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A7-基于FPGA的FFT算法并行优化

时间:2023-03-28 15:45:30

  第十二届中国软件杯大赛--A组赛题 

赛题名称:基于FPGA的FFT算法并行优化

组类:A组( 本科、研究生、高职)

出题企业:中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所

答疑邮箱:zxy670@163.com

本赛题解析视频:https://www.bilibili.com/video/BV14z4y1v7DE/

赛题简介:介绍整个赛题的实现目标、实用价值、涉及技术和整体要求

随着技术的迭代更新,某些军工领域的应用对数字信号处理的性能和实时性要求越来越高。为了提升数字信号处理性能和实时性,需在计算平台上对传统的数字信号处理算法进行并行优化。常见的计算平台有DSP、高性能CPU、GPU和现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)芯片。前两种平台的性能受限于指令流的数据处理方式和GPU性能的高功耗因而不适合星载、机载、弹载等场景。FPGA以其大规模、高集成度、高可靠性、高灵活性、低功耗、设计周期短等特性,逐渐成为数字信号处理算法并行优化实现的首选。

本赛题以应用广泛的快速傅里叶变换(Fast-Fourier Transform, FFT)算法为对象,发动参赛学生探索该算法的并行优化方法,提升算法性能和实时性,并以FPGA为计算平台进行算法仿真、验证和实现。

赛题业务场景:描述赛题相关的真实企业业务背景。从真实场景中,适当简化或者提炼出适合比赛的赛题场景

场景一:合成孔径雷达成像

距离多普勒、Chirp-Scaling、极坐标格式等具有代表性的合成孔径雷达成像算法均需使用FFT/IFFT实现雷达信号脉冲压缩,并对实时性要求较高,比如要求8192点FFT的处理时间为毫秒级,通信设备

场景二:数字通信

正交频分复用技术(OFDM)利用FFT/IFFT实现载波调制和解调。

场景三:频谱分析

在数字信号处理领域,FFT常被用于检测一个时域含噪声信号的频率分量。

基本功能要求

主办方提供1024点SDF(Single-path Delay Feedback)流水线结构FFT算法的FPGA实现代码和参考仿真实现环境,参赛学生以其为基线版本,进行FFT算法的并行优化,要求实现以下功能:

1、完成FFT算法的并行优化,提供FFT并行优化算法的理论推导或证明,要求算法具备可伸缩性;

2、选取一种FPGA设计方法或平台,比如高级综合(High-Level Synthesis, HLS)、MATLAB HDL Coder、Intel/Xilinx FPGA设计工具或国产FPGA设计工具,对1024点FFT并行算法进行功能仿真和实现,要求功能仿真无误、FPGA实现无报错,并且在相同时钟频率下,其性能比基线版本至少提升4倍;

非功能性要求

1、源码要求结构清晰,模块区分较为明确,提供便于读者阅读的源码指南,及项目使用文档。

2、不得调用FFT IP核;

3、提供功能仿真环境说明、模块功能测试激励、模块仿真截图。

4、提供功能仿真生成的VCD文件。

实现条件:开发环境、实验平台、开发语言、数据库、编译器、涉及硬件等实现条件

1、操作系统不限,可选Windows、Linux;

2、FPGA 设计仿真工具不限,可选Xilinx Vivado、Intel Quartus、Mentor Modelsim、MATLAB HDL Coder等,推荐使用国产FPGA 设计平台;

3、并行算法的FPGA实现语言不限,可选C、Verilog HDL或SystemVerilog,但无论哪种语言最终都要完成FPGA实现,推荐以Verilog HDL作为算法实现语言;

4、若使用了开源代码,请标注出处。

测试数据或平台:提供给参赛者的测试环境和测试数据

1、提供1024点SDF(Single-path Delay Feedback)流水线结构FFT算法的FPGA实现代码、参考仿真环境;

2、提供测试数据;

3、提供基线版本的性能参考数据。

数据下载:SDF_FFT_1.0(2).rar

开发所需设备及设备指标需求说明

1、推荐代码仿真使用主流配置(i5及以上)电脑即可;

2、内存大于8G;

3、鼓励使用国产FPGA仿真开发EDA工具。

文档及其他要求

1、文档规范、层次清晰、引文合理;

2、文档要包含算法原理、算法实现调研、架构设计、仿真方法、仿真结果、对比分析等内容。

各评分项及大致占比

  1. 1024点FFT并行算法的FPGA实现(总分60分)

  2. 并行算法优化前后加速比(总分20分)

  3. 并行算法的可伸缩性(总分10分)

  4. 技术文档质量(总分10分)

初赛作品提交要求

1、提供完整项目的源代码;
2、提交功能仿真环境说明、模块功能测试激励、模块仿真截图、功能仿真生成的VCD文件;
3、参赛者需制作项目展示的媒体文件,内容包括需求文档、设计文档、使用说明书,测试报告等开发文档;
4、演示视频(7分钟内);
5、不得作弊抄袭。

 【参赛团队作品中团队自主开发部分的软件作品著作权归参赛团队所有,其中具有市场应用及拓展的优秀作品,出题企业具有优先权,可以优先合作开发或者优先购买。另如基于该作品的任何合作升级开发、市场拓展等活动,以及在这一过程中所获得的任何商业费用,出题企业应与参赛团队协商解决。】

 

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