基于向量矩阵乘法器的光学数字信号处理系统的研究

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1、博士学位论文密级：(公开)垂王回量矩睦丞选墨曲光堂数室篮曼处堡丕统的班宜作者姓名：庄注注指导教师；扬挂班窥虽空国型堂院坐昱佳研究匮学位类别：王堂蝗±学科专业：微电王堂皇固焦电王堂研究所：虫国科堂隆坐昱佳班究压2013年05月学一大搬院学科国hr固ByYangyangLuADissertation／ThesisSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofEngineeringInstituteofSemiconducto

2、rs，CASMay,2013独创性说明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特另tlgi以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得中国科学研究院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解中科院半导体所有关保留、使用学位论文的规定，即：所内有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；所内可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的论文

3、在解密后应遵循此规定)签名：导师签名：日期：摘要随着雷达、声纳、图像、语音等信息处理相关领域的不断发展，需要处理的信息越来越庞大，并且对实时性的要求越来越高。传统的电学技术由于其固有的瓶颈(如信号传输串扰、高功耗等)逐渐不能满足对海量数据的实时性处理要求。而光学向量一矩阵乘法器作为一种利用光学方式进行向量一矩阵运算的光学系统，由于采用天然具有高带宽、高并行性的光学处理方式，有望突破现有的电学处理瓶颈，提升计算效率，特别适合海量数据处理中一些可转化为向量一矩阵乘法的运算，因此在海量数据处理领域极具潜力。本文在对光学向量矩阵乘法器基本理论模型深入研究和完善基础之上，设计开发了一套空间光学向量

4、一矩阵乘法器，并且围绕该光核心运算模块构建了一套功能完善可独立工作的光学数字信号处理系统。主要完成的工作成果和创新点如下：(1)设计了光学向量一矩阵乘法器的光束拉伸和压缩汇聚结构，并对其进仁J她Oe,量分析和数值仿真，采用光学追迹方法进行了光学系统的设计，完成了光学向量一矩阵乘法器光学结构的加工、装调和测试。所研制的向量一矩阵乘法器光核心单元能够正确的完成光强的向量矩阵乘法运算。(2)研究前端数据分割和后端数据整合的方法，结合时域倍频，提出光学向量一矩阵乘法器的预处理和后处理算法。提出了用于光学向量一矩阵乘法器数据加载和运算结果信息提取及后处理的高速并行海量数据处理系统构架，建立了光学数

5、字信号处理实验样机的系统结构。(3)采用ARM9内核的MCU作为主控制器，结合FPGA器件、10扩展器件，研制了激光光源主控系统，通过其承载激光器驱动子模块，形成了1×16激光光源的驱动和控制体系；将探测器的光电跨阻放大部分单独封装，二级放大、AD采集、FPGA后处理结构形成标准CPCI板卡，完成1×16探测器信息的提取和后处理。(4)针对目标光学数字信号处理系统的精度要求，创新性的采用分立激光器与光纤阵列耦合的方式设计并构建了一套16通路激光光源信息加载驱动系统，并提出了白适应校正算法，解决了激光器阵列间由于激光器个体之间性能的差异而导致的输入向量一输出光强曲线的不一致性问题，保证了光

6、学向量矩阵卢洋洋：基于向量矩阵乘法器的光学数字信号处理的系统乘法器(OV删)数据加载的线性一致性，完成了向量一矩阵乘法器的激励光源信号的动态加载。(5)研制出用于海量数据处理的并行、高速光学数字信号处理系统原理样机，实验证明该样机可以实现每秒三千万次1×16向量与16×16矩阵的乘法运算，即7．68GMAC／s的数据吞吐率。关键词：光计算、向量一矩阵乘法器、光学数字信号处理系统、数据加载、数据提取、自校正AbstractWiththedevelopmentofinformationprocessingfieldssuchasradarsonarsignalprocessing，image

7、processing，speechanalysis，quantityoftheinformationneededtodealisever-growing．Becauseofitsbottleneck(suchascrossingtalkandhighpowerdissipation)，traditionalelectronictechnologiescanhardlybeabletomeetthereal-timeprocessin