一种基于CNN的混叠光谱解调算法及FPGA实现
CSTR:
作者:
作者单位:

(北京信息科技大学 1. 光电测试技术及仪器教育部重点实验室, 北京 100192;2. 光纤传感与系统北京实验室, 北京 100016;3. 广州南沙光子感知技术研究院, 广州 511462)

作者简介:

任嘉楠(1999-),男,安徽省亳州市人,硕士研究生,主要研究方向为FPGA硬件设计和光电数字信号处理;

通讯作者:

中图分类号:

TN791

基金项目:


CNN-based Overlapping Spectral Demodulation Algorithm and Its FPGA Implementation
Author:
Affiliation:

(1. Key Laboratory of the Ministry of Education for Optoelectronic Measurement Technology and Instrument, Beijing 100192, CHN;2. Beijing Laboratory of Optical Fiber Sensing and System, Beijing Information Science & Technology University, Beijing 100016, CHN;3. Guangzhou Nansha Intelligent Photonic Sensing Research Institute, Guangzhou 511462, CHN)

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    摘要:

    为了解决光纤布拉格光栅(FBG)传感网络的光谱信号混叠问题,基于现场可编程门阵列(FPGA)提出了一种利用卷积神经网络(CNN)模型的混叠光谱信号解调算法,并对其进行硬件实现与加速。通过对模型参数进行定点数量化,压缩网络模型的存储空间,提高 FPGA中DSP资源的利用率;利用循环展开和数组重排等硬件优化方法,提高了系统实时性,确定了算法的并行计算方案。研究结果表明,在100MHz的时钟下,测试集解调精度为1.19pm,推理速度为每帧14.96μs,光谱解调速率为60kHz,对于FBG混叠光谱信号解调具有较高的精度和速率。

    Abstract:

    To solve the spectral signal overlapping problem in fiber Bragg grating (FBG) sensing networks, this study proposes a spectral signal demodulation algorithm using a convolutional neural network model based on a field-programmable gate array (FPGA) and implements it in hardware for acceleration. The models parameters are quantized to a fixed-point representation, reducing the storage space of the model and enhancing the utilization of DSP resources in the FPGA. Hardware optimization techniques such as loop unrolling and array rearrangement are employed to improve real-time system performance, establishing a parallel computing scheme for the algorithm. The results indicate that under a clock frequency of 100MHz, the demodulation accuracy of the test set is 1.19pm at an inference speed of 14.96μs per frame and a spectral demodulation rate of 60kHz. The proposed algorithm exhibits high precision and speed in the demodulation of overlapped FBG spectral signals.

    参考文献
    相似文献
    引证文献
引用本文

任嘉楠,焦点,杨铎,徐春锋,辛璟焘.一种基于CNN的混叠光谱解调算法及FPGA实现[J].半导体光电,2024,45(2):295-302. REN Jianan, JIAO Dian, YANG Duo, XU Chunfeng, XIN Jingtao. CNN-based Overlapping Spectral Demodulation Algorithm and Its FPGA Implementation[J].,2024,45(2):295-302.

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  • 收稿日期:2023-11-12
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  • 在线发布日期: 2024-05-14
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