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Levy频率特性拟合算法中复杂系数矩阵计算的FPGA实现装置及方法

阅读:1022发布:2020-08-20

专利汇可以提供Levy频率特性拟合算法中复杂系数矩阵计算的FPGA实现装置及方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了Levy 频率 特性拟合 算法 中复杂系数矩阵计算的FPGA实现装置及方法,包括初始化步骤和系数矩阵元素逐项更新计算步骤,对输入向量进行读取和初始化计算,同时实现公有计算因子的计算与存储,随后根据初始化计算后得到的公有计算因子,按照矩阵索引递增的顺序,逐步计算完成矩阵各项元素生成,所述每一步计算得到的频率值数据的多次方均与公有计算因子相点乘,逐步获得各项元素,充分利用FPGA资源的并行性以及充分提取计算过程中的公用计算因子,从而有效减少计算量,大大加快了Levy频率特性拟合算法的运算速度,实时性更高,使用范围更加广泛。,下面是Levy频率特性拟合算法中复杂系数矩阵计算的FPGA实现装置及方法专利的具体信息内容。

1.Levy频率特性拟合算法中复杂系数矩阵计算的FPGA实现方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1,初始化步骤:所述步骤对输入向量进行读取和初始化计算,同时实现公有计算因子的计算与存储;
S2,系数矩阵元素逐项更新计算步骤:根据步骤S1初始化计算后得到的公有计算因子,按照矩阵索引递增的顺序,逐步计算完成矩阵各项元素生成;所述每一步计算得到的频率值数据的多次方均与公有计算因子相点乘,逐步获得各项元素。
2.如权利要求1所述的Levy频率特性拟合算法中复杂系数矩阵计算的FPGA实现方法,其特征在于所述步骤S2中系数矩阵元素逐项更新计算的主体结构是并行的乘累加,多次乘累加之间不需要间隔,自动清零。
3.如权利要求1或2所述的Levy频率特性拟合算法中复杂系数矩阵计算的FPGA实现方法,其特征在于所述步骤S1进一步包括:
S11,初始化矩阵P、Q、D,其中P和Q分别是输入的频率响应复数形式H的实部虚部,并读入频率值数据W,所述D为复数,D=D1+jD2,D1为实部、D2为虚部;
S12,进行|D|.^2,即D1*D1+D2*D2运算;
S13,计算1./|D|.^2,即S12中求得结果的倒数,和P./|D|.^2,即S12中求得结果的倒数与P的点乘,以及Q./|D|.^2,即S12中求得结果的倒数与Q的点乘;
S14,运算P.^2/|D|.^2、Q.^2/|D|.^2,即S13中求得的后两个结果分别与P和Q再次点乘;
S15,将步骤S14中的运算结果相加,完成(P.^2+Q.^2)./|D|.^2;
S16,将上述计算得到的部分结果送入累加器进行累加得到系数矩阵元素:
L(1)=sum(1./|D|.^2)、
S(1)=sum(1.*(P./|D|.^2))、
S(2)=sum(W.*(Q./|D|.^2)),其中括号内是系数矩阵元素的索引。
4.如权利要求3所述的Levy频率特性拟合算法中复杂系数矩阵计算的FPGA实现方法,其特征在于所述步骤S2具体为:根据步骤S1初始化计算得到的公有计算因子1./|D|.^2、P./|D|.^2、Q./|D|.^2、(P.^2+Q.^2)./|D|.^2,计算W.^2(W.W)、根据计算得到的W的多次方和公有计算因子相点乘得到U(1)、L(2)、S(3);随后计算W.^3(W.^2.W)和W.^4(W.^2.W.^2),根据计算得到的W的多次方和公有计算因子相点乘得到U(2)、L(3)、S(4)、S(5),依次按照索引递增的顺序计算,得到U(i)、L(i)和S(i)的值,逐步计算完成矩阵各项元素生成。
5.Levy频率特性拟合算法中复杂系数矩阵计算的FPGA实现装置,其特征在于,包括初始化计算模、系数矩阵元素逐项更新计算模块、系数矩阵元素逐项更新控制模块及存储模块,
所述初始化计算模块分别与存储模块和系数矩阵元素逐项更新控制模块相连接,实现初始化数据计算与数据交换;
所述系数矩阵元素逐项更新计算模块分别与存储模块和系数矩阵元素逐项更新控制模块相连接,计算完成矩阵各项元素的生成;
所述系数矩阵元素逐项更新控制模块控制初始化计算模块及系数矩阵元素逐项更新计算模块的开始与结束,并根据输入数据有效使能信号的长短,保证存在数据前后依赖性的步骤执行;
所述存储模块用于向初始化计算模块及矩阵元素更新计算模块输入数据及接收存储计算过程中的中间数据及输出数据;
所述系数矩阵元素逐项更新控制模块控制初始化计算模块及系数矩阵元素逐项更新计算模块,对输入向量进行读取和初始化计算,同时实现公有计算因子的计算与存储,随后按照矩阵索引递增的顺序,逐步计算完成矩阵各项元素生成;所述每一步计算得到的频率值数据的多次方均与公有计算因子相点乘,逐步获得各项元素。

说明书全文

Levy频率特性拟合算法中复杂系数矩阵计算的FPGA实现装置

及方法

技术领域

[0001] 本发明属于电子信息技术控制系统中数字信号处理算法硬件实现的技术领域,具体涉及一种Levy频率特性拟合算法中复杂系数矩阵计算的FPGA实现装置及方法

背景技术

[0002] 在经典的控制系统的分析和设计中,通常采用传递函数来描述系统的动态特性,其中,描述结构动特性的各项本征参数,均隐含于传递函数之中,例如固有频率、振型和阻尼等,因此,如何辨识系统的传递函数成为经典控制理论中必不可少的环节。在众多算法中,Levy频域法辨识传递函数更容易削减噪声的影响,因而被极为广泛的应用。
[0003] 在Levy频率特性拟合算法中,经过推导可以得到计算公式如下:
[0004] (M)*(N)=(C)
[0005] 其中
[0006]
[0007] (N)=[A0 A1 A2 A3 … B1 B2 B3 …]T
[0008] (C)=[S0 T1 S2 T3 … 0 U2 0 …]T。
[0009] 由上式可看出,Levy算法的核心计算是计算出系数矩阵M,而M矩阵的计算量非常庞大,且随着索引的增加W的幂次不断增加,同时伴有大量的乘法和累加运算,冗余过多,是Levy算法中性能提升的瓶颈所在。
[0010] 现阶段,目前系数矩阵M的计算通常是采用DSP处理器或者CPU处理器,但因DSP处理器和CPU处理器均只能串行执行,计算延时高,实时性不佳,且计算量庞大,因此难以适用于控制领域中对实时性要求较高的项目,使用范围有局限性。

发明内容

[0011] 本发明正是针对现有问题,提供了Levy频率特性拟合算法中复杂系数矩阵计算的FPGA实现装置及方法,包括初始化步骤和系数矩阵元素逐项更新计算步骤,对输入向量进行读取和初始化计算,同时实现公有计算因子的计算与存储,随后根据初始化计算后得到的公有计算因子,按照矩阵索引递增的顺序,逐步计算完成矩阵各项元素生成,所述每一步计算得到的频率值数据的多次方均与公有计算因子相点乘,逐步获得各项元素,充分利用FPGA资源的并行性以及充分提取计算过程中的公用计算因子,从而有效减少计算量,大大加快了Levy频率特性拟合算法的运算速度,实时性更高,使用范围更加广泛。
[0012] 为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:Levy频率特性拟合算法中复杂系数矩阵计算的FPGA实现方法,包括如下步骤:
[0013] S1,初始化步骤:所述步骤对输入向量进行读取和初始化计算,同时实现公有计算因子的计算与存储;
[0014] S2,系数矩阵元素逐项更新计算步骤:根据步骤S1初始化计算后得到的公有计算因子,按照矩阵索引递增的顺序,逐步计算完成矩阵各项元素生成;所述每一步计算得到的频率值数据的多次方均与公有计算因子相点乘,逐步获得各项元素。
[0015] 作为本发明的一种改进,所述步骤S2中系数矩阵元素逐项更新计算的主体结构是并行的乘累加,多次乘累加之间不需要间隔,自动清零。
[0016] 作为本发明的另一种改进,所述步骤S1进一步包括:
[0017] S11,初始化矩阵P、Q、D,其中P和Q分别是输入的频率响应复数形式H的实部虚部,并读入频率值数据W,所述D为复数,D=D1+jD2,D1为实部、D2为虚部;
[0018] S12,进行|D|.^2,即D1*D1+D2*D2运算;
[0019] S13,计算1./|D|.^2,即S12中求得结果的倒数,和P./|D|.^2,即S12中求得结果的倒数与P的点乘,以及Q./|D|.^2,即S12中求得结果的倒数与Q的点乘;
[0020] S14,运算P.^2/|D|.^2、Q.^2/|D|.^2,即S13中求得的后两个结果分别与P和Q再次点乘;
[0021] S15,将步骤S14中的运算结果相加,完成(P.^2+Q.^2)./|D|.^2;
[0022] S16,将上述计算得到的部分结果送入累加器进行累加得到系数矩阵元素:
[0023] L(1)=sum(1./|D|.^2)、
[0024] S(1)=sum(1.*(P./|D|.^2))、
[0025] S(2)=sum(W.*(Q./|D|.^2)),其中括号内是系数矩阵元素的索引。
[0026] 作为本发明的更进一步改进,所述步骤S2具体为:根据步骤S1初始化计算得到的公有计算因子1./|D|.^2、P./|D|.^2、Q./|D|.^2、(P.^2+Q.^2)./|D|.^2,计算W.^2(W.W)、根据计算得到的W的多次方和公有计算因子相点乘得到U(1)、L(2)、S(3);随后计算W.^3(W.^2.W)和W.^4(W.^2.W.^2),根据计算得到的W的多次方和公有计算因子相点乘得到U(2)、L(3)、S(4)、S(5),依次按照索引递增的顺序计算,得到U(i)、L(i)和S(i)的值,逐步计算完成矩阵各项元素生成。
[0027] 为了实现上述目的,本发明还采用的技术方案是:Levy频率特性拟合算法中复杂系数矩阵计算的FPGA实现装置,包括初始化计算模、系数矩阵元素逐项更新计算模块、系数矩阵元素逐项更新控制模块及存储模块,
[0028] 所述初始化计算模块分别与存储模块和系数矩阵元素逐项更新控制模块相连接,实现初始化数据计算与数据交换;
[0029] 所述系数矩阵元素逐项更新计算模块分别与存储模块和系数矩阵元素逐项更新控制模块相连接,计算完成矩阵各项元素的生成;
[0030] 所述系数矩阵元素逐项更新控制模块控制初始化计算模块及系数矩阵元素逐项更新计算模块的开始与结束,并根据输入数据有效使能信号的长短,保证存在数据前后依赖性的步骤执行;
[0031] 所述存储模块用于向初始化计算模块及矩阵元素更新计算模块输入数据及接收存储计算过程中的中间数据及输出数据;
[0032] 所述系数矩阵元素逐项更新控制模块控制初始化计算模块及系数矩阵元素逐项更新计算模块,对输入向量进行读取和初始化计算,同时实现公有计算因子的计算与存储,随后按照矩阵索引递增的顺序,逐步计算完成矩阵各项元素生成;所述每一步计算得到的频率值数据的多次方均与公有计算因子相点乘,逐步获得各项元素。
[0033] 与现有技术相比,本发明公开了Levy频率特性拟合算法中复杂系数矩阵计算的FPGA实现装置及方法,充分利用FPGA资源的并行性、克服了计算延时性高的问题,同时充分提取计算过程中的公用计算因子,有效减少计算量,大大加快了Levy频率特性拟合算法的运算速度,实时性更强,适用于控制领域中对实时性要求较高的项目,使用范围更加广泛。附图说明
[0034] 图1是Levy频率特性拟合算法中复杂系数矩阵计算的FPGA实现装置中各功能模块的结构示意图。
[0035] 图2是Levy频率特性拟合算法中复杂系数矩阵计算的FPGA实现方法步骤S2的工作流程示意图;。
[0036] 图3是Levy频率特性拟合算法中复杂系数矩阵计算的FPGA实现方法步骤S2其中一个计算环节的结构示意图。

具体实施方式

[0037] 以下将结合附图和实施例,对本发明进行较为详细的说明。
[0038] 实施例1
[0039] Levy频率特性拟合算法中复杂系数矩阵计算的FPGA实现装置,如图1所示,包括初始化计算模块、系数矩阵元素逐项更新计算模块、系数矩阵元素逐项更新控制模块及存储模块,所述初始化计算模块分别与存储模块和系数矩阵元素逐项更新控制模块相连接,实现初始化数据计算与数据交换;所述系数矩阵元素逐项更新计算模块分别与存储模块和系数矩阵元素逐项更新控制模块相连接,计算完成矩阵各项元素的生成;初始化计算模块以及系数矩阵元素逐项更新计算模块中顺序执行的各计算步骤之间的开始和结束信号,以及根据数据长度控制计算单元输入数据的有效使能信号的长短,保证存在数据前后依赖性的相关步骤的正确执行;所述存储模块用于向初始化计算模块及矩阵元素更新计算模块输入数据及接收存储计算过程中的中间数据及输出数据;
[0040] 系数矩阵元素逐项更新控制模块控制初始化计算模块及系数矩阵元素逐项更新计算模块,对输入向量进行读取和初始化计算,同时实现公有计算因子的计算与存储,随后按照矩阵索引递增的顺序,逐步计算完成矩阵各项元素生成;所述每一步计算得到的频率值数据的多次方均与公有计算因子相点乘,逐步获得各项元素。
[0041] 实施例2
[0042] Levy频率特性拟合算法中复杂系数矩阵计算的FPGA实现方法,包括如下步骤:
[0043] S1,初始化步骤:所述步骤对输入向量进行读取和初始化计算,将计算结果送入累加器进行累加后得到系数矩阵元素,从而获取系数矩阵元素的索引,同时实现公有计算因子的计算与存储,图如2所示,这是一个分母为1的五阶系统的计算流程图,具体包括;
[0044] S11,初始化矩阵P、Q、D,其中P和Q分别是输入的频率响应复数形式H的实部和虚部,并读入频率值数据W(1023个数据),所述D为复数,D=D1+jD2,D1为实部、D2为虚部;
[0045] S12,进行|D|.^2,即D1*D1+D2*D2运算;
[0046] S13,计算1./|D|.^2,即S12中求得结果的倒数,和P./|D|.^2,即S12中求得结果的倒数与P的点乘,以及Q./|D|.^2,即S12中求得结果的倒数与Q的点乘;
[0047] S14,运算P.^2/|D|.^2、Q.^2/|D|.^2,即S13中求得的后两个结果分别与P和Q再次点乘;
[0048] S15,将步骤S14中的运算结果相加,完成(P.^2+Q.^2)./|D|.^2;
[0049] S16,将上述计算得到的部分结果送入累加器进行累加得到系数矩阵元素:
[0050] L(1)=sum(1./|D|.^2)、
[0051] S(1)=sum(1.*(P./|D|.^2))、
[0052] S(2)=sum(W.*(Q./|D|.^2)),其中括号内是系数矩阵元素的索引;
[0053] S2,系数矩阵元素逐项更新计算步骤:根据步骤S1初始化计算后得到的公有计算因子,按照矩阵索引递增的顺序,逐步计算完成矩阵各项元素生成;所述每一步计算得到的频率值数据的多次方均与公有计算因子相点乘,逐步获得各项元素,如图2所示,所述步骤进一步包括:
[0054] S21,根据步骤S1初始化计算得到的公有计算因子1./|D|.^2、P./|D|.^2、Q./|D|.^2、(P.^2+Q.^2)./|D|.^2,计算W.^2(W.W),,根据计算得到的W的多次方和公有计算因子相点乘得到U(1)、L(2)、S(3);
[0055] S22,计算W.^3(W.^2.W)和W.^4(W.^2.W.^2),根据计算得到的W的多次方和公有计算因子相点乘得到U(2)、L(3)、S(4)、S(5);
[0056] S23,依次按照索引递增的顺序计算W的多次方,和公有计算因子相点乘,得到U(i)、L(i)和S(i)的值,逐步计算完成矩阵各项元素生成。
[0057] 如图3所示,系数矩阵元素逐项更新计算模块其中一个计算环节的结构示意图,其中的主体结构是3路并行的乘累加,该乘累加可实现完全流的乘累加运算,且多次乘累加之间不需要间隔可自动清零。另外,还包括一个W幂次计算单元,此实施例中主要是一个乘法器。
[0058] 本实施例的Levy频率特性拟合算法中复杂系数矩阵计算的FPGA实现方法,充分利用FPGA资源的并行性,克服了计算延时性高的问题,充分提取计算过程中的公用计算因子,从而有效减少计算量,大大加快了Levy频率特性拟合算法的运算速度。
[0059] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实例的限制,上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
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