基于GPU實現的調頻遙測解調方法

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實現的調頻遙測解調方法

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)

摘要調頻信號具有優良的航天器飛行尾焰抗干擾能力，被廣泛地應用于火箭和導彈遙測信號傳輸。傳統硬件邏輯電路結構復雜、修改時間長，而軟解調具有修改簡單等特點，但是軟解調運算時間長無法進行實時解調。隨著集成電路的發展，原先僅用于加速圖形計算的GPU逐步應用于數字信號處理。設計了利用GPU的軟解調，可以完成實時解調的要求。

關鍵詞調頻遙測；GPU；異構并行系統;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

調頻信號憑借其優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。傳統調頻遙測基帶均采用可編程邏輯器件(FPGA)實現系統功能，其硬件設計周期較長，且硬件平臺通用性低，程序設計受時序影響較大，距離軟件無線電設計理念差距較大[1]。

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

1調頻遙測設計

調頻遙測系統中主要由中頻極化合成、信噪比估計、位同步解調、MSD技術、TPC譯碼和遙測上報模塊。系統主要完成調頻信號的解調，將下變頻后的信號經過MSD運算，通過預估碼元間相位提高增益。求得解調出的軟信息的幀頭，找到數據塊起始位置，經過糾錯位糾正錯誤碼元，完成TPC譯碼。譯碼出的真實流數據再經過組幀上報至監控臺，通過監控臺系統將遙測信息傳輸到遠控終端。

1.1中頻極化合成

解調結構框圖如圖1所示。

圖1　解調結構框

極化合成：將AD采樣后的左旋信號通過左旋AGC調整，將信號能量控制在適合環路解調的范圍內；通過左旋AGC控制后的左旋信號與本地左旋載波產生單元產生的2路正交載波進行相乘，并對結果進行濾波，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。

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系數、右旋加權系數傳入共模環路；將I路左旋信號、I路右旋信號與左旋加權系數、右旋加權系數一一對應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系數、右旋加權系數一一對應相乘后再相加求得合成Q路信號；根據合成I路信號和合成Q路信號計算得到共模環路相位誤差。

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

1.2信噪比估計

通帶內的AD信號進行FFT處理，帶外的能量進行累加平均，由于通帶內為白噪聲則通帶內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，根據數據可能出現的情況將各個情況一一匹配，能量最高的就是數據的真實情況。

2并行信號處理算法

2.1調頻遙測系統應用結構

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

中頻解調主要完成中頻信號下變頻、低通濾波、鑒頻和環路濾波等功能。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范圍內。位同步主要是在鑒頻包絡中提取出位流時鐘，并且按照位流時鐘判斷出差分信息數據流。同時下變頻信息可以輸入到MSD模塊，通過MSD解調出軟信息。解調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、狀態信息和結尾位等信息位，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控臺的通信。

2.2中頻解調

環路更新時間是固定的，如果不能在規定時間內完成環路更新就會導致環路失鎖，所以必須在環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的多處理器結構就能很好地完成工作。中頻解調結構如圖2所示。

圖2　中頻解調結構

下面介紹如何分解成并行運算。在環路更新時間time0內的AD數據個數為N，由于在time0內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個采樣數據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用了CUDA內部的運算核。鑒頻后的結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，利用數據之間的相關性，判斷了數據ak的前面3個數據ak-3、ak-2、ak-1和后面3個數據ak+1、ak+2、ak+3對數據ak的影響[6]。這7 bit數據的情況是完全隨機的，為了能夠準確地將7 bit數據的情況遍歷，將7 bit數據展開，一共有27的頻譜形狀，將這些情況都一一羅列，設該矩陣為：

每個碼元采樣了8個點，相關的碼元為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。內存中存儲矩陣A的結構如圖3所示。

圖3　內存讀寫結構

每次進行乘法都需要在128個元素后調一個出來進行乘法，如果按照矩陣轉置的算法就可以連續將地址位取128個，這樣MSD的運算速度將提高不少[7]。

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

3基于GPU調頻遙測的硬件設計

利用AD采集卡將模擬信號轉化成數字信號，將數字信號傳遞到后臺信號處理模塊，而后臺信號處理程序將需要調整的AGC參數傳遞給AD采集卡，控制AD采集的幅度。前臺人機交互界面將參數傳遞進后臺信號處理模塊，信號解調后將解調的數據傳遞給前臺界面顯示。整個GPU實現的調頻遙測系統結構，如圖4所示[8]。

圖4　基于GPU實現的調頻遙測硬件結構

3.1AD采集卡

AD采集卡主要完成由模擬信號轉換成數字信號，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傳遞到含有GPU的服務器中進行信號處理，并將解調出的數據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通信接口結構如圖5所示。

圖5　AD采集卡與GPU的通信接口結構

3.2GPU運算硬件結構

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：分配調度單元、流處理器(Processor)、特殊功能單元、共享內存(Shared Memory)、內存訪問控制器、Cache、紋理內存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：參數設置、結果顯示、誤碼率統計和宏參數記錄等[10]。

4系統仿真及結果分析

硬件采用泰坦II系列GPU和浪潮主機天闊服務器W5801-G10。

4.1系統性能測試

調制信號加調到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，濾波器階數為36，濾波器參數為1.2×Rb/Fs，對該條件下的信號進行仿真處理，比較各種解調的性能。

對GPU解調后的結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可得如下結論：GPU解調結果與理論值接近，多符號檢測也具有3 dB的增益。從曲線可以看出，用硬件的解調性能要稍遜于GPU解調性能，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遙測數據解調時，GPU軟件計算需要時間如表1所示。

表1　時間測試結果

表1結果表明，測試了10次都小于理論值，可見GPU實現的調頻遙測系統可以完成實時解調的要求。

5結束語

隨著集成電路的發展，原先僅用于加速圖形計算的GPU逐步應用于信號處理。而利用CPU和GPU構建異構并行系統，已成為高性能計算領域一個非常重要的發展趨勢[11]。基于GPU的調頻遙測系統以其硬件通用性、系統調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實現的調頻遙測解調方法。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是亟待解決的問題[12-13]。

參考文獻

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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實現的調頻遙測解調方法[J].無線電工程,2016,46(4):35-38.