一种基于矩阵联合近似对角化的矩阵数据处理系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于矩阵联合近似对角化的矩阵数据处理系统及方法，属于通信数据处理领域，本发明专利技术基于FPGA平台，具有脉动阵列、流水线处理思想，对传统数据处理进行了并行化设计，兼有多种优点，既可以在较短的时间内完成算法的计算，也同时在保证计算速度的同时兼顾了硬件资源开销，并且基于模块化的设计具有较好的移植性。好的移植性。好的移植性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于矩阵联合近似对角化的矩阵数据处理系统及方法


[0001]本专利技术涉及通信数据处理领域，具体涉及一种基于矩阵联合近似对角化的矩阵数据处理系统及方法。

技术介绍

[0002]在矩阵分析中，将若干个矩阵的近似联合对角化的问题可以由以下描述所定义：考虑K个N
×
N矩阵的集合A＝{A1,A2,
…
,A
K
}。现在希望求一个联合对角化器(joint diagonalizer)U∈C
N
×
N
和K个对应的对角矩阵Λ1,Λ2,
…
,Λ
K
，使目标函数最小化，式中，ω1,ω2,
…
,ω
k
为正的权系数。这一问题称为近似联合对角化。
[0003]矩阵的联合对角化问题广泛存在于盲信号分离、盲波束形成、时延估计、频率估计、阵列信号处理、多输入
‑
多输出(MIMO)盲均衡以及盲MIMO系统辨识等中。传统处理方式通常使用双边旋转方法对矩阵进行联合对角化，但是传统方法在硬件实现中存在一定的改进空间，通过对传统方法分析可以得出，在硬件平台上可以实现一种并行的双边旋转方法，有效提高了对矩阵联合对角化的计算效率。
[0004]由此给出了传统计算矩阵联合近似对角化的算法，但目前对于基于硬件(FPGA)来实现该算法的研究较为缺乏，而该算法对于信号分离等领域有着重要的应用。用硬件实现此类算法有着相比软件实现不可比拟的优势，用硬件实现有着更好的实时性、更快的计算速度以及为一体化硬件平台服务的可移植性。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种基于矩阵联合近似对角化的矩阵数据处理系统及方法解决了现有对数据构成的矩阵进行旋转的算法存在无法进行并行运算，造成运算时间长的问题。
[0006]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于矩阵联合近似对角化的矩阵数据处理系统，包括：数据存储及控制模块和迭代脉动阵列模块；
[0007]所述数据存储及控制模块包括：寄存器组和逻辑控制单元，所述寄存器组与逻辑控制单元连接；所述迭代脉动阵列模块包括：左旋转角计算单元、右旋转角计算单元和脉冲阵列；所述逻辑控制单元分别与左旋转角计算单元、右旋转角计算单元和脉冲阵列连接；所述左旋转角计算单元和右旋转角计算单元分别与脉冲阵列连接。
[0008]进一步地，所述脉冲阵列包括四个基础计算子单元PE；
[0009]每个基础计算子单元PE的外围接口包括：第一向量输入接口X1和Y1、第二向量输入接口X2和Y2、第一左旋转角接口、第二左旋转角接口、第一右旋转角接口、第二右旋转角接口、第一行列向量输出接口X1
′
和Y1
′
、及第二行列向量输出接口X2
′
和Y2
′
；
[0010]所述第一向量输入接口X1和Y1、第二向量输入接口X2和Y2分别与逻辑控制单元连
接；所述第一左旋转角接口和第二左旋转角接口分别与左旋转角计算单元连接；所述第一右旋转角接口和第二右旋转角接口分别与右旋转角计算单元连接；
[0011]每个基础计算子单元PE包括：第一多路选择器、第二多路选择器、第一旋转器、第二旋转器和状态机控制器；
[0012]所述第一多路选择器的输入端分别与第一向量输入接口X1和Y1、第一左旋转角接口和第一右旋转角接口连接；所述第二多路选择器的输入端分别与第二向量输入接口X2和Y2、第一右旋转角接口和第二右旋转角接口连接；所述第一旋转器的输入端与第一多路选择器的输出端连接，其输出端与第一多路选择器的输入端连接，并作为第一行列向量输出接口X1
′
和Y1
′
；所述第二旋转器的输入端与第二多路选择器的输出端连接，其输出端与第二多路选择器的输入端连接，并作为第二行列向量输出接口X2
′
和Y2
′
；所述状态机控制器分别与第一多路选择器的控制端和第二多路选择器的控制端连接。
[0013]一种基于矩阵联合近似对角化的矩阵数据处理方法，包括以下分步骤：
[0014]S1、在逻辑控制单元中状态机由等待状态进入工作状态后，通过逻辑控制单元从寄存器组中存储的矩阵组提取2K个二阶主子式矩阵，得到2个原始矩阵；
[0015]S2、将2个原始矩阵发送至左旋转角计算单元和右旋转角计算单元，计算得到左旋转角和右旋转角；
[0016]S3、通过逻辑控制单元从寄存器组中存储的矩阵组提取一个待旋转矩阵，并对其进行分块生成四个子矩阵；
[0017]S4、将四个子矩阵、左旋转角和右旋转角发送至脉冲阵列，并根据左旋转角和右旋转角，将四个子矩阵均进行并行旋转，得到该次迭代的旋转矩阵；
[0018]S5、根据左旋转角和右旋转角，通过逻辑控制单元检测联合对角化的目标函数是否达到目标值，若是，则该次迭代的旋转矩阵为目标旋转矩阵，若否，则丢弃该次迭代的旋转矩阵，并跳转至步骤S1。
[0019]进一步地，步骤S3中四个子矩阵均为待旋转矩阵的二阶主子式。
[0020]进一步地，步骤S3中计算左旋转角和右旋转角的公式为：
[0021][0022][0023]G＝[g1,
…
,g
k
,
…
,g
K
][0024]g
k
＝[e
k
‑
f
k
,g
k
+h
k
]T
[0025]其中，θ为左旋转角或右旋转角，G为矩阵组，g
k
为矩阵组的第k个原始矩阵，为第k个原始矩阵的一个二阶主子式，K为矩阵组中矩阵的数量，为GG
T
构成的矩阵的简写。
[0026]进一步地，步骤S4包括以下分步骤：
[0027]S41、将每一个二阶主子式的2个行向量或2个列向量分别输入对应的第一向量输入接口X1和Y1，及第二向量输入接口X2和Y2，将左旋转角输入第一左旋转角接口和第二左
旋转角接口；
[0028]S42、通过状态机控制器控制第一多路选择器和第二多路选择器对应的输入接口，将第一多路选择器中的1个行向量或1个列向量、及左旋转角输入到第一旋转器，将第二多路选择器中的另1行向量或另1个列向量、及左旋转角输入到第二旋转器；
[0029]S43、通过第一旋转器计算旋转后的第一行列向量，通过第二旋转器计算旋转后的第二行列向量；
[0030]S44、将第一行列向量和右旋转角输入第一多路选择器，将第二行列向量和右旋转角输入第二多路选择器；
[0031]S45、通过状态机控制器控制第一多路选择器和第二多路选择器，将第一行列向量和右旋转角输入第一旋转器，将第二行列向量和右旋转角输入第二旋转器；
[0032]S46、通过第一旋转器计算再次旋转后的第三行列向量，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于矩阵联合近似对角化的矩阵数据处理系统，其特征在于，包括：数据存储及控制模块和迭代脉动阵列模块；所述数据存储及控制模块包括：寄存器组和逻辑控制单元，所述寄存器组与逻辑控制单元连接；所述迭代脉动阵列模块包括：左旋转角计算单元、右旋转角计算单元和脉冲阵列；所述逻辑控制单元分别与左旋转角计算单元、右旋转角计算单元和脉冲阵列连接；所述左旋转角计算单元和右旋转角计算单元分别与脉冲阵列连接。2.根据权利要求1所述的基于矩阵联合近似对角化的矩阵数据处理系统，其特征在于，所述脉冲阵列包括四个基础计算子单元PE；每个基础计算子单元PE的外围接口包括：第一向量输入接口X1和Y1、第二向量输入接口X2和Y2、第一左旋转角接口、第二左旋转角接口、第一右旋转角接口、第二右旋转角接口、第一行列向量输出接口X1
′
和Y1
′
、及第二行列向量输出接口X2
′
和Y2
′
；所述第一向量输入接口X1和Y1、第二向量输入接口X2和Y2分别与逻辑控制单元连接；所述第一左旋转角接口和第二左旋转角接口分别与左旋转角计算单元连接；所述第一右旋转角接口和第二右旋转角接口分别与右旋转角计算单元连接；每个基础计算子单元PE包括：第一多路选择器、第二多路选择器、第一旋转器、第二旋转器和状态机控制器；所述第一多路选择器的输入端分别与第一向量输入接口X1和Y1、第一左旋转角接口和第一右旋转角接口连接；所述第二多路选择器的输入端分别与第二向量输入接口X2和Y2、第一右旋转角接口和第二右旋转角接口连接；所述第一旋转器的输入端与第一多路选择器的输出端连接，其输出端与第一多路选择器的输入端连接，并作为第一行列向量输出接口X1
′
和Y1
′
；所述第二旋转器的输入端与第二多路选择器的输出端连接，其输出端与第二多路选择器的输入端连接，并作为第二行列向量输出接口X2
′
和Y2
′
；所述状态机控制器分别与第一多路选择器的控制端和第二多路选择器的控制端连接。3.根据权利要求2所述的基于矩阵联合近似对角化的矩阵数据处理系统的方法，其特征在于，包括以下分步骤：S1、在逻辑控制单元中状态机由等待状态进入工作状态后，通过逻辑控制单元从寄存器组中存储的矩阵组提取2K个二阶主子式矩阵，得到2个原始矩阵；S2、将2个原始矩阵发送至左旋转角计算单元和右旋转角计算单元，计算得到左旋转角和右旋转角；S3、通过逻辑控制单元从寄存器组中存储的矩阵组提取一个待旋转矩阵，并对其进行分块生成四个子矩阵；S4、将四个子矩阵、左旋转角和右旋转角发送至脉冲阵列，并根据左旋转角和右旋转角，将四个子矩阵均进行并行旋转，得到该次迭代的旋转矩阵；S5、根据左旋转角和右旋转角，通过逻辑控制单元检测联合对角化的目标函数是否达到目标值，若是，则该次迭代的旋转矩阵为目标旋转矩阵，若否，则丢弃该次迭代的旋转矩阵，并跳转至步骤S1。4.根据权利要求3所述的基于矩阵联合近似对角化的矩阵数据处理方法，其特征在于，所述步骤S3中四个子矩阵均为待旋转矩阵的二阶主子式。5.根据权利要求4所述的基于矩阵联合近似对角化的矩阵数据处理方法，其特征在于，
所述步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：李桓，徐博轩，杨鍊，王坚，金曙光，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：