CN105577229B - Cpu辅助gpu实现扩频信号快速捕获方法 - Google Patents

Cpu辅助gpu实现扩频信号快速捕获方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用CPU辅助GPU实现扩频信号快速捕获方法，旨在提供一种高计算效率和快速捕获方法。本发明通过下述技术方案予以实现：主线程依照PN码相位搜索点数L、频率开槽数M、捕获数据长度N，以及频率槽对应载波多普勒分别产生N×M与(N‑L)×M个本地载波与PN码信号，在捕获线程启动前拷贝到GPU中；捕获线程在GPU上首先执行N点并行下变频操作，接着并行地在L个PN码相位上依次执行PN码解扩、累加、平方、K点FFT、取模运算得到L×K个FFT数据，最后捕获线程搜索这L×K个数据的峰值以及峰值下标并拷贝到主线程。主线程依照每个频率槽的峰值下标计算出PN码相位与载波多普勒频偏，将峰值最大频率槽对应的PN码相位与载波多普勒频偏值作为捕获结果输出。

Description

CPU辅助GPU实现扩频信号快速捕获方法
技术领域
本发明涉及航天测控通信技术领域，具体为一种利用CPU辅助图形处理器GPU实现扩频信号快速捕获方法。
背景技术
扩频测控体制由于其具有安全保密性好、抗干扰能力强、测距精度高、支持多星测控等优点，在卫星测控领域得到了广泛运用。现有的扩频测控信号接收机主要的开发平台是以现场可编程门阵列FPGA及数字信号处理器DSP为代表的专用硬件设备。其优点是处理速度快,但是成本较高,且一旦设计成型后兼容性与可配置性较差，限制了其使用的灵活性。近年来随着通用处理器在计算速度、总线带宽、低时延控制和并行计算等方面处理能力不断提高，使得采用高性能计算平台对扩频信号进行软件解调成为了可能。针对扩频测控体制设计的软件接收机利用高性能服务器平台，按照不同的需求以软件信号处理可重构的方式实现信号解调、测距、测速等功能的集成。与现有基于专用硬件平台开发的硬件接收机相比，扩频测控体制软件接收机在功能的可扩展性、开发的成本、周期、可靠性、效率等方面更具优势；此外借助于高性能服务器日益增长的计算能力，扩频测控体制软件接收机可为测控新体制的验证提供良好的仿真验证平台。
扩频基带信号处理流程中首先需要完成扩频码相位、载波频偏等参数的捕获，获得这些初始同步参数后，接收机才能进行后续的跟踪、解调以及距离、速度测量，捕获算法的性能在很大程度上决定了扩频接收机的性能。对于扩频软件接收机而言，快速扩频信号捕获是实现实时软件接收机的前提条件。在扩频体制软件接收机中，捕获所用数据通常基于某段时间内采集到的数据块,如果软件接收机实时工作,采集设备采集到的数据在捕获模块工作时不断被写入计算机缓存。如果捕获时间过长，一方面在捕获处理时间段内采集数据会占用较多的计算机内存，容易导致计算机内存泄露；另一方面，在捕获处理时间段内采集到的大量数据对后端解调线程带来了较大的处理负担，如果后端解调线程无法及时处理这些数据，可能会导致软件实时解调功能失效。
目前，在通用计算机平台上实现的扩频软件接收机大部分利用CPU进行扩频信号捕获操作。信号的捕获过程本质上是载波频率和PN码相位的二维搜索过程，包含大量的并行计算过程。而CPU为优化串行代码设计，将大量的晶体管用于控制和缓存等非计算功能上，因此这种实施方式并行计算能力弱，由此导致了捕获时间较长；另一方面，由于卫星运动的动态较大会导致接收信号上存在较大的载波多普勒，需要在频域上划分较多的频率槽，进一步加剧了信号捕获算法的计算复杂度。
发明内容
本发明针对现有技术在通用计算机平台上串行实现的扩频体制测控信号捕获速度慢的缺点，提供一种移植性好,灵活性较高，能够提升计算效率，并有效提高扩频信号捕获速度，CPU辅助GPU实现的扩频信号快速捕获方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种扩频信号快速捕获方法，在特征在于包括如下步骤：捕获线程启动前，主线程在中央处理器CPU上产生本地载波与伪随机PN码信号；主线程依照伪随机PN码相位搜索点数L、频率开槽数M、捕获数据长度N，以及对应频率槽上的载波多普勒分别产生N×M与(N-L)×M个本地载波与PN码信号，并通过PCIE总线拷贝到图形处理器GPU显存中；捕获线程在GPU上执行载波多普勒与PN码相位二维搜索操作，当捕获线程启动时，主线程将采集设备上报的N点零中频复信号拷贝到GPU显存中，接着，捕获线程在GPU中依照频率槽的顺序进行L点PN码相位并行搜索操作；在每个频率槽上，捕获线程首先在GPU上并行执行采集数据N点数字下变频操作，随后捕获线程对数字下变频后的数据并行地在L个PN码相位上依次执行PN码解扩、相干累加、取平方、K点快速傅氏变换FFT以及取模运算后得到L×K个FFT数据，捕获线程搜索这L×K个数据中的峰值以及峰值下标并将其拷贝到主线程；主线程在CPU上依照捕获线程输出的FFT信号峰值下标完成载波多普勒与PN码相位计算，主线程在CPU串行搜索每个频率槽对应峰值的最大值，将峰值最大频率槽对应的PN码相位与载波多普勒频偏值作为捕获结果输出。
本发明相比现有技术具有如下有益效果：
有效提高了扩频信号捕获速度。本发明在提升扩频信号捕获速度方面，充分利用了CPU与GPU中内存资源丰富、PCIE总线传输速率高的特点，将传统方法中在GPU上实现的产生本地载波与PN码信号操作前移到CPU中实现。在捕获线程启动前即在CPU利用查表法产生好本地载波与PN码信号，并拷贝到GPU显存中。这种空间换时间方式优化了捕获流程，消除了捕获线程中产生本地载波与PN码信号所需的数学运算。有效提高了扩频信号捕获速度。
提升了计算效率。本发明充分利用GPU与CPU在并行计算与逻辑判断上的优势，合理地在CPU与GPU上分配了计算工作。PN码相位与载波多普勒二维搜索过程中包含大计算量的数字下变频、解扩、取平方、FFT以及最大值搜索等并行操作，将这些运算安排在GPU中实现。而当GPU完成二维搜索后，所需计算量大幅度降低，但在计算载波多普勒时需要进行逻辑判断，将这些运算安排在CPU中实现。通过这种安排方式，充分利用GPU与CPU的优势，提升了计算效率。
移植性好，灵活性较高。本发明只需在计算机上扩展一块支持CUDA架构的显卡即可满足硬件要求，无需设计开发专门的硬件设备,整个程序全部采用高级语言方式进行开发，捕获过程中所需的PN码相位搜索点数L、频率开槽数M、捕获数据长度N、FFT点数K均可通过软件灵活配置，适应了不同信息与扩频速率条件下快速扩频码捕获参数调整的要求。
本发明还可以应用于卫星通信、卫星导航等系统软件接收机中。
附图说明
图1是本发明对应的扩频信号快速捕获方法组成示意图。
图2是本发明本地PN码信号产生器组成图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
参阅图1，在以下描述的实施例中，本发明所述CPU辅助GPU实现扩频信号快速捕获方法，包括三个步骤：主线程在CPU上产生本地载波与PN码信号，捕获线程在GPU上实现载波多普勒与PN码相位二维搜索，主线程在CPU上依照捕获线程输出的FFT信号峰值及峰值下标完成载波多普勒与PN码相位计算。捕获线程启动前，主线程在CPU上产生本地载波与PN码信号。主线程依照PN码相位搜索点数L、频率开槽数M、捕获数据长度N，以及对应频率槽上的载波多普勒分别产生N×M与(N-L)×M个本地载波与PN码信号，并通过PCIE总线拷贝到GPU显存中。捕获线程在GPU上执行载波多普勒与PN码相位二维搜索操作。当捕获线程启动时，主线程将采集设备上报的N点零中频复信号拷贝到GPU显存中；接着，捕获线程在GPU中依照频率槽的顺序进行L点PN码相位并行搜索操作；在每个频率槽上，捕获线程首先在GPU上并行执行采集数据N点数字下变频操作，随后捕获线程对数字下变频后的数据并行地在L个PN码相位上依次执行PN码解扩、相干累加、取平方、K点FFT以及取模运算后得到L×K个FFT数据，捕获线程搜索这L×K个数据中的峰值以及峰值下标并将其拷贝到主线程。主线程在CPU上依照捕获线程输出的FFT信号峰值下标完成载波多普勒与PN码相位计算，主线程在CPU串行搜索每个频率槽对应峰值的最大值，将峰值最大频率槽对应的PN码相位与载波多普勒频偏值作为捕获结果输出。
首先，主线程在捕获线程启动之前预先在CPU中依照PN码相位搜索点数L、频率开槽数M、捕获数据长度N以及对应频率槽上的载波多普勒分别产生N×M与(N-L)×M个本地载波与PN码信号。为提升计算速度，主线程采用查表方式产生本地载波与PN码信号，主线程利用扩频码速率Rc，第i个频率槽上对应的载波多普勒值fi，扩频信号中心载波频率f0，采样率Fs，计算出与第i个频率槽对应的PN码控制字FCWPN与载波频率控制字FCWcarrier分别为：
参阅图2，本地PN码信号产生流程为：主线程将第i个频率槽对应的PN码频率控制字转换为无符号32位整数类型，随着数据下标的增加不断累加得到一个无符号64位整数类型的累加变量，主线程对累加变量作右移32位操作并对PN码长取模运算，最后查表输出长度为N-L的PN码信号。本地载波信号产生流程为：主线程将第i个频率槽对应的载波频率控制字转换为无符号32位整数类型数据，并随着数据下标的增加不断累加得到一个无符号32位整数类型的累加变量，对累加变量作右移16位操作，查表输出长度为N的本地载波码信号。上述实现方式产生的本地PN码及载波信号避免了乘法运算，提高了计算效率。当捕获线程启动时，主线程将采集设备上报的N点零中频复信号拷贝到GPU显存中。
接着，捕获线程在GPU中依照频率槽的顺序进行L点PN码相位并行搜索。在每个频率槽上，捕获线程首先利用对应频率槽上的本地载波信号对采集卡上报的信号进行N点并行数字下变频操作，当N较小时捕获线程可直接生成N个线程完成上述操作；当N较大时，整个下变频操作分成若干个步骤实现，每个步骤并行实现一定数量的下变频操作。随后，捕获线程对下变频后的N点数据并行地在L个PN码相位上依次执行PN码解扩与相干累加操作，实现时在GPU中生成L个线程块，每个线程块分配K个线程的方式实现并行PN码解扩，K表示FFT点数。捕获线程利用捕获数据长度N，PN码相位搜索点数L，FFT点数K计算出第m个线程块上第n个线程所需的下变频数据下标集合值范围为从到自然数m及n的取值范围分别为0到L-1以及0到K-1,并行解扩所用的PN码数据为CPU中生成的对应频率槽上的N-L个本地PN码信号。
完成并行解扩后，在每个线程中将解扩后的个数据进行串行相干累加操作,并对累加后数据进行取平方操作以消除比特跳变。完成上述操作后得到L×K个数据，然后捕获线程调用CUDA中CUFFT函数实现L个K点FFT运算，最后，捕获线程在对CUFFT函数输出的L×K个FFT信号进行取模操作后，并行搜索这L×K个数据中的峰值及峰值下标并将其拷贝到主线程。
最后，主线程在CPU中依照每个频率槽的峰值下标计算出PN码相位与载波多普勒频偏值，主线程在CPU中依照第i个频率槽的峰值下标pi、第i个频率槽上对应的载波多普勒值fi，捕获数据长度N，PN码相位搜索点数L，FFT点数K、采样率Fs，计算出第i个频率槽对应的PN码相位ti与载波多普勒频偏PN码相位ti取值为：
式中表示下取整运算；
当峰值下标满足mod(pi，K)≥条件时,按照下式计算该频率槽上对应的载波多普勒：
式中mod(pi，K)表示峰值下标pi对K模运算；
当峰值下标pi满足mod(pi，K)＜K/2条件时，按照下式计算该频率槽上对应的载波多普勒
计算完每个频率槽对应的PN码相位与载波多普勒后，主线程搜索每个频率槽对应的峰值得到峰值最大的频率槽，将峰值最大频率槽对应的PN码相位与载波多普勒频偏值作为捕获结果输出。
以上实施方法与步骤仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照上述实施方法与步骤对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种扩频信号快速捕获方法，在特征在于包括如下步骤：捕获线程启动前，主线程在中央处理器CPU上产生本地载波与伪随机PN码信号；主线程依照伪随机PN码相位搜索点数L、频率开槽数M、捕获数据长度N，以及对应频率槽上的载波多普勒分别产生N×M与(N-L)×M个本地载波与PN码信号，并通过PCIE总线拷贝到图形处理器GPU显存中；主线程在CPU上采用查表方式产生本地载波与PN码信号，主线程利用扩频码速率Rc，第i个频率槽对应的载波多普勒值fi，扩频信号中心载波频率f0，采样率Fs，计算出与第i个频率槽对应的伪随机码频率控制字FCWPN与载波频率控制字FCWcarrier分别为：
<mrow> <msub> <mi>FCW</mi> <mrow> <mi>P</mi> <mi>N</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>R</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>i</mi> </msub> <mfrac> <msub> <mi>R</mi> <mi>c</mi> </msub> <msub> <mi>f</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>s</mi> </msub> </mfrac> <msup> <mn>2</mn> <mn>32</mn> </msup> </mrow>
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捕获线程在GPU上执行载波多普勒与PN码相位二维搜索操作，当捕获线程启动时，主线程将采集设备上报的N点零中频复信号拷贝到GPU显存中，接着，捕获线程在GPU中依照频率槽的顺序进行L点PN码相位并行搜索操作；在每个频率槽上，捕获线程首先在GPU上并行执行采集数据N点数字下变频操作，随后捕获线程对数字下变频后的数据并行地在L个PN码相位上依次执行PN码解扩、相干累加、取平方、K点快速傅氏变换FFT以及取模运算后得到L×K个FFT数据，捕获线程搜索这L×K个数据中的峰值以及峰值下标并将其拷贝到主线程；主线程在CPU上依照捕获线程输出的FFT信号峰值下标完成载波多普勒与PN码相位计算，主线程在CPU串行搜索每个频率槽对应峰值的最大值，将峰值最大频率槽对应的PN码相位与载波多普勒频偏值作为捕获结果输出。
2.按权利要求1所述的扩频信号快速捕获方法，其特征在于，在本地PN码信号产生流程中，主线程将第i个频率槽对应的PN码频率控制字转换为无符号32位整数类型数据，随着数据下标的增加不断累加得到一个无符号64位整数类型的累加变量，主线程对累加变量作右移32位操作并对PN码长取模运算，最后查表输出长度为N-L的PN码信号。
3.按权利要求1所述的扩频信号快速捕获方法，其特征在于，在本地载波信号产生流程中，主线程将第i个频率槽对应的载波频率控制字转换为无符号32位整数类型数据，随着数据下标的增加不断累加得到一个无符号32位整数类型的累加变量，对累加变量作右移16位操作，查表输出长度为N的本地载波信号。
4.按权利要求1所述的扩频信号快速捕获方法，其特征在于，捕获线程对下变频后的N点数据并行地在L个PN码相位上依次执行PN码解扩与相干累加操作，在GPU中生成L个线程块，每个线程块分配K个线程的方式实现并行PN码解扩：捕获线程利用捕获数据长度N，PN码相位搜索点数L，FFT点数K计算出第m个线程块上第n个线程所需的下变频数据下标集合取值范围从到自然数m及n的取值范围分别为0到L-1以及0到K-1，并行解扩所用的PN码数据为CPU中生成的对应频率槽上的N-L个本地PN码信号。
5.按权利要求4所述的扩频信号快速捕获方法，其特征在于，完成并行解扩后，在每个线程中将解扩后的个数据进行串行相干累加操作，并对累加后数据进行取平方操作，以消除比特跳变；完成上述操作后得到L×K个数据，然后捕获线程调用统一计算设备架构CUDA中CUFFT函数实现L个K点FFT运算，最后，捕获线程在对CUFFT函数输出的L×K个FFT信号进行取模操作后，并行搜索这L×K个数据中的峰值及峰值下标并将其拷贝到主线程。
6.按权利要求1所述的扩频信号快速捕获方法，其特征在于，主线程在CPU中依照第i个频率槽的峰值下标pi、第i个频率槽上对应的载波多普勒值fi，捕获数据长度N，PN码相位搜索点数L，FFT点数K、采样率Fs，计算出第i个频率槽对应的PN码相位ti与载波多普勒频偏分别为：
PN码相位ti取值为：
式中表示向下取整运算；
当峰值下标pi满足mod(pi，K)≥K/2K/2条件时，按照下式计算该频率槽上对应的载波多普勒
<mrow> <msub> <mover> <mi>f</mi> <mo>~</mo> </mover> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mi>mod</mi> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>p</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <mi>K</mi> </mrow> <mo>)</mo> <mo>-</mo> <mi>K</mi> <mo>)</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mi>L</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
式中mod(pi，K)表示峰值下标pi对K取模运算；
当峰值下标pi满足mod(pi，K)＜K/2条件时，按照下式计算该频率槽上对应的载波多普勒
<mrow> <msub> <mover> <mi>f</mi> <mo>~</mo> </mover> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mi>mod</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>p</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <mi>K</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mi>L</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
计算完每个频率槽对应的PN码相位与载波多普勒后，主线程搜索每个频率槽对应的峰值得到峰值最大的频率槽，将峰值最大频率槽对应的PN码相位与载波多普勒频偏值作为捕获结果输出。
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