基于CUDA的GPS信號C/A碼快速捕獲探析

賈興剛　許向陽　劉丹丹

摘 要 為了實現PC平臺上GPS軟件接收機C/A碼信號的快速搜索，本文提出了一種由CUDA快速捕獲GPS信號的方法。該方法以數據分塊和頻率補償信號捕獲算法為基礎，通過CUDA代碼的編寫，在GPU上并行計算實現信號的捕獲。最后，將本方法與傳統(tǒng)的捕獲方法進行比較。

關鍵詞 CUDA；捕獲；數據分塊；軟件接收機

中圖分類號 TN92 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）15-0087-01

GPS擴頻信號的快速捕獲技術一直是衛(wèi)星信號處理研究的熱點。CUDA是利用圖形處理單元實現通用計算的編程模型，能夠使用大量的處理單元進行并行計算。本文在數據分塊和頻率補償信號捕獲算法基礎上，提出一種利用CUDA實現GPS信號C/A碼快速捕獲的方法。仿真結果表明：冷啟動條件下，搜索完全部GPS衛(wèi)星只需1.602s，捕獲時間減少了。

1 數據分塊和頻率補償信號捕獲原理

數據分塊和頻率補償的信號補償算法是將Lms的采樣數據分塊，每塊包含1ms的數據，通過載波相位調整后的數據塊累加使信號強度提高，將中頻數據采樣按橫塊和豎塊重新排列，對豎塊數據進行FFT，對橫快數據進行FFT碼相位并行捕獲。

對一個L×N的輸入數據塊捕獲，數據分塊和頻率補償的信號捕獲總的FFT運算量為10×2×L個N點FFT加上N個L點FFT，如果直接對L×N的輸入數據進行FFT，總的計算量為20×L個L×N點的FFT。當L>1時，通過幾種不同的L長度兩種方法的運算量對比，先分塊處理然后進行FFT捕獲，利用FFT快速算法減少計算量從而達到快速捕獲的目的。

2 基于CUDA的快速捕獲

CUDA將并行計算從大型集群擴展到普通顯卡，使用戶只需要配置英偉達顯卡的電腦就可以運行較大規(guī)模的并行處理程序。GPU執(zhí)行FFT的并行計算速度超過了CPU執(zhí)行FFT的速度，使用基于數據分塊頻率補償與cuFFT相結合的的信號捕獲算法，可以實現更快的捕獲。

設定FFT點數為8192，輸入數據FFT的運算組數（Batch）為10，本地信號FFT的Batch為30，采用300個線程實現頻域相乘的操作。FFT的最大操作元素個數為8192×10×30=2457600。捕獲N號衛(wèi)星的操作步驟如下：

Step1分配主機內存空間。

Step2分配設備內存空間。

Step3傳入衛(wèi)星信號。

Step4對信號分塊。

Step5對輸入信號進行cuFFT變換。

Step6對本地偽碼進行cuFFT變換。

Step7根據頻率步進值調整偽碼cuFFT順序，將輸入信號的FFT結果和本地偽碼信號FFT結果共軛做乘法。

Step8對結果做cuIFFT逆變換得到一個矩陣，對這個矩陣中的數判斷最大值是否超過閾值。

Step9如果超過閾值，則捕獲成功，橫向是多普勒頻移信息，縱向是偽碼相位信息。如果不是則返回第一步繼續(xù)。

3 性能測試

在VS2010下利用C語言和CUDA編程語言分別實現捕獲算法。一種是基于FFT的碼相位并行搜索算法，使用的FFT是做了適量修改后的FFTW軟件包；另一種方法是本文提出的基于CUDA的快速捕獲方法。

仿真環(huán)境設置：硬件平臺為：英特爾i7-7700 3.60GHz，顯卡NVIDIA GeForce GTX 1060，3GB顯存，GPU的核心頻率是1.76GHz，1152個流處理器。測試過程中使用的時間函數是VS2010自帶的clock（）函數。仿真環(huán)境不同測試的結果可能不同。

準備一組靜態(tài)測試的中頻數據?；緟禐椋?0s的BeiDou和GPS雙模中頻數據文件。采樣頻率為16.367 6MHz，理論中頻為4.130 4MHz，2比特量化，高比特為符號位，低比特為幅度位。程序中設計只捕獲GPS信號，兩種方法捕獲結果如表1所示。

由表1可見，兩種方法檢測到的參數幾乎相同，檢測性能沒有影響，但改進方法的計算速度提高了。

4 結論

本文針對GPS軟件接收機C/A碼信號快速捕獲的問題，以數據分塊和頻率補償的信號補償算法為基礎，提出了一種CUDA運算數據分塊和頻率補償算法快速捕獲GPS信號的方法。在PC平臺下將本方法和傳統(tǒng)碼相位捕獲方法進行了比較，結果表明，在保證捕獲性能的前提下，捕獲時間減少了。該方法對其他擴頻信號的快速捕獲具有一定的參考價值。

參考文獻

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