CN112213745A - 基于gpu的卫星上注接收处理机模拟器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器，包括数字信号处理单元，数字信号处理单元基于GPU进行高速运算，以完成数字基带信号层面的上行注入信号接收；前端连接一可调衰减器，可调衰减器用于维持导航卫星上注接收处理机模拟器的线性输出；导航卫星上注接收处理机模拟器还包括一零值监测通道，零值监测通道提供地面注入站对星上测距结果的修正；数字信号处理单元同时进行各含I、Q两路的A、B两个地面注入站信号加上1路本地零值信号共5路码分的扩频信号的解扩和跟踪；在GPU中采用流技术并行进行5个通道的并行捕获和跟踪，在CPU中实现信号的译码及伪距测量，以实现模拟器与使用DSP结合FPGA的架构的真实卫星的处理时延的一致性。
Description
技术领域
本发明涉及导航卫星地面仿真技术领域，特别涉及一种基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器。
背景技术
卫星模拟器用于代表空间段的状态开展导航全系统的试验验证任务。
上注接收处理机模拟器是卫星模拟器的重要组成部分之一，其主要功能是接收地面运控(运行控制验证分系统)发送的上行注入/星地时间同步信号并完成精密时间比对测量，将测量结果传回地面，用于星地双向时间同步；从上行注入信号中解调出导航信息及参数，并将信息及参数发送至导航任务处理机。
为确保试验结果的可信度，需卫星模拟器与真实卫星的关键技术指标一致，同时为方便开展各种新技术、新体制的试验验证任务又需要卫星模拟器具备灵活可配置的特点。传统的卫星上注接收处理机采用DSP结合FPGA的架构，该架构存在开发周期长、成本高、调试复杂、升级改造困难等缺点，因此不适合用做地面试验任务。如果采用基于CPU的软件接收机方案，则存在处理时延较大，不能真实模拟卫星的信息流处理时延。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器，以解决现有的导航卫星上注接收处理机模拟器灵活性差的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器，所述基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器包括数字信号处理单元，其中：
所述数字信号处理单元基于GPU进行高速运算，以完成数字基带信号层面的上行注入信号接收；
所述导航卫星上注接收处理机模拟器前端连接一可调衰减器，所述可调衰减器用于维持导航卫星上注接收处理机模拟器的线性输出；
所述导航卫星上注接收处理机模拟器还包括一零值监测通道，所述零值监测通道提供地面注入站对星上测距结果的修正；
所述数字信号处理单元同时进行各含I、Q两路的A、B两个地面注入站信号加上1路本地零值信号共5路码分的扩频信号的解扩和跟踪；
在GPU中采用流技术并行进行5个通道的并行捕获和跟踪，在CPU中实现信号的译码及伪距测量，以实现模拟器与使用DSP结合FPGA的架构的真实卫星的处理时延的一致性。
可选的，在所述的基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器中，所述导航卫星上注接收处理机模拟器包括模拟信号处理单元，其中：
所述模拟信号处理单元用于通过完成射频信号下变频、模数变换、数据传输，将上注射频信号下变频到模拟中频信号，再将所述模拟中频信号转换为数字中频信号，所述数字中频信号打包后传送至所述数字信号处理单元；所述数字信号处理单元用于接收所述数字中频信号，并将所述数字中频信号进行处理，以模拟卫星运行时上行注入信号的接收；
所述模拟信号处理单元与所述数字信号处理单元之间采用高速光纤连接。
可选的，在所述的基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器中，所述高速光纤为同轴电缆，传输速度为10Gbps。
可选的，在所述的基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器中，所述模拟中频信号的频率为60MHz～80MHz。
可选的，在所述的基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器中，所述模拟信号处理单元包括耦合组件、放大滤波组件、变频组件和AD采样模块，其中：
所述耦合组件将地面射频信号与上注模拟源生成的闭环信号合成，形成所述上注射频信号；
所述放大滤波组件用于将所述上注射频信号进行滤波以去掉高频分量，并将所述上注射频信号进行信号放大，以及将所述上注射频信号输出，输出时调节所述上注射频信号的功率；
所述变频组件将所述上注射频信号下变频至所述模拟中频信号；
所述AD采样模块将所述模拟中频信号进行AD采样，将其转换为数字中频信号。
可选的，在所述的基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器中，所述变频组件包括射频滤波器、混频器、本地振荡器，所述射频滤波器将所述上注射频信号进行滤波，所述本地振荡器生成本振信号，所述混频器的天线接收所述上注射频信号，并将所述上注射频信号与所述本振信号进行混频得到模拟中频信号；
所述放大滤波组件包括放大器和滤波器，所述滤波器将所述上注射频信号进行滤波以去掉高频分量，所述放大器将所述上注射频信号进行信号放大。
可选的，在所述的基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器中，所述AD采样模块的采样速率为375MHz，所述AD采样模块的采样位数为12bit，所述AD采样模块具有温度补偿功能。
可选的，在所述的基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器中，所述导航卫星上注接收处理机模拟器前端连接一可调衰减器，所述可调衰减器用于维持导航卫星上注接收处理机模拟器的线性输出；
所述导航卫星上注接收处理机模拟器还包括一零值监测通道，所述零值监测通道提供地面注入站对星上测距结果的修正。
可选的，在所述的基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器中，所述数字信号处理单元包括数据信息处理模块和接口通信模块，其中：
所述上行注入信号接收包括数字下变频、信号捕获、扩频码的相关、接收数控振荡载波、接收数控振荡伪码、信号环路跟踪、电文解调及接口通信，以使数字基带信号处理功能的软件化；
所述数据信息处理模块包括数字下变频模块、干扰抑制模块、捕获通道、跟踪通道，以及信息解调及伪距测量模块；
所述数字中频信号经过所述数字下变频模块后变成I路正交信号和Q路正交信号，所述I路正交信号和Q路正交信号经过所述干扰抑制模块去除干扰信号，经过所述捕获通道进行载波去除、伪码解扩和数据预处理后得到相关累加值，所述相关累加值通过所述跟踪通道完成跟踪处理，通过所述信息解调及伪距测量模块完成锁定检测、数据解调和伪距测量操作；
所述接口通信模块用于提供所述数据信息处理模块与外部通信的接口。
可选的，在所述的基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器中，所述信息解调及伪距测量模块包括相关器、接收载波数控振荡器、接收伪码数控振荡器和电文解调模块；
所述相关器用于完成扩频码的相关；
所述接收载波数控振荡器用于产生信号解调所需的载波信号；
所述接收伪码数控振荡器用于产生相关器所需的同步伪码码片；
所述电文解调模块用于信号解调。
在本发明提供的基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器中，通过模拟信号处理单元将上注射频信号下变频到模拟中频信号，再将模拟中频信号转换为数字中频信号，所述数字中频信号打包后传送至数字信号处理单元，所述数字信号处理单元基于GPU运算在数字基带层面将所述数字中频信号作为上行注入信号，并将所述数字中频信号进行处理，克服了传统的卫星上注接收处理机的DSP结合FPGA的架构的开发周期长、成本高、调试复杂、升级改造困难等缺点不足，同时克服了传统软件接收机处理时延较大的问题。
具体的，本发明实现了基带信号处理功能的软件化，有利于信号体制、信号格式、电文编排、调制方式等的灵活可变升级，极大地增强了系统的可设计性、可拓展性和可维护性，有利于在地面对系统体制和关键技术进行试验验证；通过GPU的高速运算能力可以保证信号处理的实时性，确保与真实卫星的信号处理和信息发送时延的一致性；方便故障排查和调试，软件化的基带信号处理方式可以将处理的中间状态信息全部输出，实现内部信息接口全可开放对外输出；实现硬件功能退化，使得硬件状态对系统升级不再形成制约，提高了信息处理的可重构能力；具有采样数据实时存储和离线回放至射频信号的能力，便于问题回溯与排查。
附图说明
图1是本发明一实施例的基于GPU的导航上注接收处理机模拟器示意图；
图2是本发明一实施例的数据信息处理模块上行信号处理示意图；
图中所示：10-模拟信号处理单元；11-耦合组件；12-放大滤波组件；13-变频组件；14-AD采样模块；20-数字信号处理单元；21-数据信息处理模块；211-数字下变频模块；212-干扰抑制模块；213-捕获通道；214-跟踪通道；215-信息解调及伪距测量模块；22-接口通信模块；30-外部组件。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于提供一种基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器，以解决现有的导航卫星上注接收处理机模拟器灵活性差的问题。
为实现上述思想，本发明提供了一种基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器，所述导航卫星上注接收处理机模拟器包括模拟信号处理单元及数字信号处理单元，其中：所述模拟信号处理单元用于通过完成射频信号下变频、模数变换、数据传输，将上注射频信号下变频到模拟中频信号，再将所述模拟中频信号转换为数字中频信号，所述数字中频信号打包后传送至所述数字信号处理单元；所述数字信号处理单元用于接收所述数字中频信号，并将所述数字中频信号进行处理，以模拟卫星运行时上行注入信号的接收；所述数字信号处理单元基于GPU进行高速运算，以完成数字基带信号层面的上行注入信号接收，所述上行注入信号接收包括数字下变频、信号捕获、扩频码的相关、接收数控振荡载波、接收数控振荡伪码、信号环路跟踪、电文解调及接口通信，以使数字基带信号处理功能的软件化。
<实施例一>
本实施例提供一种基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器，如图1所示，所述导航卫星上注接收处理机模拟器包括模拟信号处理单元10及数字信号处理单元20，其中：所述模拟信号处理单元10用于通过完成射频信号下变频、模数变换、数据传输，将上注射频信号下变频到模拟中频信号，再将所述模拟中频信号转换为数字中频信号，所述数字中频信号打包后传送至所述数字信号处理单元20；所述数字信号处理单元20用于接收所述数字中频信号，并将所述数字中频信号进行处理，以模拟卫星运行时上行注入信号的接收；所述数字信号处理单元20基于GPU进行高速运算，以完成数字基带信号层面的上行注入信号接收，所述上行注入信号接收包括数字下变频、信号捕获、扩频码的相关、接收数控振荡载波、接收数控振荡伪码、信号环路跟踪、电文解调及接口通信，以使数字基带信号处理功能的软件化。
本实施例的基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器克服了传统的卫星上注接收处理机的DSP结合FPGA的架构的开发周期长、成本高、调试复杂、升级改造困难等缺点不足，同时克服了传统软件接收机处理时延较大的问题。数字信号处理单元基于GPU实现高速运算，主要完成数字基带信号层面的上行注入信号接收，包括数字下变频、信号捕获、相关器、接收载波NCO、接收伪码NCO、信号环路跟踪、电文解调及接口通信等。
图形处理器(Graphics Processing Unit，简称GPU)，又称显示核心、视觉处理器、显示芯片，是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备(如平板电脑、智能手机等)上做图像和图形相关运算工作的微处理器。GPU使显卡减少了对CPU的依赖，并进行部分原本CPU的工作，尤其是在3D图形处理时GPU所采用的核心技术有硬件T&L(几何转换和光照处理)、立方环境材质贴图和顶点混合、纹理压缩和凹凸映射贴图、双重纹理四像素256位渲染引擎等，而硬件T&L技术可以说是GPU的标志。GPU的生产商主要有NVIDIA和ATI。
具体的，在所述的导航卫星上注接收处理机模拟器中，所述模拟信号处理单元与所述数字信号处理单元之间采用高速光纤连接。所述高速光纤为同轴电缆，传输速度为10Gbps。所述模拟中频信号的频率为60MHz～80MHz。
如图1所示，在所述的基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器中，所述模拟信号处理单元10包括耦合组件11、放大滤波组件12、变频组件13和AD采样模块14，其中：所述耦合组件11将地面射频信号与上注模拟源生成的闭环信号合成，形成所述上注射频信号；所述放大滤波组件12用于将所述上注射频信号进行滤波以去掉高频分量，并将所述上注射频信号进行信号放大，以及将所述上注射频信号输出，输出时调节所述上注射频信号的功率；所述变频组件13将所述上注射频信号下变频至所述模拟中频信号；所述AD采样模块14将所述模拟中频信号进行AD采样，将其转换为数字中频信号。所述变频组件13包括射频滤波器、混频器、本地振荡器，所述射频滤波器将所述上注射频信号进行滤波，所述本地振荡器生成本振信号，所述混频器的天线接收所述上注射频信号，并将所述上注射频信号与所述本振信号进行混频得到模拟中频信号；所述放大滤波组件12包括放大器和滤波器，所述滤波器将所述上注射频信号进行滤波以去掉高频分量，所述放大器将所述上注射频信号进行信号放大。所述AD采样模块14的采样速率为375MHz，所述AD采样模块14的采样位数为12bit，所述AD采样模块14具有温度补偿功能。
混频器是将信号频率由一个量值变换为另一个量值的过程。一般用混频器产生中频信号：混频器将天线上接收到的信号与本振产生的信号混频，cosαcosβ＝[cos(α+β)+cos(α-β)]/2；可以这样理解，α为信号频率量，β为本振频率量，产生和差频。当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。
进一步的，在所述的导航卫星上注接收处理机模拟器中，所述导航卫星上注接收处理机模拟器前端连接一可调衰减器，所述可调衰减器用于维持导航卫星上注接收处理机模拟器的线性输出；所述导航卫星上注接收处理机模拟器还包括一零值监测通道，所述零值监测通道提供地面注入站对星上测距结果的修正。
为了满足上注接收处理机的模拟器测距精度0.5ns的指标要求，在设计上要求模拟信号处理单元要具备高时延稳定性。由于导致通道时延不稳定的影响因素主要是环境温度和器件的非线性。在设计时，在保持良好散热和通风条件的同时，采用了高相位稳定度的传输同轴电缆、减少有源器件数量、采用带温度补偿功能的AD器件来降低时延随温度的漂移，减少温度对时延的影响。通道时延随电平变化主要由于非线性器件的工作点变化引起，在上注接收处理机模拟器设计时，在链路前端增加可调衰减器，在外部输入很大的情况下也可让各级器件都处于线性工作状态。除了以上措施外，还需要增加零值监测通道以提供地面对星上测距结果的修正。
在接收机中，如果经过混频后得到的中频信号比原始信号频率低，那么此种混频方式叫做下变频。下变频的目的是为了降低信号的载波频率或是直接去除载波频率得到基带信号。由于下变频方式的电路简单，成本较低，所以被广泛应用于民用设备和对性能要求不高的军用设备中。
如图1所示，在所述的导航卫星上注接收处理机模拟器中，所述数字信号处理单元20包括数据信息处理模块21和接口通信模块22，其中：如图2所示，所述数据信息处理模块21包括数字下变频模块211、干扰抑制模块212、捕获通道213、跟踪通道214，以及信息解调及伪距测量模块215；所述数字中频信号经过所述数字下变频模块211后变成I路正交信号和Q路正交信号，所述I路正交信号和Q路正交信号经过所述干扰抑制模块212去除干扰信号，经过所述捕获通道213进行载波去除、伪码解扩和数据预处理后得到相关累加值，所述相关累加值通过所述跟踪通道214完成跟踪处理，通过所述信息解调及伪距测量模块215完成锁定检测、数据解调和伪距测量操作；所述接口通信模块22用于提供所述数据信息处理模块21与外部通信的接口，如图1～2所示，外部组件30为所述数据信息处理模块提供1pps信号。
进一步的，在所述的导航卫星上注接收处理机模拟器中，所述信息解调及伪距测量模块215包括相关器、接收载波数控振荡器、接收伪码数控振荡器和电文解调模块；所述相关器用于完成扩频码的相关；所述接收载波数控振荡器用于产生信号解调所需的载波信号；所述接收伪码数控振荡器用于产生相关器所需的同步伪码码片；所述电文解调模块用于信号解调。
数字信号处理单元需同时实现A、B两个地面注入站信号(各含I、Q两路)加上1路本地零值信号共5路码分得扩频信号的解扩和跟踪。为了实现模拟器与使用DSP结合FPGA的架构的真实卫星的处理时延的一致性，要求基带信号处理过程中要充分利用GPU的并行处理优势，在GPU中采用流(stream)技术并行实现5个通道的并行捕获和跟踪，在CPU中实现信号的译码及伪距测量。
在本发明提供的导航卫星上注接收处理机模拟器中，通过模拟信号处理单元将上注射频信号下变频到模拟中频信号，再将模拟中频信号转换为数字中频信号，所述数字中频信号打包后传送至数字信号处理单元，所述数字信号处理单元基于GPU运算在数字基带层面将所述数字中频信号作为上行注入信号，并将所述数字中频信号进行处理，克服了传统的卫星上注接收处理机的DSP结合FPGA的架构的开发周期长、成本高、调试复杂、升级改造困难等缺点不足，同时克服了传统软件接收机处理时延较大的问题。
具体的，本发明实现了基带信号处理功能的软件化，有利于信号体制、信号格式、电文编排、调制方式等的灵活可变升级，极大地增强了系统的可设计性、可拓展性和可维护性，有利于在地面对系统体制和关键技术进行试验验证；通过GPU的高速运算能力可以保证信号处理的实时性，确保与真实卫星的信号处理和信息发送时延的一致性；方便故障排查和调试，软件化的基带信号处理方式可以将处理的中间状态信息全部输出，实现内部信息接口全可开放对外输出；实现硬件功能退化，使得硬件状态对系统升级不再形成制约，提高了信息处理的可重构能力；具有采样数据实时存储和离线回放至射频信号的能力，便于问题回溯与排查。
综上，上述实施例对基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器，其特征在于，所述基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器包括数字信号处理单元，其中：
所述数字信号处理单元基于GPU进行高速运算，以完成数字基带信号层面的上行注入信号接收；
所述导航卫星上注接收处理机模拟器前端连接一可调衰减器，所述可调衰减器用于维持导航卫星上注接收处理机模拟器的线性输出；
所述导航卫星上注接收处理机模拟器还包括一零值监测通道，所述零值监测通道提供地面注入站对星上测距结果的修正；
所述数字信号处理单元同时进行各含I、Q两路的A、B两个地面注入站信号加上1路本地零值信号共5路码分的扩频信号的解扩和跟踪；
在GPU中采用流技术并行进行5个通道的并行捕获和跟踪，在CPU中实现信号的译码及伪距测量，以实现模拟器与使用DSP结合FPGA的架构的真实卫星的处理时延的一致性。
2.如权利要求1所述的基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器，其特征在于，所述导航卫星上注接收处理机模拟器还包括模拟信号处理单元，其中：
所述模拟信号处理单元用于通过完成射频信号下变频、模数变换、数据传输，将上注射频信号下变频到模拟中频信号，再将所述模拟中频信号转换为数字中频信号，所述数字中频信号打包后传送至所述数字信号处理单元；所述数字信号处理单元用于接收所述数字中频信号，并将所述数字中频信号进行处理，以模拟卫星运行时上行注入信号的接收；
所述模拟信号处理单元与所述数字信号处理单元之间采用高速光纤连接。
3.如权利要求2所述的基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器，其特征在于，所述高速光纤的传输速度为10Gpbs。
4.如权利要求1所述的基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器，其特征在于，所述模拟中频信号的频率为60MHz～80MHz。
5.如权利要求1所述的基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器，其特征在于，所述模拟信号处理单元包括耦合组件、放大滤波组件、变频组件和AD采样模块，其中：
所述耦合组件将地面射频信号与上注模拟源生成的闭环信号合成，形成所述上注射频信号；
所述放大滤波组件用于将所述上注射频信号进行滤波以去掉高频分量，并将所述上注射频信号进行信号放大，以及将所述上注射频信号输出，输出时调节所述上注射频信号的功率；
所述变频组件将所述上注射频信号下变频至所述模拟中频信号；
所述AD采样模块将所述模拟中频信号进行AD采样，将其转换为数字中频信号。
6.如权利要求5所述的基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器，其特征在于，所述变频组件包括射频滤波器、混频器、本地振荡器，所述射频滤波器将所述上注射频信号进行滤波，所述本地振荡器生成本振信号，所述混频器的天线接收所述上注射频信号，并将所述上注射频信号与所述本振信号进行混频得到模拟中频信号；
所述放大滤波组件包括放大器和滤波器，所述滤波器将所述上注射频信号进行滤波以去掉高频分量，所述放大器将所述上注射频信号进行信号放大。
7.如权利要求5所述的基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器，其特征在于，所述AD采样模块的采样速率为375MHz，所述AD采样模块的采样位数为12bit，所述AD采样模块具有温度补偿功能。
8.如权利要求1所述的基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器，其特征在于，所述数字信号处理单元包括数据信息处理模块和接口通信模块，其中：
所述上行注入信号接收包括数字下变频、信号捕获、扩频码的相关、接收数控振荡载波、接收数控振荡伪码、信号环路跟踪、电文解调及接口通信，以使数字基带信号处理功能软件化；
所述数据信息处理模块包括数字下变频模块、干扰抑制模块、捕获通道、跟踪通道，以及信息解调及伪距测量模块；
所述数字中频信号经过所述数字下变频模块后变成I路正交信号和Q路正交信号，所述I路正交信号和Q路正交信号经过所述干扰抑制模块去除干扰信号，经过所述捕获通道进行载波去除、伪码解扩和数据预处理后得到相关累加值，所述相关累加值通过所述跟踪通道完成跟踪处理，通过所述信息解调及伪距测量模块完成锁定检测、数据解调和伪距测量操作；
所述接口通信模块用于提供所述数据信息处理模块与外部通信的接口。
9.如权利要求8所述的基于GPU的卫星上注接收处理机模拟器，其特征在于，所述信息解调及伪距测量模块包括相关器、接收载波数控振荡器、接收伪码数控振荡器和电文解调模块；
所述相关器用于完成扩频码的相关；
所述接收载波数控振荡器用于产生信号解调所需的载波信号；
所述接收伪码数控振荡器用于产生相关器所需的同步伪码码片；
所述电文解调模块用于信号解调。
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