[发明专利]基于GPU数据流驱动的实时电磁频谱分析系统及方法

说明书

本发明涉及一种基于GPU数据流驱动的实时电磁频谱分析系统及方法，采用高性能GPU作为实时频谱测量分析设备或系统的运算和处理核心，以高性能GPU内部的高速显存作为设备或系统的缓存、GPU内部的高速总线取代设备或系统的总线，在GPU内部设定数据传输链路，采用数据流驱动方式，实现对采样后数字信号的高速传输、时域‑频域变换、数字滤波、数字信号调理、数据压缩、显示处理等功能，从而满足实时频谱测量分析中信号处理与测试采样的同步要求。本发明的分析系统可大幅度提升数字信号的分析处理能力，使之匹配信号采样的速度，避免因处理不及时造成缓冲区溢出、导致信号丢失，进而实现对宽带或瞬时电磁信号的实时频谱测量分析。

技术领域

本发明涉及一种基于GPU数据流驱动的实时电磁频谱分析系统及方法，属于电子信号测试测量领域。

背景技术

为实现更大的容量和更佳的安全性，现代电子信息系统占用的带宽越来越大、信号变化速率越来越快，这导致在一个很宽的频带上测量分析频谱的特性变化成为必须的技术手段。实时频谱分析仪就是实现这种手段的重要工具。另一方面，在遥控遥测遥感中经常需要捕获分析突发信号的频谱特性，突发信号持续时间越短、变化越快，就将占据越宽的瞬时带宽，只有实时频谱分析仪具备对突发信号进行精确的频谱分析能力。在通信、科学研究、军事、医疗、资源普查等领域，高性能实时频谱测试分析仪已成为重要的核心仪器设备。

实时频谱分析仪是伴随电子信息和计算机技术的进步而发展的，总体架构上采用冯诺依曼架构。仪器的运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部分各司其职：在控制器(中央处理器，CPU，含高速缓存)下，首先通过输入设备(采样单元，ADC)对模拟信号数字化得到信号数据，然后数据经计算机总线到存储器(这里主要是内存，即随机存贮器，RAM)缓存，再经计算机总线到运算单元(中央处理器，CPU，含高速缓存)进行频域-时域的转换、各种分析和后处理(后处理包括数据筛选、数据压缩等)，处理后的数据再一次经计算机总线到存储器(这里主要是内存，即随机存贮器，RAM)缓存，最后经计算机总线到输出设备(硬盘或显卡，显卡还要进行渲染处理)，最终存储或显示。

在实时频谱分析的进程中，负责中转数据的存储器、数学运算的运算单元和输入输出等单元处理的速度必须能够匹配输入设备的采样速度，满足实时频谱测量分析对信号处理与测试采样的同步要求，否则会导致采集信号的丢失。为了能够匹配ADC器件性能的提升，目前的实时频谱分析仪在保持现有架构的基础上，主要采用以下4种措施提升处理速度：

1.提升内存的速度，采用高速缓存实现数据的中转暂存。

2.在运算单元中大量采用FPGA或DSP替代CPU进行快速傅立叶(FFT)等专用变换，提升运算速度。同时，FPGA可以和ADC设计制作在同一块板卡上，之间直接进行数据传输，不用通过系统内存中转。中转受限于FPGA或DSP器件的处理资源，它们只能替代CPU的部分运算功能，同时它们运算完的数据也是在CPU的总体控制下，通过计算机总线和存储器进行数据中转。因此，这种改进可以把FPGA或DSP器件看成是对CPU运算功能的补充，是辅助运算单元(如图1所示)。

3.在输入输出中采用FPGA进行数据封装和交换等控制，尽可能匹配总线的传输带宽上限，提升传输速度。

4.使用GPU取代CPU作为运算单元，解决FPGA或DSP器件的处理资源有限的问题，实现时频转换的并行运算(如图2所示)。