CN109870608B - 一种基于cpu+gpu架构的数字荧光频谱分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于CPU+GPU架构的数字荧光频谱分析方法，属于信号分析领域，本发明实现了实时的数字荧光频谱分析，脱离了对硬件数字处理设备的依赖，使得数据分析变得更加灵活，而且GPU作为PC电脑的一种通用设备，价格相对较低，降低了实时频谱分析仪的成本；本发明将大量数据的DFT计算交由GPU进行，计算能力仅依赖于GPU的核心数量，不管是自身需求升级，还是技术进步带来的设备更新，都只需更换GPU设备，算法不需要做很大改动；而且目前市场上的GPU设备接口均为标准的PCIE接口，升级简单，更进一步的降低了整个解决方案的成本。

Description

一种基于CPU+GPU架构的数字荧光频谱分析方法
技术领域
本发明属于信号分析领域，具体涉及一种基于CPU+GPU架构的数字荧光频谱分析方法。
背景技术
近年来，新一代雷达或无线通信系统均采用了各种复杂的射频技术来改善系统性能、优化频谱利用率，这些技术包括高码率、脉冲调制、扩频、跳频、自适应调制等。各种复杂技术的运用不可避免的造成这些系统中产生新的失真和干扰，包括瞬态杂散、突发干扰、频率漂移等，这给信号的监测和分析带来了新的挑战。结合FFT技术组成的实时频谱分析显示技术，数字荧光频谱分析技术可以在短时间内通过高速DFT运算累积数以万计的频谱图，累积效果用直观的位图颜色显示，将快速的、隐秘的信号变化过程展现出来，使用数字荧光频谱分析技术，能够查看以前从不知道的RF信号里存在的不稳定性和瞬变。
现有的技术方案主要是采用DSP或者FPGA来进行频谱图的运算与累加统计的。
该技术的一次采样处理流程如图1所示：
前端设备采集到的数据送入硬件数字处理设备(DSP或者FPGA)当中，根据传入的数据参数，硬件数字处理设备采用流水线的方式顺序的对传入的数据进行计算与统计，最后将统计结果转化为数字荧光频谱图并显示出来。
现有技术方案基于硬件数字处理设备(DSP或者FPGA)架构，成本很高、可移植性差，外围电路十分复杂，元器件价格高昂，算法的计算能力基于硬件数字处理设备本身，当数据计算量要求升级之后，如果硬件设备的数字处理能力不能满足升级后的计算需求，只能重新选型并重新设计外围电路，升级困难。而且硬件数字处理设备本身自身的升级也会带来相同的问题，变相增加了整体设备的成本。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于CPU(CentralProcessing Unit，中央处理器)+GPU(Graphic Processing Unit，图形处理器)架构的数字荧光频谱分析方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于CPU+GPU架构的数字荧光频谱分析方法，包括如下步骤：
步骤1：通过CPU，将N次采样数据传输至GPU的显存中；
步骤2：根据GPU中的流处理器核心数量，将N次采样数据分为M组；
步骤3：通过GPU中的流处理器，对M组N次采样数据进行并行计算；
步骤4：通过CPU，将数字荧光频谱图的分辨率以及起始终止参数传输至GPU的显存中，在显存内生成像素缓冲区；
步骤5：通过GPU，将步骤3中的计算结果的各点映射到步骤4中的像素缓冲区内的相应位置，映射结果为二维数组；
步骤6：将像素缓冲区内的二维数组由GPU拷贝到CPU，在CPU的图像统计区内，将得到的所有二维数组数据进行累加，获得N次采样数据的统计结果；
步骤7：根据用户设置的多种颜色映射参数，通过CPU进行颜色的转换，将统计到的N次采样数据转化为数字荧光频谱图后输出；
步骤8：通过步骤1-7，获得一帧数字荧光频谱图；
步骤9：重复步骤1-步骤8，获得整个数字荧光频谱图。
本发明所带来的有益技术效果：
本发明提出一种基于CPU+GPU架构的数字荧光频谱分析方法，GPU负责对传入的大量数据进行频谱运算与统计；CPU负责逻辑性比较强的事务性运算，如颜色映射、逻辑判断与执行等，将GPU的最终计算结果映射为数字荧光频谱图。实现了实时的数字荧光频谱分析，脱离了对硬件数字处理设备的依赖，使得数据分析变得更加灵活，而且GPU作为PC电脑的一种通用设备，价格相对较低，降低了实时频谱分析仪的成本；本发明将大量数据的DFT计算交由GPU进行，计算能力仅依赖于GPU的核心数量，不管是自身需求升级，还是技术进步带来的设备更新，都只需更换GPU设备，算法不需要做很大改动；而且目前市场上的GPU设备接口均为标准的PCIE接口，升级简单，更进一步的降低了整个解决方案的成本。
附图说明
图1为采用DSP或者FPGA来进行数字荧光频谱分析的流程图。
图2为本发明方法的流程图。
图3为GPU的结构图。
图4为频谱统计过程示意图。
图5为CPU与GPU并行计算过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
本发明提出一种基于CPU+GPU异构并行计算的数字荧光分析方法，GPU负责对传入的大量数据进行运算与统计；CPU负责逻辑性比较强的事务性运算，如颜色映射、逻辑判断与执行等，将GPU的最终计算结果映射为数字荧光频谱图。一帧由N次采样结果组成的数字荧光频谱图的实现过程如图2所示：
步骤1：通过CPU，将N次采样数据传输至GPU的显存中；
步骤2：根据GPU中的流处理器核心数量，如图3所示，将N次采样数据分为M组；
其中，M为GPU的流处理器核心数量；
步骤3：通过GPU中的流处理器，对M组N次采样数据进行并行计算；
步骤4：通过CPU，将数字荧光频谱图的分辨率以及起始终止参数传输至GPU的显存中，在显存内生成像素缓冲区；
步骤5：通过GPU，将步骤3中的计算结果的各点映射到步骤4中的像素缓冲区内的相应位置，映射结果为二维数组；如图4所示，
步骤6：将像素缓冲区内的二维数组由GPU拷贝到CPU，在CPU的图像统计区内，将得到的所有二维数组数据进行累加，获得N次采样数据的统计结果；
步骤7：根据用户设置的多种颜色映射参数，通过CPU进行颜色的转换，将统计到的N次采样数据转化为数字荧光频谱图后输出；
通过以上步骤我们即可获得1帧数字荧光频谱图。如图5所示，在CPU进行后期的颜色映射计算时，GPU可以同时进行下一帧的数字荧光频谱图的数据处理，这样我们可以连续不断地实现整个数字荧光频谱图的实时输出。
随着技术的发展，当GPU设备不能满足我们的计算能力需求时，我们只需要更换GPU，并修改GPU部分的算法，便能够完成整个分析能力的升级。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于CPU+GPU架构的数字荧光频谱分析方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：通过CPU，将N次采样数据传输至GPU的显存中；
步骤2：根据GPU中的流处理器核心数量，将N次采样数据分为M组；
步骤3：通过GPU中的流处理器，对M组N次采样数据进行并行计算；
步骤4：通过CPU，将数字荧光频谱图的分辨率以及起始终止参数传输至GPU的显存中，在显存内生成像素缓冲区；
步骤5：通过GPU，将步骤3中的计算结果的各点映射到步骤4中的像素缓冲区内的相应位置，映射结果为二维数组；
步骤6：将像素缓冲区内的二维数组由GPU拷贝到CPU，在CPU的图像统计区内，将得到的所有二维数组数据进行累加，获得N次采样数据的统计结果；
步骤7：根据用户设置的多种颜色映射参数，通过CPU进行颜色的转换，将统计到的N次采样数据转化为数字荧光频谱图后输出；
步骤8：通过步骤1-7，获得一帧数字荧光频谱图；
步骤9：重复步骤1-步骤8，获得整个数字荧光频谱图。
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