Skip to main content
SUPERVISOR
Ehsan Yzdian,Seyedmasoud Sayedi
احسان یزدیان (استاد مشاور) سید مسعود سیدی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammad Fardad
محمد فرداد

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391

TITLE

Hardware Design of Real-Time Reconstruction for Compressive Sensing Systems
Recovery algorithms of compressively sampled data include solving a sparse approximation problem that requires iterative search or optimization techniques. Software implementations of these algorithms are not fast enough for real-time applications. In this research, two different hardware approaches are used to sample and then recover of sparse signals. For high sparse signals, orthogonal matching pursuit (OMP) recovery algorithm is implemented in the hardware using a deterministic measurement matrix. The construction of the matrix is based on the parity check matrix of LDPC codes. Cyclic and binary structure of this matrix leads to the lower computational complexity and hardware cost. For low sparse signals, a hardware architecture of iterative method with adaptive thresholding (IMAT) is presented to recover a sparse signal from its random samples. To demonstrate the effectiveness of IMAT, a comparison is performed between the IMAT algorithm and OMP algorithm, in terms of complexity and reconstruction quality. Since IMAT employs discrete transform in each iteration, two multiplication-free transforms, Walsh–Hadamard transform (WHT) and approximate DCT, are used to reduce computational complexity of its implementation. Both OMP and IMAT are implemented on Virtex6 FPGA and the results are reported in terms of hardware resource utilization, power consumption, and recovery time. Key words Compressive sensing, deterministic, measurement matrix, OMP, random sampling, IMAT.
حل مسأله‌ی تقریب تنک در الگوریتم‌های بازیابی حسگری فشرده، نیازمند جستجوی تکرار‌شونده یا روش‌های بهینه‌سازی است. در کاربردهایی با محاسبات برون‌خط، پیچیدگی محاسباتی این روش‌ها مشکلی ایجاد نمی‌کند اما، در صورت نیاز به پردازش بی‌درنگ در کاربردهایی با محدودیت منابع و انرژی، این مسأله چالش بزرگی محسوب می‌شود. در چنین شرایطی، طراحی سخت‌افزاری کارا برای پیاده‌سازی الگوریتم‌ بازیابی ضرورت دارد. در اغلب پیاده‌سازی‌ها‌ی قبلی، به‌کارگیری ماتریس اندازه‌گیری تصادفی منجر به مصرف منابع سخت‌افزاری زیاد و محاسبات بالا شده است. در این تحقیق، جهت کاهش مؤثر حجم محاسبات و سخت‌افزار، دو رهیافت مختلف برای نمونه‌برداری و سپس بازیابی سیگنال‌های خیلی تنک و سیگنال‌های کمتر تنک مورد استفاده قرار گرفته ‌است. برای سیگنال‌های خیلی تنک، الگوریتم پیگیری تطابق متعامد (OMP) با استفاده از یک ماتریس اندازه‌گیری معین پیاده‌سازی شده است. ساخت این ماتریس بر مبنای ماتریس بررسی توازن کدهای آزمون توازن کم چگال (LDPC) انجام گرفته و ماتریس، بی‌درنگ و بدون ذخیره‌سازیِ قابل توجه تولید می‌گردد. ساختار دودویی، تنک و چرخه‌ای این ماتریس منجر به پیچیدگی محاسباتی کمتر و سخت‌افزار بازیابی کوچک‌تر شده است. برای پیاده‌سازی بهینه‌ی الگوریتمOMP ، روش دورزدن معکوس ماتریس (MIB) برای حل مسأله‌ی‌‌ حداقل مربعات استفاده شده تا باعث کاهش وابستگی داده‌ها شود. نتایج پیاده‌سازی در FPGA نشان می‌دهد که ساختار پیشنهادی سخت‌افزار کمتری نسبت به کارهای مشابه مصرف می‌نماید. علاوه بر این، دقت سیگنال بازیابی شده قابل مقایسه با مواردی است که در آن‌ها ماتریس تصادفی به‌کار رفته است. با توجه به وابستگی تقریباً خطی پیچیدگی الگوریتم OMP با درجه‌ی تنک بودن سیگنال، این الگوریتم مناسب سیگنال‌های خیلی تنک است. برای سیگنال‌های کمتر تنک، نمونه‌برداری به‌صورت تصادفی و بازیابی با روش تکرارشونده با آستانه‌گذاری وفقی (IMAT) انجام شده است. در رابطه با بازیابی تصاویر، به‌عنوان نمونه‌ای از سیگنال‌های کمتر تنک، نتایج شبیه‌سازی مزایای IMAT را در بهبود کیفیت سیگنال بازیابی شده در مقایسه با OMP نشان می‌دهد. از آنجایی که IMAT در هر تکرار از تبدیل گسسته بهره می‌‌گیرد، استفاده از الگوریتم‌های سریع یا الگوریتم‌های تقریبی سریع منجر به پیاده‌سازی کاراتر این الگوریتم می‌شود. در این رساله، دو تبدیل والش-هادامارد (WHT) و تقریب تبدیل گسسته‌ی کسینوسی (ADCT) که هر دو فاقد عملگر ضرب هستند برای کاهش پیچیدگی محاسباتی پیاده‌سازی IMAT استفاده شده‌اند. نتایج پیاده‌سازی IMAT در FPGA با استفاده از دو تبدیل فوق نشان‌دهنده‌ی سخت افزار مصرفی پایین و کارایی بالای ساختار پیشنهادی است. واژه‌های کلیدی: حسگری فشرده، ماتریس اندازه‌گیری، بازیابی، OMP، IMAT، ماتریس معین، نمونه‌برداری تصادفی، سخت‌افزار.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی