CN111010200B - 基于异构多核的卫星气象数据喷泉解码算法硬件化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及气象数据处理技术领域，具体地说，涉及基于异构多核的卫星气象数据喷泉解码算法硬件化系统。其包括FPGA端和CPU端，所述FPGA端包括逻辑单元、度向量缓存单元、解码单元和储存器，所述CPU端包括CPU处理单元和DMA控制器。该基于异构多核的卫星气象数据喷泉解码算法硬件化系统中，采用喷泉解码方法，具有无码率和反馈信息少的优点，有较强的纠错纠删能力，无固定码率使得接收端能够自动适应信道性能，解决信道能力差的问题，减少能耗。
Description
技术领域
本发明涉及气象数据处理技术领域，具体地说，涉及基于异构多核的卫星气象数据喷泉解码算法硬件化系统。
背景技术
在卫星气象通信过程中，传统的编译码方式和通信协议的误码率较高，往往需要大量的纠错译码才能接收到正确的信息，尤其对于异构多多核的卫星来说，存在多个接收端，信道能力差，导致资源消耗大。
发明内容
本发明的目的在于提供基于异构多核的卫星气象数据喷泉解码算法硬件化系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供基于异构多核的卫星气象数据喷泉解码算法硬件化系统，包括FPGA端和CPU端，所述FPGA端包括逻辑单元、度向量缓存单元、解码单元和储存器，所述CPU端包括CPU处理单元和DMA控制器，其解码算法包括如下步骤：
S1、将气象数据输入逻辑单元进行编码处理；
S2、经逻辑单元编码处理后的气象数据写入度向量缓存单元和储存器；
S3、从向量缓存单元和储存器内输入待解码的气象数据至解码单元；
S4、解码单元将解码后的气象数据写入储存器；
S5、储存器内解码后的气象数据通过DMA控制器写入CPU处理单元进行处理，并输出结果。
作为优选，所述编码处理的方法包括以下步骤：
记LT码为FLT，令u＝(u1,u2,…,uk)为信息符号，c＝(c1,c2,…,ci,…)为编码符号，则c＝FLT(u)，则LT码的编码过程如下：
首先定义码长、编码速率和长度为编码符号长度的度分布ρ(d)。
S1.1、从度分布ρ(d)中为编码符号ci随机选择一个度di；
S1.2、均匀随机地选取di个不同的信息符号(构成近邻)，用表示连接到编码符号ci的信息符号索引集；
S1.3、将所连接的di个信息符号进行比特异或运算得到编码符号ci，公式如下：
编码后每个信息符号与li个编码符号连接，用表示连接到信息符号索引集。
每次生成一个编码符号时编码器都会根据一个度数分配表ρ(d)随机地选择一个度数(1到k之间的数字)，其中ρ是根据k来选择的，还可以用生成矩阵的形式来表示G＝[g1,g2,…,gn]。编码时从k个输入符号集合中随机均匀选择d个近邻符号，其内容经奇偶校验后所得值就成为编码符号的内容，校验关系为：
作为优选，所述储存器包括编码储存器和译码储存器。
作为优选，所述编码储存器的储存方法包括如下步骤：
S2.1、为实现信息速率和系统时钟匹配，对编码输入流和编码输出流分别乒乓缓冲存储，存储深度为2(k+n)，其中k为编码输入组长度(输入节点数)，n为编码输出组长度(输出节点数，也即校验节点数)，数据位宽为每个节点的比特数s；
S2.2、度分布存储，存储深度为n，数据宽度为
S2.3、每个校验节点的信息节点位置集存储，存储深度为其中di为第i个校验节点的度，数据宽度为/>
作为优选，所述译码储存器的储存方法包括如下步骤：
S3.1、为节省存储空间，输入采用FIFO存储，存储深度为帧长的1.2倍，硬判决之后存储结果，则输入存储空间要求为：n×1.2×ω×s，其中ω为符号内软信息数，s为每个节点符号的比特数；
S3.2、输出数据存储深度为k，数据宽度为s。乒乓存储空间要求为2×0×s个比特；
S3.3、信息节点位置集存储，存储深度为数据宽度为/>存储空间要求为/>校验节点位置集存储空间需求与之相同；
S3.4、信息符号度分布存储器，存储深度为0，假设每个信息节点连接的校验节点最大个数为E，则数据宽度为极限情况下E＝n，存储空间要求为校验节点度分布存储空间需求为/>
作为优选，所述解码单元采用喷泉解码。
作为优选，所述喷泉解码的解码方法包括如下步骤：
令表示接收符号，其中/> 表示一个删除。为使译码器能够开始工作，至少有一个编码符号满足：/>
S4.1、查找满足的接收符号/>如果没有度为1的符号可用，译码停止；
S4.2、找到cj对应的近邻unj,1；
S4.3、设置恢复的信息符号
S4.4、将加到与之连接的所有编码符号，其公式为：
S4.5、将恢复的输入符号从与之连接的所有编码符号中移除，同时从En),1中删除，并且Enj,1中每个编码符号的度减1；
S4.6、返回步骤S4.5直到所有信息符号都译码完成。
与现有技术相比，本发明的有益效果：该基于异构多核的卫星气象数据喷泉解码算法硬件化系统中，采用喷泉解码方法，具有无码率和反馈信息少的优点，有较强的纠错纠删能力，无固定码率使得接收端能够自动适应信道性能，解决信道能力差的问题，减少能耗。
附图说明
图1为本发明的整体系统结构图；
图2为本发明的硬件结构图；
图3为本发明的On-the-Fly逻辑单元结构图；
图4为本发明的解码单元结构图；
图5为本发明的解码流水线时空图；
图6为本发明的共享存储原理图；
图7为本发明的共享存储硬件结构图；
图8为本发明的喷泉解码算法程序框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图8所示，本发明人员提供一种技术方案：
本发明提供基于异构多核的卫星气象数据喷泉解码算法硬件化系统，包括FPGA端和CPU端，FPGA端包括逻辑单元、度向量缓存单元、解码单元和储存器，CPU端包括CPU处理单元和DMA控制器，其解码算法包括如下步骤：
S1、将气象数据输入逻辑单元进行编码处理；
S2、经逻辑单元编码处理后的气象数据写入度向量缓存单元和储存器；
S3、从向量缓存单元和储存器内输入待解码的气象数据至解码单元；
S4、解码单元将解码后的气象数据写入储存器；
S5、储存器内解码后的气象数据通过DMA控制器写入CPU处理单元进行处理，并输出结果。
本实施例中，编码处理的方法包括以下步骤：
记LT码为FLT，令u＝(u1,u2,…,uk)为信息符号，c＝(c1,c2,…,ci,…)为编码符号，则c＝FLT(u)，则LT码的编码过程如下：
首先定义码长、编码速率和长度为编码符号长度的度分布ρ(d)。
S1.1、从度分布ρ(d)中为编码符号ci随机选择一个度di；
S1.2、均匀随机地选取di个不同的信息符号(构成近邻)，用表示连接到编码符号ci的信息符号索引集；
S1.3、将所连接的di个信息符号进行比特异或运算得到编码符号ci，公式如下：
其中，编码后每个信息符号与li个编码符号连接，用表示连接到信息符号索引集。
其中，每次生成一个编码符号时编码器都会根据一个度数分配表ρ(d)随机地选择一个度数(1到k之间的数字)，其中ρ是根据k来选择的，还可以用生成矩阵的形式来表示G＝[g1,g2,…,gn]。编码时从k个输入符号集合中随机均匀选择d个近邻符号，其内容经奇偶校验后所得值就成为编码符号的内容，校验关系为：
值得说明的是，储存器包括编码储存器和译码储存器。
具体的，编码储存器的储存方法包括如下步骤：
S2.1、为实现信息速率和系统时钟匹配，对编码输入流和编码输出流分别乒乓缓冲存储，存储深度为2(k+n)，其中k为编码输入组长度(输入节点数)，n为编码输出组长度(输出节点数，也即校验节点数)，数据位宽为每个节点的比特数s；
S2.2、度分布存储，存储深度为n，数据宽度为
S2.3、每个校验节点的信息节点位置集存储，存储深度为其中di为第i个校验节点的度，数据宽度为/>
值得说明的是，译码储存器的储存方法包括如下步骤：
S3.1、为节省存储空间，输入采用FIFO存储，存储深度为帧长的1.2倍，硬判决之后存储结果，则输入存储空间要求为：n×1.2×ω×s，其中ω为符号内软信息数，s为每个节点符号的比特数；
S3.2、输出数据存储深度为0，数据宽度为s。乒乓存储空间要求为2×0×s个比特；
S3.3、信息节点位置集存储，存储深度为数据宽度为/>存储空间要求为/>校验节点位置集存储空间需求与之相同；
S3.4、信息符号度分布存储器，存储深度为0，假设每个信息节点连接的校验节点最大个数为E，则数据宽度为极限情况下E＝n，存储空间要求为校验节点度分布存储空间需求为/>
再进一步的，解码单元采用喷泉解码。
其中，喷泉解码的解码方法包括如下步骤：
令表示接收符号，其中/> 表示一个删除。为使译码器能够开始工作，至少有一个编码符号满足：/>
S4.1、查找满足的接收符号/>如果没有度为1的符号可用，译码停止；
S4.2、找到cj对应的近邻un),1；
S4.3、设置恢复的信息符号
S4.4、将加到与之连接的所有编码符号，其公式为：
S4.5、将恢复的输入符号从与之连接的所有编码符号中移除，同时从Enj,1中删除，并且Enj,1中每个编码符号的度减1；
S4.6、返回步骤S4.5直到所有信息符号都译码完成。
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，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，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效物界定。
Claims (1)
1.基于异构多核的卫星气象数据喷泉解码算法硬件化系统，包括FPGA端和CPU端，其特征在于：所述FPGA端包括逻辑单元、度向量缓存单元、解码单元和储存器，所述CPU端包括CPU处理单元和DMA控制器，其解码算法包括如下步骤：
S1、将气象数据输入逻辑单元进行编码处理；
S2、经逻辑单元编码处理后的气象数据写入度向量缓存单元和储存器；
S3、从向量缓存单元和储存器内输入待解码的气象数据至解码单元；
S4、解码单元将解码后的气象数据写入储存器；
S5、储存器内解码后的气象数据通过DMA控制器写入CPU处理单元进行处理，并输出结果；
所述编码处理的方法包括以下步骤：
S1.1、从度分布ρ(d)中为编码符号ci随机选择一个度di；
S1.2、均匀随机地选取di个不同的信息符号，用表示连接到编码符号ci的信息符号索引集；
S1.3、将所连接的di个信息符号进行比特异或运算得到编码符号ci，公式如下：
所述储存器包括编码储存器和译码储存器；
所述编码储存器的储存方法包括如下步骤：
S2.1、对编码输入流和编码输出流分别乒乓缓冲存储，存储深度为2(k+n)，其中k为编码输入组长度，n为编码输出组长度，数据位宽为每个节点的比特数s；
S2.2、度分布存储，存储深度为n，数据宽度为
S2.3、每个校验节点的信息节点位置集存储，存储深度为其中di为第i个校验节点的度，数据宽度为/>
所述译码储存器的储存方法包括如下步骤：
S3.1、输入采用FIFO存储，存储深度为帧长的1.2倍，硬判决之后存储结果，则输入存储空间要求为：n×1.2×ω×s，其中ω为符号内软信息数，s为每个节点符号的比特数；
S3.2、输出数据存储深度为k，数据宽度为s，乒乓存储空间要求为2×k×s个比特；
S3.3、信息节点位置集存储，存储深度为数据宽度为/>存储空间要求为/>
S3.4、信息符号度分布存储器，存储深度为k，假设每个信息节点连接的校验节点最大个数为E，则数据宽度为极限情况下E＝n，存储空间要求为/>
所述解码单元采用喷泉解码；
所述喷泉解码的解码方法包括如下步骤：
S4.1、查找满足的接收符号/>如果没有度为1的符号可用，译码停止；
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