[发明专利]一种基于GPU的PCM/FM遥测信号并行多符号检测方法

权利要求书

1.一种基于GPU的PCM/FM遥测信号并行多符号检测方法，基于具有图形处理器GPU的遥测解调系统实现，其特征在于，所述具有图形处理器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模拟数字转换ADC模块、10MHz频标模块，所述信号采集模块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、存储模块及处理模块，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中央处理器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数据，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的系统调度通过高速串行计算机扩展总线标准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中间件，在所述信号采集模块中，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，获取脉冲编码调制/调频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：各GPU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：各GPU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：各GPU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：各GPU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：各GPU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性，每个线程块用于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：各GPU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：各GPU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：各GPU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；

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(t)＝cos[ω_ct+f(t)+θ₁] (公式1)

其中s(t)为PCM/FM遥测信号，ω_c为载波频率，t为时间，f(t)为调制信号，θ₁为初始相位；

对s(t)进行数字下变频处理，采用NCO产生的正交本振为cos(ω_ct)和sin(ω_ct)与s(t)相乘，经过混频滤波之后，得到正交基带信号为：

I＝cos(f(t)+θ₁) (公式2)

Q＝-sin(f(t)+θ₁) (公式3)

转化为复信号形式：R＝I+j·Q＝cos(f(t)+θ₁)-j·sin(f(t)+θ₁) (公式4)

其中R为接收到的遥测信号，I为同相信号，Q为正交信号；

步骤S410中，计算每段观测数据的相关性，包括：

发送位同步后的数据，将与发送信号相同的本地复信号在观测时段内表示为：

L＝cos(f(t)+θ₂)+j·sin(f(t)+θ₂) (公式5)

其中，L为本地复信号，θ₂为本地复信号的初始相位，j为虚数单位；

将本地信号与所述正交基带信号相乘，得到

R·L＝cos(θ₂-θ₁)+j·sin(θ₂-θ₁)

＝I_B+j·Q_B (公式6)

其中，I_B为相关结果的同相分量，Q_B为相关结果的正交分量；

步骤S411：将相关后的数据点按符号累加，并求每个符号位的幅度，包括：

假设观测时段内的采样点数为Nc，则对公式6在观测时间内进行积分，得到：

M＝N_c·I_B+j·N_c·Q_B (公式7)

其中，M为累加结果；

对公式6得到的复信号进行模平方运算，得到

S＝N_c²·(I_B²+Q_B²) (公式8)。