Implementation of two-dimensional discrete ambiguity distributions on fpga hardware computational structures

Abstract

This project presents an approach for the implementation of digital signal processing algorithms on hardware computational structures. The implementation of Discrete Ambiguity Distributions in two dimensions using FPGA (Field Programmable Gate English Array) is shown as a particular case. This work seeks to understand the different approaches that can be followed in implementing signal processing algorithms which can be classified into software implementations, hard- ware implementations or a combination of both. First, an implementation of hard- ware/software of a signal generator that uses a digital signal processor is described. Next, an implementation that combines hardware/software on an FPGA to calculate the ambiguity function is shown. Both hardware/software implementations are us- ing the hardware as a component hardware-in-the-loop into the computational cycle to accelerate the processing. Through the use of operators and Kronecker algebra, the ambiguity function can be expressed with a matrix structure that facilitates the implementation in hardware structures and presents an environment for the analysis, design, implementation, and modification of certain class of signal processing algorithms using an integrated hardware/software approach. This approach consists in five fundamental stages: 1) Signal processing algorithm development using the numeric computation software packag Matlab®; 2) Formulation of signal processing algorithms in Simulink® ; 3) Algorithms implementation using System Generator for DSPTM; 4) Field Programmable Gate Array (FPGA) algorithm simulation and emulation; 5) Signal processing algorithm validation through Matlab.

Este trabajo presenta un enfoque hacia la implementación algoritmos de procesamiento digital de señales en estructuras computacionales de hardware. Se toma como caso particular la implementación de Distribuciones de Ambiguedad Discreta en dos dimensiones usando FPGA (del inglés Field Programmable Gate Array). Se busca entender los diferentes enfoques que se pueden seguir en la implementación de algoritmos de procesamiento de señales, los cuales se pueden clasificar en implementaciones de software, hardware o la combinación de ambos. Primero se presenta una implementación sobre hardware/software de un generador de señales que usa un procesador digital de señales. Luego se muestra una implementación que combina hardware/software sobre un FPGA que calcula la función de ambiguedad. Ambas implementaciones hardware/software usan el hardware como un componente dentro del ciclo de computación para acelerar el procesamiento (lo que se denomina en inglés como hardware-in-the-loop). A través del uso de operadores y apoyados en algebra de Kronecker podemos expresar la función de ambiguedad con una estructura matricial que facilita la implementación en estructuras de hardware lo que nos presenta un entorno para el análisis, diseño, implementación y modificación de ciertas clases de algoritmos de procesamiento de señales usando un enfoque integrado hardware/software. Este enfoque consiste de cinco pasos fundamentales: 1) Desar- rollo del algoritmo de procesamiento de señales usando el paquete de software de computación numérica Matlab®; 2) Formulación usando Simulink® de los algoritmos de procesamiento de señales; 3) Implementación del algoritmo usando System Generator for DSPTM; 4) Simulación y emulación del algoritmo sobre el FPGS; 5) Validación del algoritmo de procesamiento de señales a traves de Matlab.