專利名稱：基于cpu架構(gòu)的大規(guī)模數(shù)字相關(guān)器及相關(guān)運(yùn)算處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，特別涉及基于CPU架構(gòu)的大規(guī)模數(shù)字相關(guān)器及相關(guān)運(yùn)算處理方法。
背景技術(shù)：
數(shù)字相關(guān)器在通信信號(hào)處理中實(shí)質(zhì)上是起到數(shù)字匹配濾波器的作用，它可對(duì)特定碼序列進(jìn)行相關(guān)處理，從而完成信號(hào)的解碼，恢復(fù)出傳送的信息。數(shù)字相關(guān)器與模擬相關(guān)器相比，其靈活性強(qiáng)、功耗低、易于集成，廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域。二十世紀(jì)上半葉，結(jié)晶學(xué)家探討了一種理論，可用間接方法獲得圖像。五十年代初，英國(guó)劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的射電天文學(xué)家賴爾等人，把這種理論發(fā)展成射電天文中的綜合孔徑技術(shù)。我們知道，任何一幅圖像都可以分解成許多亮度分布的正弦和余弦成分；反之，如果知道了這些正弦和余弦成分，就可以合成原來(lái)的圖像。綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡就是利用這種原理工作的。1948年以后，賴爾把觀測(cè)研究目標(biāo)從太陽(yáng)轉(zhuǎn)向太陽(yáng)系外廣闊的空間，期望搜索更多的射電源。他針對(duì)雙天線干涉儀只有一維分辨率，不能給出天體的圖像這一缺點(diǎn)，提出用“孔徑綜合”技術(shù)來(lái)解決射電天文望遠(yuǎn)鏡的高線，另一面可以移動(dòng)，逐次放到“等效大天線”的各個(gè)位置，每放一個(gè)地方進(jìn)行一次射電干涉測(cè)量。也可以由許多天線來(lái)實(shí)現(xiàn)，幾面固定，幾面移動(dòng)，甚至全部都固定。各種間距取向的干涉儀測(cè)量資料通過(guò)數(shù)學(xué)方法可以求得天空射電亮度的二維分布。也就是得到了被觀測(cè)天區(qū)的射電天圖。由于衍射效應(yīng)，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的分辨本領(lǐng)受望遠(yuǎn)鏡孔徑的限制，分辨率近似等于工作波長(zhǎng)與孔徑D的比值。射電天文使用的無(wú)線電波波長(zhǎng)比光學(xué)望遠(yuǎn)鏡使用的要長(zhǎng)I萬(wàn)倍至I億倍，如要得到同樣的分辨率，射電望遠(yuǎn)鏡的天線孔徑就要比光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的口徑大同樣的倍數(shù)?，F(xiàn)在世界上最大的全可轉(zhuǎn)射電望遠(yuǎn)鏡的孔徑也僅比最原始的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的口徑大幾千倍，離上述要求甚遠(yuǎn)。另外，光學(xué)方法能夠比較容易地成像；而對(duì)無(wú)線電方法來(lái)說(shuō)，由于接收技術(shù)的關(guān)系，不能像照片底片那樣一下子照出相片來(lái)，而必須把射電望遠(yuǎn)鏡的方向束對(duì)所研究的天區(qū)一點(diǎn)一點(diǎn)地順序掃描。綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)點(diǎn)是不需要制造口徑特別大的天線，用兩面或多面小天線進(jìn)行多次觀測(cè)達(dá)到大天線所具有的分辨率和靈敏度。綜合孔徑原理在1954年已由實(shí)驗(yàn)證實(shí)是正確的，但因要處理異常多的觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算量特別大，在50年代還沒(méi)有儲(chǔ)存容量足夠大、計(jì)算速度足夠高的計(jì)算機(jī)來(lái)完成資料的傅里葉變換。到了 60年代隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展才有了可能。在射電的綜合孔徑中，有幾點(diǎn)是十分重要的:第一是精確的時(shí)間同步；第二是所接收的信號(hào)的完整傳遞，特別是信號(hào)的相位的傳遞；第三是傅里葉變換后的圖象處理。時(shí)間同步需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信號(hào)，同時(shí)需要補(bǔ)償信號(hào)到達(dá)各個(gè)天線的時(shí)間差。同時(shí)接收信號(hào)以后也要根據(jù)天線的指向來(lái)不斷地調(diào)整各個(gè)天線相對(duì)于目標(biāo)的延遲線的長(zhǎng)度，使得從目標(biāo)同時(shí)發(fā)出的信號(hào)同時(shí)到達(dá)天線陣的相關(guān)器。信號(hào)的相關(guān)運(yùn)算是多源信號(hào)處理中的一個(gè)重要課題，并被廣泛應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)和科研之中。作為這其中最重要的應(yīng)用之一，它是綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡的工作原理的基石。通過(guò)將兩個(gè)甚至更多的單碟望遠(yuǎn)鏡分隔較遠(yuǎn)距離布設(shè)的方法是提高射電望遠(yuǎn)鏡角分辨能力的最重要的措施。從單碟望遠(yuǎn)鏡到具有多個(gè)天線的望遠(yuǎn)鏡的演進(jìn)，帶來(lái)了多輸入信號(hào)如何處理的問(wèn)題。根據(jù)物理光學(xué)的原理，物平面上的電磁波復(fù)振幅分布和象平面上的電磁波復(fù)振幅分布構(gòu)成一個(gè)傅里葉變換對(duì)。原則上只需要測(cè)量每個(gè)接收單元上信號(hào)的復(fù)振幅，并填充在點(diǎn)陣格點(diǎn)上，構(gòu)成象平面上的復(fù)振幅分布圖，然后進(jìn)行一次傅里葉變換，就能夠得到天空平面上的圖像。近年來(lái)這種方法確實(shí)已經(jīng)被人提出，并試圖應(yīng)用于實(shí)際，但這對(duì)儀器硬件的要求較高，在目前的技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)是有難度的。目前主流的成像方法是采用計(jì)算基于兩兩接收單元之間信號(hào)的復(fù)相關(guān)的方法。根據(jù)射電天文基礎(chǔ)理論，兩兩節(jié)點(diǎn)上信號(hào)的復(fù)相關(guān)，在uv(以波長(zhǎng)為單位的基線向量坐標(biāo))平面上的分布，和天空平面上的輻射強(qiáng)度(specific intensity)構(gòu)成傅里葉變換對(duì)。實(shí)際操作中，綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡獲得的直接數(shù)據(jù)實(shí)際上是構(gòu)成望遠(yuǎn)鏡的N個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的N(N-l)/2對(duì)節(jié)點(diǎn)的復(fù)數(shù)相關(guān)量。即<UiU/>，(Ui和Uj分別代表第i和j天線上測(cè)量到的電壓復(fù)振幅，符號(hào)〈> 代表數(shù)學(xué)期望，實(shí)踐上是以一定時(shí)間段內(nèi)的平均值代替)物理量代表節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的信號(hào)的復(fù)相關(guān)，稱之為可視度函數(shù)。因此目前的絕大部分綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡都是基于上述的復(fù)相關(guān)運(yùn)算進(jìn)行工作的。綜合孔徑成像的關(guān)鍵是復(fù)相關(guān)器。根據(jù)圖像中最高空間分辨率的要求，有多少個(gè)(u,v)采樣點(diǎn)，就需要作多少次復(fù)相關(guān)。盡管經(jīng)過(guò)稀疏的天線陣列單元數(shù)不是很多，但是其交叉相關(guān)的數(shù)量將很大。在本專利實(shí)踐中，80組天線交叉相關(guān)數(shù)將達(dá)到80*(80_1)/2。又比如對(duì)一個(gè)高分辨率的二維系統(tǒng)，其相關(guān)器的數(shù)量可達(dá)上萬(wàn)個(gè)。因此，對(duì)空間分辨率很高的綜合孔徑，限制其空間分辨率進(jìn)一步提高的因素將從天線本身轉(zhuǎn)化為相關(guān)器數(shù)量太多的矛盾。與此同時(shí)，大量的交叉相關(guān)也對(duì)系統(tǒng)通信產(chǎn)生了壓力，這種頻繁的通信過(guò)程必定產(chǎn)生大量的通信開(kāi)銷。這樣，如何解決大量的交叉相關(guān)帶來(lái)的相關(guān)器數(shù)量倍增的問(wèn)題就是研究綜合孔徑成像必須解決的一個(gè)關(guān)鍵課題。其中一個(gè)可能的途徑就是對(duì)每一個(gè)接收通道先進(jìn)行量化，然后再在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)字相關(guān)，稱為數(shù)字相關(guān)器。目前國(guó)際上在數(shù)字相關(guān)器的研究領(lǐng)域大多數(shù)都是用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明將試圖采用通用的軟件技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字相關(guān)器。因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)合理的系統(tǒng)，系統(tǒng)各個(gè)軟件模塊相互合作，努力克服系統(tǒng)中的瓶頸，在保證復(fù)相關(guān)效率的同時(shí)也要保證其它模塊的效率?，F(xiàn)有技術(shù)中，基于固化的硬件數(shù)字電路或者現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的數(shù)學(xué)相關(guān)運(yùn)算。但由于仍然是基于專用的電子器件，而且設(shè)計(jì)一旦固定，可調(diào)整的余地就所剩無(wú)幾，因此往往不具有很好的靈活性和可伸縮性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決上述提到的問(wèn)題而提出了一種基于CPU架構(gòu)的大規(guī)模數(shù)字相關(guān)器，其包括:多個(gè)通用PC機(jī)節(jié)點(diǎn)，其根據(jù)接收到的外部數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算；文件服務(wù)器，其用于將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤陣列；磁盤陣列，其用于存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)。其中，所述多個(gè)PC機(jī)節(jié)點(diǎn)包括采集卡和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，其中所述采集卡用于從外部天線采集得到外部數(shù)據(jù)，所述模擬轉(zhuǎn)換器用于將所采集得到的外部數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換以得到相應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。其中，所述多個(gè)PC機(jī)節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，所述多個(gè)PC機(jī)節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行廣播，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都獲得其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)；每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)自身獲得的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和從其它節(jié)點(diǎn)獲得的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。其中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)自身獲得的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和從其它節(jié)點(diǎn)獲得的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算具體為每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)自身獲得的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和從其它節(jié)點(diǎn)獲得的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，然后對(duì)所述快速傅里葉變換后的數(shù)據(jù)分成N組，將該N組數(shù)據(jù)組成N(N+1) /2對(duì)，對(duì)于其中每一對(duì)計(jì)算出其相關(guān)數(shù)據(jù)，其中N為所述PC機(jī)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。其中，所述多個(gè)PC機(jī)節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的處理過(guò)程采用并行化處理。本發(fā)明還提出了一種一種基于CPU架構(gòu)的大規(guī)模數(shù)字相關(guān)器的相關(guān)運(yùn)算方法，所述數(shù)字相關(guān)器包括多個(gè)PC機(jī)節(jié)點(diǎn)，所述方法包括:步驟1、采集外部天線上的外部數(shù)據(jù)；步驟2、對(duì)所述外部數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換以得到數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)；步驟3、在多個(gè)PC機(jī)節(jié)點(diǎn)中對(duì)所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。其中，所述步驟3具體包括:步驟31、每個(gè)PC機(jī)節(jié)點(diǎn)將所獲得的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行廣播，并獲得其它全部節(jié)點(diǎn)所廣播的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)；步驟32、每個(gè)PC機(jī)節(jié)點(diǎn)對(duì)于所獲得的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換；步驟33、每個(gè)PC機(jī)節(jié)點(diǎn)對(duì)快速傅里葉變換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。其中，所述步驟33中，每個(gè)PC機(jī)節(jié)點(diǎn)將所述快速傅里葉變換后的數(shù)據(jù)分成N組，將該N組數(shù)據(jù)組成N(N+1) /2對(duì)，對(duì)于其中每一對(duì)計(jì)算出其相關(guān)數(shù)據(jù)，其中N為所述PC節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。其中，所述多個(gè)PC機(jī)節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的處理過(guò)程采用并行化處理。本發(fā)明采用通用的軟件技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字相關(guān)器，解決了大量的交叉相關(guān)帶來(lái)的相關(guān)器數(shù)量倍增的問(wèn)題，使得效率大大提高。相對(duì)于較為傳統(tǒng)的基于硬件實(shí)現(xiàn)的相關(guān)器，本發(fā)明具有高度的可伸縮性，即可以根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的數(shù)目進(jìn)行自由的擴(kuò)增和縮減，而不需要變動(dòng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加時(shí)，只需要簡(jiǎn)單增加相應(yīng)的采集和計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)目，將計(jì)算節(jié)點(diǎn)連接到高速網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上即可，對(duì)已經(jīng)存在于集群中的節(jié)點(diǎn)的連接方式不需要做任何改變。因此本發(fā)明可以應(yīng)用于各種規(guī)模的實(shí)時(shí)信號(hào)相關(guān)計(jì)算的場(chǎng)合。除了擴(kuò)增系統(tǒng)的靈活性之外，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方法還容許通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)性能的升級(jí)，大幅提高整體的計(jì)算效率。雖然既有的傳統(tǒng)硬件相關(guān)方法也可以通過(guò)硬件升級(jí)來(lái)提高整體性能，但是考慮到本發(fā)明所采用的是通用電子計(jì)算機(jī)，能以更經(jīng)濟(jì)的方式獲得性能的提升。最后，由于本發(fā)明完全采用了通用的設(shè)備，因此很容易為特定的問(wèn)題快速構(gòu)建一套信號(hào)相關(guān)器，而無(wú)須考慮定制所需要的時(shí)間和專門設(shè)備采購(gòu)上耗費(fèi)的時(shí)間。


圖1是本發(fā)明的基于CPU架構(gòu)的大規(guī)模數(shù)字相關(guān)器的系統(tǒng)框圖；圖2是本發(fā)明中基于CPU架構(gòu)的大規(guī)模數(shù)字相關(guān)器的相關(guān)運(yùn)算流程示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖1所示，本發(fā)明提出的相關(guān)器系統(tǒng)由一系列的通用PC機(jī)(PCworkstation)、文件服務(wù)器(file server)和磁盤陣列(disk array)組成,PC機(jī)之間、PC機(jī)與文件服務(wù)器之間由高速網(wǎng)絡(luò)連接，文件服務(wù)器與磁盤陣列交互。高性能通用PC機(jī)節(jié)點(diǎn)采用市場(chǎng)上通用的個(gè)人電腦或者服務(wù)器，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將它們組成一個(gè)集群；文件服務(wù)器用來(lái)做服務(wù)器將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤陣列中；通用PC機(jī)上具有模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D)，由可輸入外部時(shí)鐘和外部觸發(fā)信號(hào)的通用的商用采集卡實(shí)現(xiàn)。由于是通用電子器件，所以也可以大批量采購(gòu)，不需要進(jìn)行特別的定制。在本發(fā)明所應(yīng)用的系統(tǒng)中，采集卡通過(guò)當(dāng)前主流的PC1-E接口和節(jié)點(diǎn)的主板相連接，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)之后，通過(guò)直接內(nèi)存訪問(wèn)(DMA)方式被從采集卡的緩沖區(qū)中轉(zhuǎn)移到通用PC機(jī)節(jié)點(diǎn)的主內(nèi)存中，其后被與之相關(guān)的程序所訪問(wèn)，并進(jìn)行運(yùn)算；通用PC機(jī)之間、PC機(jī)與文件服務(wù)器之間可以采用千兆以太網(wǎng)或者采用Infiniband網(wǎng)絡(luò)(Infini_bandnetwork)進(jìn)行通信,通用PC機(jī)和文件服務(wù)器分別具有Infiniband卡(IB_card)本發(fā)明所提出的數(shù)字相關(guān)器工作時(shí)，信號(hào)的采集、相關(guān)運(yùn)算以及結(jié)果保存周而復(fù)始地循環(huán)進(jìn)行。對(duì)于一個(gè)包含N個(gè)通用PC機(jī)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)器計(jì)算機(jī)集群，在每一個(gè)處理循環(huán)中，信號(hào)的數(shù)據(jù)流動(dòng)遵循以下的時(shí)序，如圖2所示:模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換:外部的模擬信號(hào)首先經(jīng)過(guò)模擬電路的基本處理，送入每一個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)安裝的采集卡中。其中所述外部的模擬信號(hào)通常是從天線上采集得到的外部信號(hào)。模擬電路的設(shè)置決定了系統(tǒng)工作的總帶寬、增益、頻率響應(yīng)等特性。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器在驅(qū)動(dòng)程序的控制下，實(shí)時(shí)將量化完成的數(shù)字信號(hào)通過(guò)直接內(nèi)存訪問(wèn)(DMA)送入計(jì)算機(jī)的主內(nèi)存中；模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換是連續(xù)進(jìn)行的，但是在后期處理中，根據(jù)不同的需求，一次傅里葉變換的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度L可以進(jìn)行調(diào)整(但是一般為2的整數(shù)冪次)。需要注意，根據(jù)下述的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，信號(hào)相關(guān)的結(jié)果實(shí)際上是一定時(shí)間內(nèi)的平均，時(shí)間常數(shù)根據(jù)信號(hào)采集的要求進(jìn)行調(diào)整。這里假定每一個(gè)循環(huán)中都采集N*C個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的序列。從而每一次相關(guān)運(yùn)算的時(shí)間分辨率為N*C*L/S,其中S為采樣率,N為節(jié)點(diǎn)數(shù)目，C為每次相關(guān)運(yùn)算之前積累的數(shù)據(jù)列的個(gè)數(shù)，可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。數(shù)據(jù)的廣播:每個(gè)通用PC機(jī)節(jié)點(diǎn)的數(shù)字信號(hào)通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)被廣播到其它節(jié)點(diǎn)，從而各個(gè)節(jié)點(diǎn)上都獲得一份其它全部節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)的副本；廣播開(kāi)始時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都有N*C個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被分成N份，然后依次被廣播到包含本節(jié)點(diǎn)在內(nèi)的全部節(jié)點(diǎn)中，廣播完成之后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都獲得了全部N個(gè)節(jié)點(diǎn)，在同一個(gè)時(shí)間片斷內(nèi)，長(zhǎng)度為OL的數(shù)據(jù)序列。它們的總長(zhǎng)度為N*C*L。盡管廣播前后,每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)列長(zhǎng)度均為N*C*L,但是廣播之前，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上僅有本節(jié)點(diǎn)上采集得到的數(shù)據(jù)，廣播之后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將含有其他N-1個(gè)節(jié)點(diǎn)上每個(gè)長(zhǎng)度為C*L的數(shù)據(jù)列。
傅里葉變換:每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)本機(jī)內(nèi)存中的數(shù)字信號(hào)時(shí)間序列進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT);在這一步中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)廣播之后獲得的N*C個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行N*C次傅里葉變換，將時(shí)域數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為頻域數(shù)據(jù)。相關(guān)運(yùn)算:傅里葉變換之后，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上都存儲(chǔ)了 N*C份長(zhǎng)度為L(zhǎng)/2的頻率域數(shù)據(jù)。這N*C份長(zhǎng)度為L(zhǎng)/2的數(shù)據(jù)可以分為N組，每一組有C個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)/2的數(shù)據(jù)。對(duì)于這N組，一共可以組成Ν(Ν+1)/2對(duì)。對(duì)于每一對(duì)，都根據(jù)下述數(shù)學(xué)推導(dǎo)，計(jì)算出相關(guān)數(shù)據(jù)。具體如下:光源在兩個(gè)針孔P1, P2的相關(guān)函數(shù)定義為Γ\2(τ) =〈< (t) V2 (t+τ ) >這是由著名的楊氏干涉實(shí)驗(yàn)的所推出的，其中，V代表對(duì)比度，在Q這一點(diǎn)的光強(qiáng)度Iq =Ik1 |2Ι1+|1^|2Ι2+2Ι^[1^2Γ “(Ο]，常數(shù)因子1^和1^2分別為兩路光的振幅衰減因子，均可為復(fù)數(shù)，τ代表兩組波從針孔到達(dá)Q的延遲，I1和I2分別代表兩個(gè)針孔P1, P2處的光強(qiáng)。如果在P1, P2這兩個(gè)位置放置兩面天線，則相關(guān)函數(shù)也是相同的。對(duì)于復(fù)合波場(chǎng)U (P1, t) ,U (P2, t)的相關(guān)函數(shù)定義為:其中，交括號(hào)表示求時(shí)間平均，T代表周期，t時(shí)刻P1和P2點(diǎn)的光振動(dòng)分別用解析信號(hào)U (P1, t)和U (p2, t)表示。本發(fā)明通過(guò)采用目前業(yè)已成熟的節(jié)點(diǎn)內(nèi)運(yùn)算方案，上述的時(shí)序中某些無(wú)相互依賴關(guān)系的步驟可以進(jìn)行并行化處理。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的數(shù)字相關(guān)器采用了以下的加速方案:節(jié)點(diǎn)內(nèi)的流水化處理:在信號(hào)處理的循環(huán)中，當(dāng)前時(shí)間片中采集數(shù)據(jù)的廣播、上一輪循環(huán)廣播的數(shù)據(jù)的相關(guān)運(yùn)算、以及上一輪循環(huán)中所得到的結(jié)果的匯總存盤之間沒(méi)有相互依賴關(guān)系，可以同時(shí)進(jìn)行。節(jié)點(diǎn)內(nèi)相關(guān)運(yùn)算的并行化處理:相關(guān)運(yùn)算涉及了大量數(shù)據(jù)的乘法和加法，可以分塊同時(shí)進(jìn)行，如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)都配備了多核處理器，則可以將這一處理直接分配到多個(gè)CPU核心上同時(shí)運(yùn)算。GPU加速方案:GPU特別適合于大量重復(fù)的簡(jiǎn)單運(yùn)算，數(shù)字信號(hào)的相關(guān)運(yùn)算符合這一特征。通過(guò)在PC機(jī)中安裝GPU設(shè)備，代替CPU進(jìn)行相關(guān)處理，可以顯著提高運(yùn)算速度。GPU通常通過(guò)PC1-E借口作為擴(kuò)展卡的形式安裝在每個(gè)通用PC機(jī)節(jié)點(diǎn)內(nèi)。通過(guò)對(duì)相關(guān)運(yùn)算部分的代碼進(jìn)行重新的編寫，以GPU的編程語(yǔ)言(例如CUDA，OPENCL等)編譯為GPU的機(jī)器碼，運(yùn)行于GPU中。最終的加速比可以達(dá)到2-3。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于CPU架構(gòu)的大規(guī)模數(shù)字相關(guān)器,其包括: 多個(gè)通用PC機(jī)節(jié)點(diǎn)，其根據(jù)接收到的外部數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算； 文件服務(wù)器，其用于將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤陣列； 磁盤陣列，其用于存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于CPU架構(gòu)的大規(guī)模數(shù)字相關(guān)器，其特征在于，所述多個(gè)PC機(jī)節(jié)點(diǎn)包括采集卡和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，其中所述采集卡用于從外部天線采集得到外部數(shù)據(jù)，所述模擬轉(zhuǎn)換器用于將所采集得到的外部數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換以得到相應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
3.如權(quán)利要求2所述的基于CPU架構(gòu)的大規(guī)模數(shù)字相關(guān)器，其特征在于，所述多個(gè)PC機(jī)節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，所述多個(gè)PC機(jī)節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行廣播，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都獲得其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)；每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)自身獲得的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和從其它節(jié)點(diǎn)獲得的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。
4.如權(quán)利要求3所述的基于CPU架構(gòu)的大規(guī)模數(shù)字相關(guān)器，其特征在于，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)自身獲得的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和從其它節(jié)點(diǎn)獲得的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算具體為:每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)自身獲得的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和從其它節(jié)點(diǎn)獲得的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，然后對(duì)所述快速傅里葉變換后的數(shù)據(jù)分成N組，將該N組數(shù)據(jù)組成N(N+l)/2對(duì)，對(duì)于其中每一對(duì)計(jì)算出其相關(guān)數(shù)據(jù)，其中N為所述PC機(jī)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。
5.如權(quán)利要求1所述的基于CPU架構(gòu)的大規(guī)模數(shù)字相關(guān)器，其特征在于，所述多個(gè)PC機(jī)節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的處理過(guò)程采用并行化處理。
6.一種基于CPU架構(gòu)的大規(guī)模數(shù)字相關(guān)器的相關(guān)運(yùn)算方法，所述數(shù)字相關(guān)器包括多個(gè)PC機(jī)節(jié)點(diǎn)，所述方法包括: 步驟1、采集外部天線接收到的外部數(shù)據(jù)； 步驟2、對(duì)所述外部數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換以得到數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)； 步驟3、在多個(gè)PC機(jī)節(jié)點(diǎn)中對(duì)所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟3具體包括: 步驟31、每個(gè)PC機(jī)節(jié)點(diǎn)將所獲得的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行廣播，并獲得其它全部節(jié)點(diǎn)所廣播的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)； 步驟32、每個(gè)PC機(jī)節(jié)點(diǎn)對(duì)于所獲得的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換； 步驟33、每個(gè)PC機(jī)節(jié)點(diǎn)對(duì)快速傅里葉變換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟33中，每個(gè)PC機(jī)節(jié)點(diǎn)將所述快速傅里葉變換后的數(shù)據(jù)分成N組，將該N組數(shù)據(jù)組成N(N+l)/2對(duì)，對(duì)于其中每一對(duì)計(jì)算出其相關(guān)數(shù)據(jù)，其中N為所述PC節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個(gè)PC機(jī)節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的處理過(guò)程采用并行化處理。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了基于CPU架構(gòu)的大規(guī)模數(shù)字相關(guān)器及相關(guān)運(yùn)算處理方法，此種相關(guān)器具有很強(qiáng)的靈活性和可擴(kuò)展性，主要是利用通用技術(shù)解決了大規(guī)模數(shù)字相關(guān)器的問(wèn)題。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)是應(yīng)用在綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡成像領(lǐng)域，80組天線交叉相關(guān)數(shù)將達(dá)到80*(80-1)/2。又比如對(duì)一個(gè)高分辨率的二維系統(tǒng)，其相關(guān)器的數(shù)量可達(dá)上萬(wàn)個(gè)。因此，對(duì)空間分辨率很高綜合孔徑，限制其空間分辨率進(jìn)一步提高的因素將從天線本身轉(zhuǎn)化為相關(guān)器數(shù)量太多的矛盾。與此同時(shí)，大量的交叉相關(guān)也對(duì)系統(tǒng)通信產(chǎn)生了壓力，這種頻繁的通信過(guò)程必定產(chǎn)生大量的通信開(kāi)銷。這樣，如何解決大量的交叉相關(guān)帶來(lái)的相關(guān)器數(shù)量倍增的問(wèn)題就是研究綜合孔徑成像必須解決的一個(gè)關(guān)鍵課題。
文檔編號(hào)H04L29/08GK103152383SQ20131002997
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月25日
發(fā)明者趙蒙, 李寬君, 顧俊驊 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)