基于星载mimo检测的抗辐射乘法器的设计方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于星载MIMO检测的抗辐射乘法器的设计方法，含有如下步骤：1：将输入的两个N位宽的二进制数变成K位宽；2：将两个K位宽的二进制数作为两个K位宽乘法器的输入，将两个N位宽的二进制数作为一个N位宽乘法器的输入；3：分别提取两个K位宽乘法器的输出数据的高K位形成两个K位数据，将N位宽乘法器的输出数据的符号位和有效数据位的高K-1位组成一个K位数据；然后，将这三个K位数据做三模冗余比较；4：如果N位宽乘法器计算错误，则将K位宽乘法器的输出数据的最低位后面补N位0后作为整个抗辐射乘法器的输出数据；如果N位乘法器计算正确，则将其输出作为抗辐射乘法器的输出；本发明的资源占用率低、综合性能好。
【专利说明】基于星载MIMO检测的抗辐射乘法器的设计方法
[0001](一 )、【技术领域】:本发明涉及一种乘法器的设计方法，特别是涉及一种基于星载MIMO检测的抗辐射乘法器的设计方法。
[0002](二)、【背景技术】:由于星载平台应用场景的特殊性，传统星载平台设计主要有以下两个特点，第一采用反熔丝器件，第二采用冗余设计。反熔丝器件抗辐射能力强，但硬件逻辑资源少，且功能单一，已无法满足星载MIMO (multiple input multiple output,多入多出)的需求。SRAM型FPGA具有良好的重配置性能，逻辑资源多，被广泛的应用于星载平台设计。但太空中充斥着各种高能粒子，易造成SRAM型FPGA配置存储器状态的改变，引发单粒子翻转效应。三模冗余(TMR,Triple Modular Redundancy)技术是目前最为有效的抗SEU (single event upset,单粒子翻转)设计,该设计可大幅提高FPGA在SEU影响下的可靠性。但是TMR设计占用的硬件资源至少是原设计的3.1倍，同时增加了功耗，降低运算速率。
(三)、
【发明内容】
:
[0003]本发明要解决的技术问题是:提供一种基于星载MMO检测的抗辐射乘法器的设计方法，该方法的资源占用率低、综合性能好。
[0004]本发明的技术方案:
[0005]一种基于星载MIMO检测的抗辐射乘法器的设计方法，具体为:
[0006]步骤1:对输入的两个N位宽的二进制数分别进行动态定标后形成两个K位宽的二进制数，其中，K〈N;
[0007]步骤2:将两个K位宽的二进制数作为一个K位宽乘法器的输入数据，同时，还将这两个K位宽的二进制数作为另一个K位宽乘法器的输入数据，将原来的两个N位宽的二进制数作为一个N位宽乘法器的输入数据；
[0008]步骤3:分别提取两个K位宽乘法器的输出数据的高K位形成两个K位数据，将N位宽乘法器的输出数据的符号位和有效数据位的高K-1位组成一个K位数据；然后，将这三个K位数据做三模冗余比较，并输出运算结果；
[0009]步骤4:如果N位宽乘法器发生单粒子翻转计算错误，则将K位宽乘法器的输出数据的最低位后面补N位O后作为整个抗辐射乘法器的输出数据；
[0010]如果N位乘法器没有受到单粒子影响计算正确，则将N位宽乘法器的输出数据作为整个抗辐射乘法器的输出数据。
[0011]步骤I中，动态定标的方法为:先对一个N位宽的二进制数进行移位搜索，判断数据的正负、查找最高有效数据位的位置，读取符号位和有效数据位的高K-1位；然后，将符号位和有效数据位的高K-1位组成一个K位宽的二进制数。
[0012]首先定义:从一个N位宽的二进制数的最左边开始数，第一个为I的位为标志位，标志位序号是指:从最左边开始数时，数到标志位时的序号；
[0013]两个N位宽的二进制数的标志位序号分别为m+1和q+Ι，动态定标分以下三种情况:
[0014]情况一:m ( N-K,并且q彡N-K时，将移位搜索到的符号位和有效数据位的高K_1位组成一个K位宽的二进制数；
[0015]情况二:m彡N-K且q>N_K且m+q彡N时，或者q彡N-K且m>N_K且m+q彡N时，即被动态定标的两个N位宽的二进制数中有一个太小，导致该太小数据的有效数据位不够K位；这时，需向左移该太小数据的各位，使该太小数据的有效数据位数等于K，成为一个K位宽的二进制数；
[0016]在左移的过程中，如果该太小数据为正数，低位补入的数为0，如果该太小数据为负数，则低位补入的数为I ;
[0017]情况三:m>N-K，并且q>N_K时，动态定标后得到的K位宽的二进制数为O。
[0018]N位宽乘法器为主乘法器，K位宽乘法器为辅乘法器，K位宽乘法器和N位宽乘法器为MIMO检测器系统自带的乘法器。
[0019]N 为 16，K 为 8。
[0020]本发明的有益效果:
[0021]1、本发明通过动态定标和自适应有效位提取降低了三模冗余设计中两模的数据位位宽，并对三模冗余比较器补偿和修正来降低误差，大大降低了资源占用率，也降低了星载MMO检测中乘法运算的复杂度，是一种低开销抗的抗辐射技术。与传统三模冗余设计相t匕，本发明仅有较小的误比特性能损失，并且提升了抗SEU性能，因此基于本发明的综合性能最好，更适用于星载平台。此外，本发明具有一定的通用性，可运用于其他含有大量数乘的星载平台。
[0022]2、本发明的动态定标中，除符号位以外动态提取有效数据位的高K-1位作为降精度乘法器的输入，其数据位位宽可根据MMO检测系统对误比特率的要求和星载芯片资源情况综合选择。
[0023]3、本发明的三模冗余比较中，可根据降低精度的实际大小，动态调整其比较范围，由于误差范围只能影响到m+q+Ι位，因此，只需比较+1或+0的情况。
(四)、【专利附图】
【附图说明】:
[0024]图1为单星多极化MMO系统示意图；
[0025]图2为抗单粒子翻转MIMO检测算法中乘法器的实现方法示意图；
[0026]图3为基于星载MIMO检测的抗辐射乘法器的设计方法的示意图；
[0027]图4为最大误差范围不意图；
[0028]图5为MIMO检测算法误比特性能随SNR变化曲线示意图；
[0029]图6为乘法器理论资源占用增加率示意图；
[0030]图7为MMO检测算法理论资源占用增加率示意图。
(五)、【具体实施方式】:
[0031]基于星载MIMO检测的抗辐射乘法器的设计方法具体为:
[0032]步骤1:对输入的两个N位宽的二进制数分别进行动态定标后形成两个K位宽的二进制数，其中，K〈N;
[0033]步骤2:将两个K位宽的二进制数作为一个K位宽乘法器的输入数据，同时，还将这两个K位宽的二进制数作为另一个K位宽乘法器的输入数据，将原来的两个N位宽的二进制数作为一个N位宽乘法器的输入数据；
[0034]步骤3:分别提取两个K位宽乘法器的输出数据的高K位形成两个K位数据，将N位宽乘法器的输出数据的符号位和有效数据位的高K-1位组成一个K位数据；然后，将这三个K位数据做三模冗余比较，并输出运算结果；
[0035]步骤4:如果N位宽乘法器发生单粒子翻转计算错误，则将K位宽乘法器的输出数据的最低位后面补N位O后作为整个抗辐射乘法器的输出数据；
[0036]如果N位乘法器没有受到单粒子影响计算正确，则将N位宽乘法器的输出数据作为整个抗辐射乘法器的输出数据。
[0037]步骤I中，动态定标的方法为:先对一个N位宽的二进制数进行移位搜索，判断数据的正负、查找最高有效数据位的位置，读取符号位和有效数据位的高K-1位；然后，将符号位和有效数据位的高K-1位组成一个K位宽的二进制数。
[0038]首先定义:从一个N位宽的二进制数的最左边开始数，第一个为I的位为标志位，标志位序号是指:从最左边开始数时，数到标志位时的序号；
[0039]两个N位宽的二进制数的标志位序号分别为m+1和q+Ι，动态定标分以下三种情况:
[0040]情况一:m ( N-K,并且q彡N-K时，将移位搜索到的符号位和有效数据位的高K_1位组成一个K位宽的二进制数；
[0041 ] 情况二:m彡N-K且q>N_K且m+q彡N时，或者q彡N-K且m>N_K且m+q彡N时，即被动态定标的两个N位宽的二进制数中有一个太小，导致该太小数据的有效数据位不够K位；这时，需向左移该太小数据的各位，使该太小数据的有效数据位数等于K，成为一个K位宽的二进制数；
[0042]在左移的过程中，如果该太小数据为正数，低位补入的数为0，如果该太小数据为负数，则低位补入的数为I ;
[0043]情况三:m>N-K，并且q>N_K时，动态定标后得到的K位宽的二进制数为O。
[0044]N位宽乘法器为主乘法器，K位宽乘法器为辅乘法器，K位宽乘法器和N位宽乘法器为MIMO检测器系统自带的乘法器。
[0045]N 为 16，K 为 8。
[0046]以上基于星载MMO检测的抗辐射乘法器的设计方法实施时需要以下前提:
[0047](I)单星多极化MIMO系统仿真环境的构造:
[0048]图1是单星多极化MMO系统示意图，其中卫星天线数量为1，但采用双极化方式，通道数为2，每个用户终端包含2根天线。假设信道为莱斯信道，信道噪声功率为σ2，系统调制方式为BPSK。
[0049](2)系统构造:
[0050]本发明为了更准确地测试本发明对系统误比特性能的影响，本发明模拟主乘法器发生单粒子翻转的情况下，分析降低精度后的乘法器的误差和对系统误比特性能影响。其抗SEU乘法器系统结构如图2所示。
[0051]图2中，输入二进制数据位宽为16bits，采用Qll定标方式，移位和存取都采用分布式RAM，三个乘法器调用Xilinx开发软件ISE中的软核。
[0052]假设误差率为 f (R’ 1； R’ 2，S1, S2)，其中 R’ = R^S1 >R' = R2&S2，当误差最大时 S1, S2必全为I, S1 = "11..S1..11"、S2 = "11..S2..11"误差率函数可表示为:
【权利要求】
1.一种基于星载MIMO检测的抗辐射乘法器的设计方法，其特征是: 步骤1:对输入的两个N位宽的二进制数分别进行动态定标后形成两个K位宽的二进制数，其中，Κ〈Ν; 步骤2:将两个K位宽的二进制数作为一个K位宽乘法器的输入数据，同时，还将这两个K位宽的二进制数作为另一个K位宽乘法器的输入数据，将原来的两个N位宽的二进制数作为一个N位宽乘法器的输入数据； 步骤3:分别提取两个K位宽乘法器的输出数据的高K位形成两个K位数据，将N位宽乘法器的输出数据的符号位和有效数据位的高K-1位组成一个K位数据；然后，将这三个K位数据做三模冗余比较，并输出运算结果； 步骤4:如果N位宽乘法器计算错误，则将K位宽乘法器的输出数据的最低位后面补N位O后作为整个抗辐射乘法器的输出数据； 如果N位乘法器计算正确，则将N位宽乘法器的输出数据作为整个抗辐射乘法器的输出数据。
2.根据权利要求1所述的基于星载MMO检测的抗辐射乘法器的设计方法，其特征是:所述步骤I中，动态定标的方法为:先对一个N位宽的二进制数进行移位搜索，判断数据的正负、查找最高有效数据位的位置，读取符号位和有效数据位的高K-1位；然后，将符号位和有效数据位的高K-1位组成一个K位宽的二进制数。
3.根据权利要求2所述的基于星载MIMO检测的抗辐射乘法器的设计方法，其特征是:首先定义:从一个N位宽的二进制数的最左边开始数，第一个为I的位为标志位，标志位序号是指:从最左边开始数时，数到标志位时的序号； 所述两个N位宽的二进制数的标志位序号分别为m+1和q+Ι，动态定标分以下三种情况: 情况一:m ( N-K,并且q < N-K时，将移位搜索到的符号位和有效数据位的高K_1位组成一个K位宽的二进制数； 情况二:m ( N-K且q>N_K且m+q彡N时，或者q彡N-K且m>N_K且m+q彡N时，即被动态定标的两个N位宽的二进制数中有一个太小，导致该太小数据的有效数据位不够K位；这时，需向左移该太小数据的各位，使该太小数据的有效数据位数等于K，成为一个K位宽的二进制数； 在左移的过程中，如果该太小数据为正数，低位补入的数为0，如果该太小数据为负数，则低位补入的数为I ; 情况三:m>N-K，并且q>N_K时，动态定标后得到的K位宽的二进制数为O。
4.根据权利要求1所述的基于星载MIMO检测的抗辐射乘法器的设计方法，其特征是:所述N位宽乘法器为主乘法器，K位宽乘法器为辅乘法器，K位宽乘法器和N位宽乘法器为MIMO检测器系统自带的乘法器。
5.根据权利要求1所述的基于星载MIMO检测的抗辐射乘法器的设计方法，其特征是:所述N为16，K为8。
【文档编号】G06F7/523GK104133655SQ201410329426
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】王大鸣, 王建辉, 崔维嘉, 杨旭辉, 高山, 王俊飞 申请人:中国人民解放军信息工程大学