基于GPU實現(xiàn)的調(diào)頻遙測解調(diào)方法

成亞勇，閆　冬，孫曉鋒，孫大元

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

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基于GPU實現(xiàn)的調(diào)頻遙測解調(diào)方法

成亞勇，閆冬，孫曉鋒，孫大元

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

摘要調(diào)頻信號具有優(yōu)良的航天器飛行尾焰抗干擾能力，被廣泛地應(yīng)用于火箭和導彈遙測信號傳輸。傳統(tǒng)硬件邏輯電路結(jié)構(gòu)復雜、修改時間長，而軟解調(diào)具有修改簡單等特點，但是軟解調(diào)運算時間長無法進行實時解調(diào)。隨著集成電路的發(fā)展，原先僅用于加速圖形計算的GPU逐步應(yīng)用于數(shù)字信號處理。設(shè)計了利用GPU的軟解調(diào)，可以完成實時解調(diào)的要求。

關(guān)鍵詞調(diào)頻遙測；GPU；異構(gòu)并行系統(tǒng);多符號檢測(MSD)

A Method of PCM-FM Demodulation Based on GPU

CHENG Ya-yong，YAN Dong，SUN Xiao-feng，SUN Da-yuan

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractPCM-FM signal provides good anti-interference performance for aerospace-craft jetting out the flame and is wildly used on signal transport of rocket and missile.Traditional logic circuit has complicated design and requires long-time modification.Soft demodulation has simple structure and needs long-time demodulation,which cannot be used for real-time demodulation.With development of logic circuit,GPU-based soft demodulation technology is used for real-time signal processing,which can meet real-time demodulation requirement.

Key wordsPCM-FM demodulation;GPU;heterogeneous parallel systems;MSD

0引言

調(diào)頻信號憑借其優(yōu)異的抗尾焰干擾能力，在火箭和導彈遙測信號傳輸中備受青睞。傳統(tǒng)調(diào)頻遙測基帶均采用可編程邏輯器件(FPGA)實現(xiàn)系統(tǒng)功能，其硬件設(shè)計周期較長，且硬件平臺通用性低，程序設(shè)計受時序影響較大，距離軟件無線電設(shè)計理念差距較大[1]。

GPU作為一種優(yōu)異的軟件無線電設(shè)計平臺，具有強大的并行處理能力，可在極短的時間內(nèi)完成規(guī)模化的運算處理，滿足信號處理實時性的要求[2]。本文給出一種GPU和CPU并行架構(gòu)平臺，利用GPU的并行處理能力，滿足CPU速度上的不足，實現(xiàn)調(diào)頻遙測信號的實時調(diào)制與解調(diào)，與FPGA平臺相比，平臺通用性顯著提高，且大大縮短了設(shè)計周期。在此基礎(chǔ)上，詳細介紹了基于GPU的調(diào)頻遙測解調(diào)算法，并對其性能和軟件計算能力[3]進行了仿真驗證，仿真結(jié)果表明本文算法性能優(yōu)異，遠遠滿足實際應(yīng)用的需求。

1調(diào)頻遙測設(shè)計

調(diào)頻遙測系統(tǒng)中主要由中頻極化合成、信噪比估計、位同步解調(diào)、MSD技術(shù)、TPC譯碼和遙測上報模塊。系統(tǒng)主要完成調(diào)頻信號的解調(diào)，將下變頻后的信號經(jīng)過MSD運算，通過預估碼元間相位提高增益。求得解調(diào)出的軟信息的幀頭，找到數(shù)據(jù)塊起始位置，經(jīng)過糾錯位糾正錯誤碼元，完成TPC譯碼。譯碼出的真實流數(shù)據(jù)再經(jīng)過組幀上報至監(jiān)控臺，通過監(jiān)控臺系統(tǒng)將遙測信息傳輸?shù)竭h控終端。

1.1中頻極化合成

解調(diào)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　解調(diào)結(jié)構(gòu)框

極化合成：將AD采樣后的左旋信號通過左旋AGC調(diào)整，將信號能量控制在適合環(huán)路解調(diào)的范圍內(nèi)；通過左旋AGC控制后的左旋信號與本地左旋載波產(chǎn)生單元產(chǎn)生的2路正交載波進行相乘，并對結(jié)果進行濾波，得到I路左旋信號和Q路左旋信號。

I路左旋信號和Q路左旋信號通過相干左旋AGC環(huán)路進行合并處理并將左旋信號的能量估計出來，用于左旋AGC控制和AGC加權(quán)。

將I路左旋信號、Q路左旋信號、I路右旋信號、Q路右旋信號以及左旋加權(quán)系數(shù)、右旋加權(quán)系數(shù)傳入共模環(huán)路；將I路左旋信號、I路右旋信號與左旋加權(quán)系數(shù)、右旋加權(quán)系數(shù)一一對應(yīng)相乘后再相加求得合成I路信號；將Q路左旋信號、Q路右旋信號與左旋加權(quán)系數(shù)、右旋加權(quán)系數(shù)一一對應(yīng)相乘后再相加求得合成Q路信號；根據(jù)合成I路信號和合成Q路信號計算得到共模環(huán)路相位誤差。

將共模環(huán)路相位誤差、差模環(huán)路相位誤差均反饋到本地左旋載波產(chǎn)生單元和本地右旋載波產(chǎn)生單元中。

1.2信噪比估計

通帶內(nèi)的AD信號進行FFT處理，帶外的能量進行累加平均，由于通帶內(nèi)為白噪聲則通帶內(nèi)的噪聲一樣可以估計信號覆蓋下的噪聲。噪聲和有效信號的總能量進行累加計算，去除噪聲估計得到純凈的信號能量，信號能量和噪聲能量用于估計信噪比。

1.3MSD

多符號檢測是一種無先驗信息匹配濾波，根據(jù)數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)的情況將各個情況一一匹配，能量最高的就是數(shù)據(jù)的真實情況。

2并行信號處理算法

2.1調(diào)頻遙測系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)

調(diào)頻遙測系統(tǒng)主要分成以下幾個部分：中頻解調(diào)、信噪比估計、位同步解調(diào)、MSD算法、TPC譯碼、遙測和上報。下面給出各個模塊功能及其設(shè)計方案。

中頻解調(diào)主要完成中頻信號下變頻、低通濾波、鑒頻和環(huán)路濾波等功能。信噪比估計是在中頻鎖定的情況下估計能量大小，從而將輸入信號的能量控制在適合的解調(diào)范圍內(nèi)。位同步主要是在鑒頻包絡(luò)中提取出位流時鐘，并且按照位流時鐘判斷出差分信息數(shù)據(jù)流。同時下變頻信息可以輸入到MSD模塊，通過MSD解調(diào)出軟信息。解調(diào)出的軟信息通過塊同步模塊找到塊頭，組成一個完整的塊信息，發(fā)送給TPC譯碼模塊。TPC模塊主要完成了TPC譯碼功能。遙測模塊通過監(jiān)控下達的幀頭、幀長、副幀類型和副幀長度等信息，將解碼后的信息組成信息幀。信息幀幀前需要加入開始信息、狀態(tài)信息和結(jié)尾位等信息位，這些信息打包組成上位機所需的遙測信息，通過上報模塊完成與監(jiān)控臺的通信。

2.2中頻解調(diào)

環(huán)路更新時間是固定的，如果不能在規(guī)定時間內(nèi)完成環(huán)路更新就會導致環(huán)路失鎖，所以必須在環(huán)路更新時間之前完成所有的運算。為了減少運算時間提高運算效率需要采用并行運算方式[4-5]，而GPU的多處理器結(jié)構(gòu)就能很好地完成工作。中頻解調(diào)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　中頻解調(diào)結(jié)構(gòu)

下面介紹如何分解成并行運算。在環(huán)路更新時間time0內(nèi)的AD數(shù)據(jù)個數(shù)為N，由于在time0內(nèi)NCO累加是不變的，所以可以將NCO累加按照增量累加N個，同時和AD傳入的N個采樣數(shù)據(jù)進行并行相乘即完成并行混頻運算。LPF模塊的并行算法則是調(diào)用了CUDA內(nèi)部的運算核。鑒頻后的結(jié)果采用遞歸法將鑒頻后的N個值累加成一個累加值，傳入環(huán)路濾波進行濾波，從而更新NCO的累加值。

2.3MSD

下面以7 bit多符號檢測為例進行介紹。MSD實際上是一種無先驗信息匹配濾波，利用數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，判斷了數(shù)據(jù)ak的前面3個數(shù)據(jù)ak-3、ak-2、ak-1和后面3個數(shù)據(jù)ak+1、ak+2、ak+3對數(shù)據(jù)ak的影響[6]。這7 bit數(shù)據(jù)的情況是完全隨機的，為了能夠準確地將7 bit數(shù)據(jù)的情況遍歷，將7 bit數(shù)據(jù)展開，一共有27的頻譜形狀，將這些情況都一一羅列，設(shè)該矩陣為：

每個碼元采樣了8個點，相關(guān)的碼元為7個，則這7個碼元的采樣量化值為：

進行無先驗信息匹配濾波為：

二維矩陣相乘是無法在GPU中完成的，所以需要把矩陣拆成每個元素相乘和累加。內(nèi)存中存儲矩陣A的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　內(nèi)存讀寫結(jié)構(gòu)

每次進行乘法都需要在128個元素后調(diào)一個出來進行乘法，如果按照矩陣轉(zhuǎn)置的算法就可以連續(xù)將地址位取128個，這樣MSD的運算速度將提高不少[7]。

高職院校園林技術(shù)專業(yè)教師是培養(yǎng)實用型、技能型專門人才的關(guān)鍵所在，園林技術(shù)專業(yè)教師的實踐教學能力若欠缺，勢必會影響高職學生專業(yè)職業(yè)能力的質(zhì)量，從而影響學生將來在工作中所發(fā)揮的實踐工作能力，甚至其職業(yè)生涯。所以，對于技能型強的高職院校園林技術(shù)專業(yè)的教師，培養(yǎng)教師實踐教學能力就顯得尤其重要。

3基于GPU調(diào)頻遙測的硬件設(shè)計

利用AD采集卡將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，將數(shù)字信號傳遞到后臺信號處理模塊，而后臺信號處理程序?qū)⑿枰{(diào)整的AGC參數(shù)傳遞給AD采集卡，控制AD采集的幅度。前臺人機交互界面將參數(shù)傳遞進后臺信號處理模塊，信號解調(diào)后將解調(diào)的數(shù)據(jù)傳遞給前臺界面顯示。整個GPU實現(xiàn)的調(diào)頻遙測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖4所示[8]。

圖4　基于GPU實現(xiàn)的調(diào)頻遙測硬件結(jié)構(gòu)

3.1AD采集卡

AD采集卡主要完成由模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，同時AGC要控制AD采集的能量大小。AD采集卡有4路采集信號通道，將采集到的4路信號通過FPGA傳遞到光口，再通過多路光纖傳輸系統(tǒng)傳遞到含有GPU的服務(wù)器中進行信號處理，并將解調(diào)出的數(shù)據(jù)傳遞到遠程控制平臺。將角跟蹤模塊計算出來的控制電壓傳入DAC控制天線伺服。DB44采用422電平進行板間通信，AD采集卡與GPU通信接口結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　AD采集卡與GPU的通信接口結(jié)構(gòu)

3.2GPU運算硬件結(jié)構(gòu)

GPU可編程單元都是由N個處理器組成，每個處理器包含以下器件：分配調(diào)度單元、流處理器(Processor)、特殊功能單元、共享內(nèi)存(Shared Memory)、內(nèi)存訪問控制器、Cache、紋理內(nèi)存cache和32位寄存器(Registers)等[9]。

3.3前臺人機交互界面

前臺人機交互界面有4個主要功能：參數(shù)設(shè)置、結(jié)果顯示、誤碼率統(tǒng)計和宏參數(shù)記錄等[10]。

4系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

硬件采用泰坦II系列GPU和浪潮主機天闊服務(wù)器W5801-G10。

4.1系統(tǒng)性能測試

調(diào)制信號加調(diào)到70 MHz中頻信號，載波頻偏fd為50 kHz。接收利用AD采樣，采樣速率Fs為56 MHz，碼速率Rb為2 MHz，采用FIR矩陣窗進行濾波，濾波器階數(shù)為36，濾波器參數(shù)為1.2×Rb/Fs，對該條件下的信號進行仿真處理，比較各種解調(diào)的性能。

對GPU解調(diào)后的結(jié)果同理論值進行比較，誤碼率信噪比曲線如圖6所示。

圖6　誤碼率信噪比曲線

從圖6可得如下結(jié)論：GPU解調(diào)結(jié)果與理論值接近，多符號檢測也具有3 dB的增益。從曲線可以看出，用硬件的解調(diào)性能要稍遜于GPU解調(diào)性能，這是由于GPU可以做浮點運算而硬件只能做定點運算的緣故。

4.2軟件計算能力測試

基于上述條件，在500 min遙測數(shù)據(jù)解調(diào)時，GPU軟件計算需要時間如表1所示。

表1　時間測試結(jié)果

表1結(jié)果表明，測試了10次都小于理論值，可見GPU實現(xiàn)的調(diào)頻遙測系統(tǒng)可以完成實時解調(diào)的要求。

5結(jié)束語

隨著集成電路的發(fā)展，原先僅用于加速圖形計算的GPU逐步應(yīng)用于信號處理。而利用CPU和GPU構(gòu)建異構(gòu)并行系統(tǒng)，已成為高性能計算領(lǐng)域一個非常重要的發(fā)展趨勢[11]?；贕PU的調(diào)頻遙測系統(tǒng)以其硬件通用性、系統(tǒng)調(diào)試靈活性和接口方便的特點越來越受到重視。本文介紹了一種軟解調(diào)實現(xiàn)的調(diào)頻遙測解調(diào)方法。目前PCM-FM多用于飛行器的遙測檢后處理中，如何完成實時信號解調(diào)是亟待解決的問題[12-13]。

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成亞勇男，(1976—)，高級工程師。主要研究方向：航天測控、衛(wèi)星測量和安控等。

閆冬女，(1984—)，工程師。主要研究方向：航天測控、信號處理。

作者簡介

中圖分類號TP391.4

文獻標志碼A

文章編號1003-3106(2016)04-0035-04

收稿日期：2016-01-18

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.04.09

引用格式：成亞勇，閆冬，孫曉鋒，等.基于GPU實現(xiàn)的調(diào)頻遙測解調(diào)方法[J].無線電工程,2016,46(4):35-38.