title: Sparse Bayesian learning for directions of arrival on an FPGA
Creators: name: Groll, Herbert
Publisher: name: TU Wien
Year: 2017
Subjects: subject: SBL
subject: sparsity
subject: machine learning
subject: DOA estimation

description: Ein Schätzer für Richtungserkennung basierend auf sparse Bayesian learning (SBL) wird prototypisch in Festpunktarithmetik auf einer FPGA-Plattform implementiert. Dabei wird gleichzeitig die Methodik der Hardware-Synthese durch Hochsprachen (HLS) angewendet um mittels C++ Programmiersprache eine Spezi kation für ein Modell der digitalen integrierten Schaltung zu erstellen. Diese Abstraktion erlaubt es einerseits, nicht relevanten Implementierungsaufwand zu automatisieren und andererseits, Entwürfe eines Prototyps schnell mittels bekannter computerunterstützte Entwicklungsumgebungen der Numerik zu veri zieren. Die Modellierung des Schätzers erfolgt durch ein Vereinfachen und Umsetzen der Gleichungen des Algorithmus in arithmetische Operationen. Diese werden mit bedacht auf den Signal uss der digitalen integrierten Schaltung und des iterativen Charakters des Algorithmus entwickelt. Die dabei benötigten Aspekte werden für das verwendete HLS Softwarepaket, Vivado HLS, hervorgehoben. Darunter fallen die Festpunktdatentypen, die Anbindung mehrerer aufgeteilter Module und spezielle Modellierungsarten. Die prototypische Implementierung wird diskutiert. Ein Steuermodul für den Ablauf stellt die nebenläufige Berechnung durch die Module sicher, um von der parallelen FPGA-Architektur zu profitieren. Verschiedene Annahmen bezüglich der benutzten Wortlängen werden untersucht. Danach wird der Ressourcenverbrauch, die Latenz und der erwartete Leistungsverbrauch ermittelt. Abschließend wird ein representatives Szenario für die Richtungsschätzung simuliert. Der Prototyp des in Festpunktarithmetik implementierten Schätzers am FPGA wird mit einer Referenzimplementierung in Gleitpunktarithmetik verglichen. Die vorgestellte Implementierung erreicht hierbei eine gute Übereinstimmung.
description: A directions of arrival (DOA) estimator based on sparse Bayesian learning (SBL) is implemented as a xed-point prototype for an FPGA platform. The prototype is developed mainly using high-level synthesis (HLS) of C++ based model specifications. Prototyping possibilities are explored for incremental veri cation with well known computing environments. For modeling, the equations of the algorithm are reduced to arithmetic operations considering the signal ow within the iterative structure. The relevant as- pects of the used HLS tool, Vivado HLS, concerning fixed-point data types, methods for creating hierarchical designs, and specific modeling techniques are discussed. The prototype is presented in detail. Scheduling of each module is done as soon as possible to make use of the parallel FPGA architecture. Different xed-point word length assumptions are explained and implementation results are shown in terms of resources, latency, and power consumption estimates. Finally, a representative DOA source example is simulated and tested with the imple- mented prototype hardware in the loop. The comparison with a floating-point reference implementation is found to have good agreement with the fixed-point implementation.