一种基于GPU的PCM/FM遥测信号并行多符号检测方法技术

本发明专利技术提供基于GPU的PCM/FM遥测信号并行多符号检测方法，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；信号采集模块对信号进行数字采样及调节信号幅度；高速接口模块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；系统控制模块将分段后的数据分配给所述核心运算模块；核心运算模块包括多个GPU；所述方法包括：并行数字下变频、并行FIR滤波、并行鉴频、并行多符号检测和多普勒频偏估计，多符号检测又分为并行滑动相关运算、累加求幅度运算、比较求最值三部分。本发明专利技术的方案，可靠性更高，扩展性更好，可以实现信号的实时解调。的实时解调。的实时解调。

【技术实现步骤摘要】
一种基于GPU的PCM/FM遥测信号并行多符号检测方法


[0001]本专利技术涉及通信
，尤其涉及一种基于GPU的PCM/FM遥测信号并行多符号检测方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]传统的PCM/FM遥测解调多采用基于FPGA的硬件板卡实现，核心解调算法由FPGA完成。常用的基于FPGA的PCM/FM遥测信号解调器由信号处理模块、接口模块和数据采集模块组成，系统的结构框图如图1所示。其中数据采集模块将模拟信号进行数字采样，信号处理模块完成信号的下变频、滤波、多符号检测，接口模块负责将解调数据输出。
[0006]图1所示的结构以基于FPGA的信号处理板卡为核心，外加一些时钟管理和电源管理等模块，该板卡主要完成遥测信号的解调以及数据格式转换，但存在以下不足：
[0007](1)硬件系统结构复杂，嵌入式系统开发周期长、成本高，升级维护难度大；(2)软硬件之间高度的耦合性使得系统专用性强，一旦设计制造完成，功能扩展和修改困难大；(3)系统开发门槛高，完成系统的整体开发和调试需要开发人员克服硬件系统、软件语言、处理算法等多方面困难。

技术实现思路

[0008]为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种基于GPU的PCM/FM遥测信号并行多符号
检测方法，所述方法，用于解决现有技术中(1)基于FPGA板卡的信号处理所存在的软硬件紧耦合、开发周期长和升级难度大的技术问题；(2)基于GPU的多符号检测算法的实时性问题。
[0009]根据本专利技术的第一方面，提供一种基于GPU的PCM/FM遥测信号并行多符号检测方法，
[0010]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；
[0011]所述方法包括以下步骤：
[0012]步骤S401：所述信号采集模块包括ADC模块和数据分发服务(DDS，Data Distribution 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；
[0013]步骤S402：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；
[0014]步骤S403：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；
[0015]步骤S404：各GPU收到调度指令并获得数据后，将数据转化为浮点数；
[0016]步骤S405：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；
[0017]步骤S406：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；同步执行步骤S407和步骤S408；
[0018]步骤S407：将滤波后的数据进行并行叉积鉴频运算；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NCO进行频率修正；
[0019]步骤S408：对并行滤波后的数据进行4倍抽取以降低采样率，从而减小计算量；
[0020]步骤S409：对抽取后的数据进行位同步使数据位对齐，处理后的数据即为观测数据；
[0021]步骤S410：对所述观测数据，通过滑动窗口机制为其进行分段，以并行的方式计算每段观测数据的相关，每个线程块对应一段观测数据的计算；所述滑动窗口机制为：对所述观测数据，从所述观测数据的起始位开始，基于滑动步长及滑动窗口长度，同时获取所述观测数据的全部分段，每段观测数据的长度与滑动窗口长度相同；
[0022]步骤S411：对每段观测数据，将相关后的数据点按符号累加，并求每个符号位的幅度；
[0023]步骤S412：对每段观测数据，将每段观测数据的模平方结果划分为长度相同的两部分，获取前一半数据中幅度的最大值，以及后一半数据中幅度的最大值；
[0024]步骤S413：对每段观测数据，比较每段观测数据的两个幅度，进行符号位判决，若前一半数据对应的幅度最大值较大，则此符号位输出
‑
1；若后一半数据对应的幅度的最大值较大，则此符号位输出1。
[0025]根据本专利技术的第二方面，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，用于由处理本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于GPU的PCM
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FM遥测信号并行多符号检测方法，其特征在于，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；所述方法包括以下步骤：步骤S401：所述信号采集模块包括ADC模块和数据分发服务(DDS，Data Distribution 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S402：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S403：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S404：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S405：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S406：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；同步执行步骤S407和步骤S408；步骤S407：将滤波后的数据进行并行叉积鉴频运算；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NCO进行频率修正；步骤S408：对并行滤波后的数据进行4倍抽取以降低采样率，从而减小计算量；步骤S409：对抽取后的数据进行位同步使数据位对齐，处理后的数据即为观测数据；步骤S410：对所述观测数据，通过滑动窗口机制为其进行分段，以并行的方式计算每段观测数据的相关，每个线程块对应一段观测数据的计算；所述滑动窗口机制为：对所述观测数据，从所述观测数据的起始位开始，基于滑动步长及滑动窗口长度，同时获取所述观测数据的全部分段，每段观测数据的长度与滑动窗口长度相同；步骤S411：对每段观测数据，将相关后的数据点按符号累加，并求每个符号位的幅度；步骤S412：对每段观测数据，将每段观测数据的模平方结果划分为长度相同的两部分，获取前一半数据中幅度的最大值，以及后一半数据中幅度的最大值；步骤S413：对每段观测数据，比较每段观测数据的两个幅度，进行符号位判决，若前一半数据对应的幅度最大值较大，则此符号位输出
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1；若后一半数据对应的幅度的最大值较大，则此符号位输出1。
2.如权利要求1所述的基于GPU的PCM
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FM遥测信号并行多符号检测方法，其特征在于，所述步骤S405，进行数字下变频以降低频率，包括：将观测时段内接收到的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，观测时段内接收到的中频信号可以简化表示为：s...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦义文，孙宽飞，马宏，杨文革，吴涛，李超，李冬，滕飞，毛飞龙，高泽夫，李远鹏，柴恬怡，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：