CN114050950B - 一种基于gpu的pcm/fm多符号检测位同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供基于GPU的PCM/FM多符号检测位同步方法，所述方法包括：对PCM/FM遥测信号进行非相干鉴频解调处理，确定携带有用信息的调制信号；重采样模块生成位同步信号，所述位同步信号的频率与码速率相同；将所述调制信号分为多个等长的信号片段；由GPU上的多个线程对各个信号片段进行处理，得到信号片段的误差信号；将全部相邻码元翻转时得到的误差信号利用GPU进行并行累加，得到误差信号累加结果；将所述误差信号累加结果输入环路滤波器，得到误差控制信号；将所述误差控制信号反馈给所述重采样模块，重采样模块根据误差控制信号调整采样信号的相位，使之与调制信号同步。该方法灵活性更高，扩展性更好。位同步方法简单，可实现信号的实时位同步。

Description

一种基于GPU的PCM/FM多符号检测位同步方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于GPU的PCM/FM多符号检测位 同步方法。
背景技术
飞行器遥测是导弹、火箭、卫星等航天器试验和运行过程中必不可少的重要 支持系统，能够实时监测航天器内部工作状态、电气性能、环境参数等重要信息， 为航天器性能检测、效能评估及故障分析提供依据。现如今随着航天事业的深入 发展，全球各个航天大国对宇宙的探索和对宇宙资源的争夺愈加强烈，这就使得 遥测技术突显出更为重要的作用。
脉冲编码调制/调频(PCM/FM)技术具有较强的抗尾焰效应能力、抗噪声性 能强、发射机功率高等特点，成为国内外航空航天遥测领域长期采用的一种主流 体制。PCM/FM体制在遥测系统中运用多年，调频信号本身具有较好的抗干扰能 力，传统解调方式为非相干解调，非相干解调具有结构简单的解调设计电路。
经过几十年的发展，遥测系统已经从早期的功能分立的专用设备逐步发展 成为多功能数字遥测系统，具有数字化程度高、多功能一体化等优点，较好地满 足了现有任务的需要。面向未来任务日益多样化，试验环境日趋复杂化，对遥测 系统的灵活适应性提出了更高要求。传统基于软件无线电设计理念的遥测系统 侧重于功能的“软件实现”，尽管近年来软件化程度越来越高，但其灵活适应性 仍然受到限制，主要体现在:①系统控制和执行设备仍然相互依赖，硬件资源 不可切割和按需分配，性能升级与功能扩展需要对硬件环境进行重新部署，这种 单纯通过扩展设备量和增加系统复杂度的方式，不适应未来日益增多的试验任 务需求；②面向既定任务和功能需求的定制化研发模式，难以快速响应用户的即 时需求，不适应未来复杂多变的试验任务需求。因此，迫切需要寻求对传统软件 无线电遥测系统的设计理念和研发模式的转型，进一步提高遥测系统的灵活适 应性。
MSD算法多是在FPGA板卡中实现，而硬件系统固有的研发周期长、升级困 难等缺点并不适合于未来遥测系统的网络化和智能化要求。现有的在硬件系统 中实现的多符号检测算法不能直接移植到GPU上实现，而在GPU上实现MSD算 法的研究较少且不够深入，如成亚勇和李梓博在GPU上实现了MSD算法但却没 有对位同步算法进行研究。
采用多符号检测算法来实现PCM/FM遥测信号的解调，可以提高解调增益、 降低解调门限，使得信号可以在较低的信噪比下正确解调。
多符号检测运算能够提高解调增益的前提是需要实现精确的位同步。位同 步又叫做符号同步、码元同步，在整个调频遥测系统中起着关键作用，影响着接 收机能否正确解调出遥测信息。在调频遥测系统中，接收机为了从接收到的信号 中准确地恢复数据，必须知道一个符号的开始时间和结束时间，才能得到准确的 瞬时采样。
PCM/FM遥测信号的位同步信息能够从调频信号中提取，常用的位同步算法 有基于“早迟门”时延的多符号检测位同步方法、数字锁相环法、O&M位同步算 法和Gardner位同步算法。基于“早迟门”时延的多符号检测位同步方法和数 字锁相环法类似，都是采用锁相环技术，但是这种同步方法抗干扰能力差，并且 在低信噪比和高码率的情况下性能较差。O&M位同步算法和Gardner位同步算法 的应用，需要先将PCM/FM调频遥测信号进行非相干解调，利用鉴频之后的信息 进行位同步。O&M位同步算法需要对信号进行平方和傅里叶变换等操作，计算比 较复杂。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于GPU的PCM/FM多符号检测位 同步方法，所述方法，用于解决现有技术进行位同步计算复杂、不适合GPU并行 实现的问题。
根据本发明的第一方面，提供一种基于GPU的PCM/FM多符号检测位同步方 法，所述方法包括以下步骤：
步骤S107：对PCM/FM遥测信号进行处理，将处理后的数据进行并行差分鉴 频运算，获取鉴频结果，基于鉴频结果，确定携带有用信息的调制信号f(nTs)；
步骤S108：重采样模块生成位同步信号，所述位同步信号的频率与码速率 相同；
步骤S109：将所述调制信号f(nTs)分为多个等长的信号片段；由GPU上的多 个线程对各个信号片段进行处理；
对信号片段的处理方式为：对于一个所述信号片段，所述信号片段具有多个 信号码元；每个信号码元有8个采样点，每个线程处理一个信号码元；每个线程 对对应的码元上的采样点进行累加运算；对于位同步信号上升沿所对应的信号 码元，按其在信号片段中的顺序，将所述信号码元对应的累加结果记为ai；对于 位同步信号下降沿所对应的信号码元，按其在信号片段中的时间顺序，将所述信 号码元对应的累加结果记为bi,其中，1≤i≤num，num为所述信号片段中上升沿/ 或下降沿累加结果的个数；
步骤S110：对全部信号片段中的每一个，按标准确定其对应的误差信号keys， 其中1≤s≤num2，num2为信号片段的个数，keys为片段segs的误差信号；所述标准 为：
在ar与ar+1结果符号相反的情况下，若br为0，则位同步信号与码元同步， 误差信号不变；
在ar>0且ar+1<0的情况下，若br>0,则说明位同步信号比码元滞后，误差 信号减1,若br<0，则说明位同步信号比码元超前，误差信号加1；
在ar<0且ar+1>0的情况下，若br>0,则说明位同步信号比码元超前，误差 信号加1,若br<0，则说明位同步信号比码元滞后，误差信号减1；
其中，1≤r≤num-1；
步骤S111：将全部相邻码元翻转时得到的误差信号利用GPU进行并行累加， 得到误差信号累加结果；
步骤S112：将所述误差信号累加结果输入环路滤波器，得到误差控制信号；
步骤S113：将所述误差控制信号反馈给所述重采样模块，重采样模块根据 误差控制信号调整采样信号的相位，使之与调制信号同步。
根据本发明的第二方面，提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存 储有多条指令；所述多条指令，用于由处理器加载并执行如前所述的基于GPU的 PCM/FM多符号检测位同步方法。
根据本发明第三方面，提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储 有多条指令；所述多条指令，用于由处理器加载并执行如前所述的基于GPU的 PCM/FM多符号检测位同步方法。
根据本发明的上述方案，本发明采用CPU结合GPU的异构并行计算平台， 利用图形处理单元(GPU)的高灵活性和高效并行数据处理能力，设计了基于GPU 的PCM/FM多符号检测位同步并行实现方法，该方法以GPU作为核心的数据处理 器件，用CPU完成任务的分配和调度。该方法可以有效降低遥测解调器的开发 难度；商用器件和软件运算可有效提高系统对各种不同接口遥测解调系统的适 应能力，可根据性能需求灵活配置GPU，克服现有技术不足，具有重构灵活、扩 展性好等优势。利用GPU并行运算提高运算效率，可靠性更高，扩展性更好，设 计实现更简单，可满足测控系统中PCM/FM遥测信号多符号检测的位同步需求。本发明通过对一段时间的鉴频结果进行并行误差检测，并将相邻码元不同时得 到的误差信号累加，通过环路滤波器后得到一误差控制信号，反馈给位同步信号 产生单元，从而实现位同步。与传统基于FPGA的PCM/FM多符号检测位同步方 法相比，本发明灵活性更高，扩展性更好。与“早迟门”时延的多符号检测位同 步方法、数字锁相环法、O&M位同步算法相比，本发明的Gardner位同步算法更 加简单，且对传统的Gardner位同步算法做了改进，并利用GPU并行加速运算， 可实现信号的实时位同步。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术 手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图 详细说明如后。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明提供 如下附图进行说明。在附图中：
图1为本发明一个实施方式的基于GPU的PCM/FM多符号检测位同步方法流 程示意图；
图2为本发明一个实施方式的基于GPU的PCM/FM遥测解调系统结构示意 图；
图3为本发明一个实施方式的基带正交多符号检测原理示意图；
图4为本发明一个实施方式的遥测信号解调框图；
图5为本发明一个实施方式的鉴频结果与同位同步信号示意图；
图6(a)、6(b)、6(c)分别为位同步脉冲和信号同步、位同步脉冲比信号超 前位同步脉冲比信号滞后的示意图；
图7为本发明一个实施方式的GPU线程并发处理信号片段的示意图；
图8(a)、8(b)、8(c)、8(d)分别为本发明一个实施方式的利用GPU并行运 算得到的误差频率控制字结果、利用Matlab仿真运算得到的误差频率控制字结 果、GPU与Matlab运算得到的误差频率控制字结果的误差、GPU与Matlab运算 得到的误差频率控制字结果的误差。
具体实施方式
首先结合图1说明本发明一个实施方式的基于GPU的PCM/FM多符号检测位 同步方法流程。所述基于GPU的PCM/FM多符号检测位同步方法，基于具有GPU 的遥测解调系统实现，如图2所示，所述具有GPU的遥测解调系统包括信号采 集模块、高速接口模块、核心运算模块和系统控制模块；所述信号采集模块包括 ADC模块、10MHz频标，用于对信号进行数字采样及调节信号幅度；所述高速接 口模块包括高速以太网卡、存储服务器及处理模块，所述高速接口模块用于接收 所述信号采集模块输出的数据信号，并将所述数据信号发送到系统控制模块；所 述系统控制模块包括CPU及缓存单元，所述缓存单元用于缓存所述数据信号， CPU用于调度任务、分发数据，并将数据分配给所述核心运算模块；所述核心运 算模块包括多个GPU，所述核心运算模块以并行方式处理所述系统控制模块发送 的据，进行并行数字下变频、重采样、并行鉴频、位同步以及多符号检测解调。 GPU之间通过Nvlink总线互联，CPU和GPU之间的数据交互以及CPU对GPU的 系统调度通过PCIE总线完成。
本实施例中，所述具有GPU的遥测解调系统采用CPU+GPU的异构并行计算 平台，所述具有GPU的遥测解调系统包括信号采集模块、高速接口模块、核心运 算模块和系统控制模块。所述数据采集模块由ADC模块、10MHz频标等部分构 成，用于完成模拟中频信号的数字采样，同时辅以信号的幅度调节功能。所述系 统控制模块是系统管控中心，由PC主机和缓存组成，用于分发数据、各模块的 管理调度以及逻辑控制计算。所述核心运算模块由多块GPU计算显卡组成，是 具有GPU的遥测解调系统的核心模块，此模块上进行并行运算，进行并行数字 下变频、重采样、并行鉴频、位同步以及多符号检测解调。
本实施例中，多个GPU之间通过高速Nvlink总线互联，完成中间数据的交 互，CPU和GPU之间的数据交互以及CPU对GPU的系统调度通过高速PCIE总线 完成。各个模块之间通过高速以太网连接，上述实现方式提高了灵活性和可扩展 性。
从调频特征来看待PCM/FM信号，其解调可以采用鉴频方式。但是遥测传 输信道复杂，遥测信号在传输过程中受多径衰落的影响，难以提取相干载波，所 以相干解调鉴频难于实施。在工程上常采用非相干鉴频解调方法，这种方法结构 简单，容易实现，且对因多径衰落造成的幅度和相位方面的失真有较强的抗干扰 能力。但非相干鉴频解调存在门限效应，多符号检测(Multi-symbol Detection， MSD)是一种充分利用码元之间的连续性来提高解调性能的技术。
以下结合图3说明基带正交多符号检测原理。如图3所示，观测时段内接 收到中频信号，先对中频信号进行数字下变频处理，得到同相和正交两路基带正 交信号，然后再对两路正交信号在一个码元上进行积分，图3给出第k个本地 复信号与接收到的正交基带复信号进行处理的方式，其他本地信号的处理与该 第k个本地复信号的处理方式相类似。各个本地信号分别与接收到的正交基带 复信号进行相关平方处理，然后对各路输出进行比较判决。对基带正交信号进行 多符号检测，由于基带信号频率比较低，因此要求的处理速度也比较低，数字器 件处理更容易，性能也会更好。
采用多符号检测算法来实现PCM/FM遥测信号的解调，可以提高解调增益、 降低解调门限，使得信号可以在较低的信噪比下正确解调。多符号检测运算能够 提高解调增益的前提是能够实现精确的位同步。为了在具有GPU的平台上运行 多符号检测算法，需要知道一个符号的开始时间和结束时间，才能得到准确的瞬 时采样。
本实施例采用Gardner位同步算法，Gardner位同步算法的运算，需要先将 PCM/FM调频遥测信号进行非相干解调，利用鉴频之后的信号进行位同步。对鉴 频之后的信号和采样信号进行对齐。
所述基于GPU的PCM/FM多符号检测位同步方法，包括：
步骤S101：所述信号采集模块包括ADC模块和数据分发服务(DDS，DataDistribution Servic)中间件，在所述数据采集模块中，模拟数据经过幅度调 节后由模数转换模块进行采样；采样后的数字信号利用DDS中间件进行发布， 然后通过万兆网络发送到所述高速接口模块的万兆网卡；
步骤S102：所述高速接口模块通过16x PCIE总线将采集到的数据输入到 DDS中间件的缓存区，并在系统控制模块的调度下开始数据的循环缓存；
步骤S103：在所述系统控制模块的调度下，对DDS中间件缓冲区内的数据 分段，GPU按段订阅数据，获取PCM/FM信号；
本实施例中，获取的PCM/FM信号SPCM/FM(t)为：
Figure BDA0003283232960000081
其中θ为初始相位、Ac为信号幅度、fc为载波频率、kf为调制频偏、f(t)为 调制信号。
假设调频遥测系统本身的频率抖动和多普勒频偏造成的频率频移为fd，信 道噪声为n(t)，则接收到的PCM/FM信号能够表示为：
Figure BDA0003283232960000082
其中，t为时间，SPCM/FM(t)为接收到的PCM/FM信号，Ac为幅度，ωc为载波频 率，kf为调制指数，f(τ)为调制信号，θ为初始相位，n(t)为噪声。
步骤S104：各GPU收到调度指令并获得数据后，将数据转化为浮点数；
步骤S105：各GPU利用数字控制振荡器(NCO)产生的信号进行并行下变频 以降低频率，并根据估计的多普勒频偏误差对该数字控制振荡器的信号作实时 消除误差处理；
本实施例中，信号传输过程中的频率较高，为了方便后续的解调处理，需 要把接收到的中频信号搬移到基带，因此需要进行数字下变频以降低频率，具 体实现方法是将接收到的PCM/FM信号SPCM/FM(t)分别与本振产生的信号 cos(2π(fc+fd)t+β)和sin(2π(fc+fd)t+β)相乘，得到公式3：
Figure BDA0003283232960000092
Figure BDA0003283232960000093
其中，β为本振产生信号的相位；
步骤S106：对并行下变频后的数据进行并行时域滤波运算，以消除高频信 号的干扰；
本实施例中，滤波后获得同相分量与正交分量，
Figure BDA0003283232960000094
Figure BDA0003283232960000095
其中，I(t)为同相分量，Q(t)为正交分量。
步骤S107：将滤波后的数据进行并行差分鉴频运算，获取鉴频结果，基于 鉴频结果，确定携带有用信息的调制信号f(nTs)；
进一步地，如图4所示，本实施例中，将得到的鉴频结果用于估计多普勒频 偏误差，然后将所述频率偏差反馈到数字控制振荡器(NCO)进行频率修正。
遥测系统多采用数字化鉴频，在数字域微分求导可以化为差分形式，将瞬时 相位表示为φ(t)，则有以下公式：
Figure BDA0003283232960000101
φ′(nTs)＝φ(nTs)-φ((n-1)Ts) (公式6)
其中，Ts为采样时间间隔，φ(nTs)、φ((n-1)Ts)均为瞬时相位，Q(nTs)为正交 分量，I(nTs)为同相分量，f(k)为瞬时频率；φ′(nTs)为瞬时相位的微分，n、k均 用于计数；
由于
Figure BDA0003283232960000102
其中，f(n)为瞬时频率，即能够求得f(nTs)；
本实施例中，鉴频的目标之一是为了找到携带有用信息的调制信号f(nTs)， 其计算公式为：
Figure BDA0003283232960000103
步骤S108：重采样模块生成位同步信号，所述位同步信号的频率与码速率 相同；
本实施例中，位同步的目的是同步解调得到的调制信息和采样信号，如果位 同步信号和调制信号没有对齐，说明采样信号和调制信号没有对齐。
进一步地，重采样模块基于环路滤波器前次产生的误差控制信号生成位同 步信号，所述位同步信号的频率与码速率相同。
步骤S109：将所述调制信号f(nTs)分为多个等长的信号片段；由GPU上的多 个线程对各个信号片段进行处理；
对信号片段的处理方式为：对于一个所述信号片段，所述信号片段具有多个 信号码元；每个信号码元有8个采样点，每个线程处理一个信号码元；每个线程 对对应的码元上的采样点进行累加运算；对于位同步信号上升沿所对应的信号 码元，按其在信号片段中的顺序，将所述信号码元对应的累加结果记为ai；对于 位同步信号下降沿所对应的信号码元，按其在信号片段中的时间顺序，将所述信 号码元对应的累加结果记为bi,其中，1≤i≤num，num为所述信号片段中上升沿/ 或下降沿累加结果的个数。
如果达到位同步状态，位同步信号的上升沿对应一个调制信号的开始。
本实施例中，位同步信号的上升沿对应一段调制数据(即鉴频结果)的开始， 由于一个数据有8个采样点，因此从位同步信号的上升沿开始对采样点进行累 加，则一个周期内累加8个点，累加结果ai代表该段调制数据；从位同步信号 的下降沿开始对采样点进行累积，一个周期内也累加了8个点，累加结果bi代 表了相邻两段调制数据的平均值。
本实施例中，采用改进的Gardner位同步算法消除噪声对采样点的影响， 进行位同步。Gardner位同步算法在求位定时误差时，每个码元内需要两个采样 点，算法的原理图如图6所示。当相邻的码元不同时，如果不存在位定时误差， 中间采样点的值应该为0。如果中间采样点的值不为0，则表示存在位定时误差， 且位定时误差的大小可以由中间采样点的值求出。利用中间采样点求出位定时 误差值之后，还需要判断此误差是超前还是滞后，可以利用两个采样点差值和中 间采样点的乘积的正负来判断。乘积为负数表示位同步脉冲比信号超前，与之相 反的是，乘积为正数表示位同步脉冲比信号滞后。图6(a)表示位同步脉冲和 信号同步的情况，此时中间采样点的数值y(n-1/2)为0；图6(b)表示位同步脉 冲比信号超前的情况，此时中间采样点的数值y(n-1/2)不为0，而且两个采样点 的差值和中间采样点的乘积y(n-1/2)[y(n)-y(n-1)]小于0；图6(c)表示位同步 脉冲比信号滞后，此时中间采样点的数值y(n-1/2)不为0，而且乘积 y(n-1/2)[y(n)-y(n-1)]大于0。
但实际工程中，鉴频结果中不可避免存在噪声，会对采样点的数值造成影 响。
因此，本实施例中，将一个调制数据的所有采样点相加来代替采样点判断位 定时误差。对下变频后的信号进行了重采样处理，目的就是使得采样频率为码速 率的固定整数倍，本文设定的是8倍，即对一个数据而言有8个采样点，这也 是后面进行多符号检测的需要，也可以根据需要设置更多的采样点。因此，能够 利用重采样频率来产生一个位同步信号，频率与码速率相同。如图5所示，位同 步信号的上升沿对应一个调制数据的开始，由于一个数据有8个采样点，因此 从位同步信号的上升沿开始对采样点进行累加，则一个周期内累加8个点，累 加结果代表该调制数据；同时，从位同步信号的下降沿开始对采样点进行累积， 一个周期内也累加了8个点，累加结果代表了相邻两个调制数据的平均值。
本实施例中，由GPU采用多线程并发的方式对信号片段进行处理，如图7所 示。
GPU上的线程以及线程块均为一维，假设每个线程块中线程个数为TPB，则 线程块个数根据数据长度进行计算。图7中展示了位定时误差检测的计算过程， 分为两个核函数实现，分别是BitSycnkernel和TimeErrkernel。核函数 BitSycnkernel实现对采样点的累加，此核函数的输入是鉴频结果 d_subphase_demodual，采样数据累加后得到两路数据，分别为 d_data_tongxiang和d_data_orthogonal。d_data_tongxiang表示每个码元的 累加值也即ai；d_data_orthogonal表示两个码元的平均值也即bi。
步骤S110：对全部信号片段中的每一个，按标准确定其对应的误差信号keys， 其中1≤s≤num2，num2为信号片段的个数，keys为片段segs的误差信号；所述标准 为：
在ar与ar+1结果符号相反的情况下，若br为0，则位同步信号与码元同步， 误差信号不变；
在ar>0且ar+1<0的情况下，若br>0,则说明位同步信号比码元滞后，误差 信号减1,若br<0，则说明位同步信号比码元超前，误差信号加1；
在ar<0且ar+1>0的情况下，若br>0,则说明位同步信号比码元超前，误差 信号加1,若br<0，则说明位同步信号比码元滞后，误差信号减1；
其中，1≤r≤num-1。
本实施例中，如图5所示，当相邻码元不同时，例如t1到t2时刻累加结 果为a1，t2到t3时刻累加结果为a2，t1’到t2’时刻累加结果为b1。若位同 步信号与码元同步，则a1<0，a2>0，且b1＝0；若b1>0，则说明位同步信号比码 元滞后，反之，b1<0，则说明位同步信号比码元超前，就可以据此来调整位同步 信号，使其与码元同步。当相邻码元相同时，如t3到t4时刻与t4到t5时刻， 由于a3、a4和b3正负极性相同，且b3的极性不受位同步信号超前滞后的影响， 即无法反映位同步信号与码元之间的同步关系，因此这种情况时无法得到误差信号。核函数TimeErrkernel用来判断信号的超前或滞后，并将判断结果运算得 到误差信号记为d_data_timeerr。
步骤S111：将全部相邻码元翻转时得到的误差信号利用GPU进行并行累加， 得到误差信号累加结果；
步骤S112：将所述误差信号累加结果输入环路滤波器，得到误差控制信号；
步骤S113：将所述误差控制信号反馈给所述重采样模块，重采样模块根据 误差控制信号调整采样信号的相位，使之与调制信号同步。
本实施例中，根据误差控制信号调整位同步信号，最终，使其与码元同步。
本实施例中，对一段时间的鉴频结果进行如上分析，并将相邻码元不同时得 到的误差信号累加，通过环路滤波器后得到一误差控制信号，反馈给位同步信号 产生单元，从而实现位同步。将误差信号d_data_timeerr从GPU传输到CPU中， 通过IPPS库中的ippsSum_32f()函数来加速计算误差信号的累加。将累加结果 通过环路滤波器后得到误差控制信号，反馈给位同步信号产生单元也即重采样 模块，从而实现位同步。
本实施例利用数据分段将数据和流程最大限度解耦合，提高系统的并行性， 用空间复杂度换取数据处理时间复杂度，实现处理数据的并行化。
为了验证位同步模块设计的正确性，进行位同步仿真，重采样频率16MHz， 码速率2Mbps，每个码元有8个采样点。分析1秒数据，分为2000段处理，则 每段会产生一个误差频率控制字。将GPU产生的误差频率控制字与Matlab结果 对比，结果如图8(a)-8(d)所示。
可以看出，利用GPU运算得到的误差频率控制字和Matlab的运算结果相比 有误差。在初始阶50段数据处理时，位同步尚未完成跟踪，误差起伏较大在10-2左右。在50段数据之后，位同步完成跟踪，误差也趋于稳定在10-5左右。因此， 基于GPU的位同步运算满足计算精度的要求，也验证了本实施例方法的有效性 和正确性。
按照本实施例的实现流程进行位同步运算，每段数据为0.5毫秒，鉴相之 后数据长度为8×103。表1给出了位同步算法在Matlab和GPU上的运算时间对 比。
表1位同步运算用时统计对比表
Figure BDA0003283232960000141
Figure BDA0003283232960000151
表1中，Matlab time表示用Matlab进行位同步运算所用的时间；kernel time表示用GPU进行位同步运算所用的时间；kernel+IPPS time表示用GPU加 速误差检测的基础上，用IPPS库加速计算误差信号累加所用的时间； kernel+IPPS+memcpy time表示加上数据传输的时间。可以看出，若只计算位 同步运算所用的时间，GPU相比于Matlab取得了143.57倍的加速比；再通过 IPPS库中的ippsSum_32f()函数来加速计算误差信号的累加，能够使加速比提 高到194.5倍。但是，由于GPU平台的运算不得不把数据在CPU内存与GPU显 存传输的时间考虑在内，加上数据传输之后取得60.79倍的加速比。以上分析 可以说明，对于位同步算法，本实施例的GPU并行处理过程可以取得显著的加 速效果。
本发明实施例进一步给出一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储 有多条指令；所述多条指令，用于由处理器加载并执行如前所述的基于GPU的 PCM/FM多符号检测位同步方法。
本发明实施例进一步给出一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储 有多条指令；所述多条指令，用于由处理器加载并执行如前所述的基于GPU的 PCM/FM多符号检测位同步方法。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可 以相互组合。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法， 可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例 如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分 方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征 可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通 信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性， 机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为 单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也 可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单 元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也 可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。 上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元 的形式实现。
上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可 读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以 使得一台计算机装置(可以是个人计算机，实体机服务器，或者网络云服务器等， 需安装Windows、Linux或者Windows Server操作系统)执行本发明各个实施例 所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器 (Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁 碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限 制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修 饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种基于GPU的PCM/FM多符号检测位同步方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S107：对PCM/FM遥测信号进行处理，将处理后的数据进行并行差分鉴频运算，获取鉴频结果，基于鉴频结果，确定携带有用信息的调制信号f(nTs)；
步骤S108：重采样模块生成位同步信号，所述位同步信号的频率与码速率相同；
步骤S109：将所述调制信号f(nTs)分为多个等长的信号片段；由GPU上的多个线程对各个信号片段进行处理；
对信号片段的处理方式为：对于一个所述信号片段，所述信号片段具有多个信号码元；每个信号码元有8个采样点，每个线程处理一个信号码元；每个线程对对应的码元上的采样点进行累加运算；对于位同步信号上升沿所对应的信号码元，按其在信号片段中的顺序，将所述信号码元对应的累加结果记为ai；对于位同步信号下降沿所对应的信号码元，按其在信号片段中的时间顺序，将所述信号码元对应的累加结果记为bi,其中，1≤i≤num，num为所述信号片段中上升沿/或下降沿累加结果的个数；
步骤S110：对全部信号片段中的每一个，按标准确定其对应的误差信号keys，其中1≤s≤num2，num2为信号片段的个数，keys为信号片段segs的误差信号；所述标准为：
在ar与ar+1结果符号相反的情况下，若br为0，则位同步信号与码元同步，误差信号不变；
在ar>0且ar+1<0的情况下，若br>0,则说明位同步信号比码元滞后，误差信号减1,若br<0，则说明位同步信号比码元超前，误差信号加1；
在ar<0且ar+1>0的情况下，若br>0,则说明位同步信号比码元超前，误差信号加1,若br<0，则说明位同步信号比码元滞后，误差信号减1；
其中，1≤r≤num-1；
步骤S111：将全部相邻码元翻转时得到的误差信号利用GPU进行并行累加，得到误差信号累加结果；
步骤S112：将所述误差信号累加结果输入环路滤波器，得到误差控制信号；
步骤S113：将所述误差控制信号反馈给所述重采样模块，重采样模块根据误差控制信号调整采样信号的相位，使之与调制信号同步。
2.如权利要求1所述的基于GPU的PCM/FM多符号检测位同步方法，其特征在于，所述方法基于具有GPU的遥测解调系统实现，所述具有GPU的遥测解调系统包括信号采集模块、高速接口模块、核心运算模块和系统控制模块；所述信号采集模块包括ADC模块、10MHz频标，用于对信号进行数字采样及调节信号幅度；所述高速接口模块包括高速以太网卡、存储服务器及处理模块，所述高速接口模块用于接收所述信号采集模块输出的数据信号，并将所述数据信号发送到系统控制模块；所述系统控制模块包括CPU及缓存单元，所述缓存单元用于缓存所述数据信号，CPU用于调度任务、分发数据，并将数据分配给所述核心运算模块；所述核心运算模块包括多个GPU，所述核心运算模块以并行方式处理所述系统控制模块发送的据，进行并行数字下变频、重采样、并行鉴频、位同步以及多符号检测解调，多符号检测分为并行滑动相关运算、累加求幅度运算和比较求最值，GPU之间通过Nvlink总线互联，CPU和GPU之间的数据交互以及CPU对GPU的系统调度通过PCIE总线完成。
3.如权利要求2所述的基于GPU的PCM/FM多符号检测位同步方法，其特征在于，所述对PCM/FM遥测信号进行处理，包括：
步骤S101：所述信号采集模块包括ADC模块和数据分发服务(DDS，Data DistributionServic)中间件，在所述数据采集模块中，模拟数据经过幅度调节后由模数转换模块进行采样；采样后的数字信号利用DDS中间件进行发布，然后通过万兆网络发送到所述高速接口模块的万兆网卡；
步骤S102：所述高速接口模块通过16x PCIE总线将采集到的数据输入到DDS中间件的缓存区，并在系统控制模块的调度下开始数据的循环缓存；
步骤S103：在所述系统控制模块的调度下，对DDS中间件缓冲区内的数据分段，GPU按段订阅数据，获取PCM/FM信号；
步骤S104：各GPU收到调度指令并获得数据后，将数据转化为浮点数；
步骤S105：各GPU利用数字控制振荡器(NCO)产生的信号进行并行下变频以降低频率，并根据估计的多普勒频偏误差对该数字控制振荡器的信号作实时消除误差处理；
步骤S106：对并行下变频后的数据进行并行时域滤波运算，以消除高频信号的干扰。
4.如权利要求3所述的基于GPU的PCM/FM多符号检测位同步方法，其特征在于，所述步骤S103，获取PCM/FM信号，其中：
获取的PCM/FM信号SPCM/FM(t)为：
Figure FDA0003768985710000031
其中θ为初始相位、Ac为信号幅度、fc为载波频率、kf为调制频偏、f(t)为调制信号；
假设调频遥测系统本身的频率抖动和多普勒频偏造成的频率频移为fd，信道噪声为n(t)，则接收到的PCM/FM信号能够表示为：
Figure FDA0003768985710000032
其中，t为时间，SPCM/FM(t)为接收到的PCM/FM信号，Ac为幅度，kf为调制指数，f(τ)为调制信号，θ为初始相位，n(t)为噪声。
5.如权利要求4所述的基于GPU的PCM/FM多符号检测位同步方法，其特征在于，所述步骤S105，将接收到的PCM/FM信号SPCM/FM(t)分别与本振产生的信号cos(2π(fc+fd)t+β)和sin(2π(fc+fd)t+β)相乘，得到公式3：
Figure FDA0003768985710000041
Figure FDA0003768985710000042
其中，β为本振产生信号的相位。
6.如权利要求5所述的基于GPU的PCM/FM多符号检测位同步方法，其特征在于，所述步骤S106：滤波后获得同相分量与正交分量，
Figure FDA0003768985710000043
Figure FDA0003768985710000044
其中，I(t)为同相分量，Q(t)为正交分量。
7.如权利要求6所述的基于GPU的PCM/FM多符号检测位同步方法，其特征在于，所述步骤S107，其中：
将瞬时相位表示为φ(t)，则有以下公式：
Figure FDA0003768985710000045
φ′(nTs)＝φ(nTs)-φ((n-1)Ts) (公式6)
其中，Ts为采样时间间隔，φ(nTs)、φ((n-1)Ts)均为瞬时相位，Q(nTs)为正交分量，I(nTs)为同相分量，f(k)为瞬时频率；φ′(nTs)为瞬时相位的微分，n、k均用于计数；
由于
Figure FDA0003768985710000051
其中，f(n)为瞬时频率，即能够求得f(nTs)；
携带有用信息的调制信号f(nTs)的计算公式为：
Figure FDA0003768985710000052
8.一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有多条指令；所述多条指令，用于由处理器加载并执行如权利要求1-7中任一项所述的基于GPU的PCM/FM多符号检测位同步方法。
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