電磁場數(shù)值計算的FPGA加速技術(shù)研究.pdf

1、本文針對各種嵌入式應用中對實時電磁場計算的需求，采用FPGA作為硬件加速器，加速電磁場特定算法（時域有限差分法，時域偽譜法和有限元）的計算。將電磁場數(shù)值計算問題（時域有限差分法，時域偽譜法）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號處理問題，在FPGA上實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法以完成電磁場數(shù)值計算。同時，針對有限元法在CPU上執(zhí)行的缺陷，在FPGA上設(shè)計了協(xié)處理器加速有限元的計算。
　　本文首先分析了各種應用中對實時電磁場計算的需求,介紹了可重構(gòu)計算技術(shù)，對

2、其計算特性做了詳細的討論。詳細分析了電磁場數(shù)值計算硬件實現(xiàn)的基礎(chǔ)，討論了時域有限差分法、時域偽譜法與數(shù)字信號處理技術(shù)的關(guān)系。
　　其次，提出了一種新的時域有限差分法的硬件設(shè)計。采用濾波器技術(shù)重新改寫時域有限差分法,將時域有限差分法的求解變成對應的硬件濾波器的設(shè)計問題，通過設(shè)計合適的濾波器完成時域有限差分的計算。與時域有限差分算法的軟件執(zhí)行相比，硬件實現(xiàn)可以獲得5倍左右的性能加速，能夠充分發(fā)揮FPGA的計算性能。
　　再次，研

3、究了時域偽譜法的硬件加速技術(shù)。在全面分析時域偽譜法的特性的基礎(chǔ)上，確定了合適的定點數(shù)據(jù)格式，設(shè)計和實現(xiàn)了基于FFT技術(shù)的PSTD協(xié)處理器，以加速時域偽譜法的計算?；贔PGA的FFT模塊能在微秒級時間內(nèi)執(zhí)行FFT和IFFT，使得PSTD協(xié)處理器具有非常重要的速度優(yōu)勢。
　　最后，研究了電磁場有限元計算硬件加速的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括向量歸約、稀疏矩陣乘向量和線性方程組的迭代算法的實現(xiàn)技術(shù)。提出了一種改進的向量歸約電路設(shè)計，設(shè)計采用四個