电力行业试点应用。     

一种基于HXDSP的移位器查找表技术

高性能信号处理应用的快速发展,对相应处理器的运算速度及吞吐效率提出了巨大挑战。移位器是数字信号处理器（DSP）上的重要部件,通过为移位器设计额外专用随机存取存储器（RAM）和查找表（LUT）,并对其指令集及架构进行优化调整,从而达到提高处理器使用效率和传输速率的目的。此外,基于移位器与相应查找表指令,可在数据暂存的同时进行移位、提取、算术与逻辑运算处理,将部分数据运算的过程直接合并在对移位器RAM的数据存读取过程中,显著地提高了运算部件的使用效率。结果表明:基于移位器查找表的暂存技术可以达到与传输总线接近的吞吐率,对信号处理算法快速傅里叶变换（FFT）可以达到加速比约为1.15~1.20的性能提升效果。