基于GPU实现的调频遥测解调方法

成亚勇，闫　冬，孙晓锋，孙大元

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)



基于GPU实现的调频遥测解调方法

成亚勇，闫冬，孙晓锋，孙大元

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)

摘要调频信号具有优良的航天器飞行尾焰抗干扰能力，被广泛地应用于火箭和导弹遥测信号传输。传统硬件逻辑电路结构复杂、修改时间长，而软解调具有修改简单等特点，但是软解调运算时间长无法进行实时解调。随着集成电路的发展，原先仅用于加速图形计算的GPU逐步应用于数字信号处理。设计了利用GPU的软解调，可以完成实时解调的要求。

关键词调频遥测；GPU；异构并行系统;多符号检测(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

调频信号凭借其优异的抗尾焰干扰能力，在火箭和导弹遥测信号传输中备受青睐。传统调频遥测基带均采用可编程逻辑器件(FPGA)实现系统功能，其硬件设计周期较长，且硬件平台通用性低，程序设计受时序影响较大，距离软件无线电设计理念差距较大[1]。

GPU作为一种优异的软件无线电设计平台，具有强大的并行处理能力，可在极短的时间内完成规模化的运算处理，满足信号处理实时性的要求[2]。本文给出一种GPU和CPU并行架构平台，利用GPU的并行处理能力，满足CPU速度上的不足，实现调频遥测信号的实时调制与解调，与FPGA平台相比，平台通用性显著提高，且大大缩短了设计周期。在此基础上，详细介绍了基于GPU的调频遥测解调算法，并对其性能和软件计算能力[3]进行了仿真验证，仿真结果表明本文算法性能优异，远远满足实际应用的需求。

1调频遥测设计

调频遥测系统中主要由中频极化合成、信噪比估计、位同步解调、MSD技术、TPC译码和遥测上报模块。系统主要完成调频信号的解调，将下变频后的信号经过MSD运算，通过预估码元间相位提高增益。求得解调出的软信息的帧头，找到数据块起始位置，经过纠错位纠正错误码元，完成TPC译码。译码出的真实流数据再经过组帧上报至监控台，通过监控台系统将遥测信息传输到远控终端。

1.1中频极化合成

解调结构框图如图1所示。

图1　解调结构框

极化合成：将AD采样后的左旋信号通过左旋AGC调整，将信号能量控制在适合环路解调的范围内；通过左旋AGC控制后的左旋信号与本地左旋载波产生单元产生的2路正交载波进行相乘，并对结果进行滤波，得到I路左旋信号和Q路左旋信号。

I路左旋信号和Q路左旋信号通过相干左旋AGC环路进行合并处理并将左旋信号的能量估计出来，用于左旋AGC控制和AGC加权。

将I路左旋信号、Q路左旋信号、I路右旋信号、Q路右旋信号以及左旋加权系数、右旋加权系数传入共模环路；将I路左旋信号、I路右旋信号与左旋加权系数、右旋加权系数一一对应相乘后再相加求得合成I路信号；将Q路左旋信号、Q路右旋信号与左旋加权系数、右旋加权系数一一对应相乘后再相加求得合成Q路信号；根据合成I路信号和合成Q路信号计算得到共模环路相位误差。

将共模环路相位误差、差模环路相位误差均反馈到本地左旋载波产生单元和本地右旋载波产生单元中。

1.2信噪比估计

通带内的AD信号进行FFT处理，带外的能量进行累加平均，由于通带内为白噪声则通带内的噪声一样可以估计信号覆盖下的噪声。噪声和有效信号的总能量进行累加计算，去除噪声估计得到纯净的信号能量，信号能量和噪声能量用于估计信噪比。

1.3MSD

多符号检测是一种无先验信息匹配滤波，根据数据可能出现的情况将各个情况一一匹配，能量最高的就是数据的真实情况。

2并行信号处理算法

2.1调频遥测系统应用结构

调频遥测系统主要分成以下几个部分：中频解调、信噪比估计、位同步解调、MSD算法、TPC译码、遥测和上报。下面给出各个模块功能及其设计方案。

中频解调主要完成中频信号下变频、低通滤波、鉴频和环路滤波等功能。信噪比估计是在中频锁定的情况下估计能量大小，从而将输入信号的能量控制在适合的解调范围内。位同步主要是在鉴频包络中提取出位流时钟，并且按照位流时钟判断出差分信息数据流。同时下变频信息可以输入到MSD模块，通过MSD解调出软信息。解调出的软信息通过块同步模块找到块头，组成一个完整的块信息，发送给TPC译码模块。TPC模块主要完成了TPC译码功能。遥测模块通过监控下达的帧头、帧长、副帧类型和副帧长度等信息，将解码后的信息组成信息帧。信息帧帧前需要加入开始信息、状态信息和结尾位等信息位，这些信息打包组成上位机所需的遥测信息，通过上报模块完成与监控台的通信。

2.2中频解调

环路更新时间是固定的，如果不能在规定时间内完成环路更新就会导致环路失锁，所以必须在环路更新时间之前完成所有的运算。为了减少运算时间提高运算效率需要采用并行运算方式[4-5]，而GPU的多处理器结构就能很好地完成工作。中频解调结构如图2所示。

图2　中频解调结构

下面介绍如何分解成并行运算。在环路更新时间time0内的AD数据个数为N，由于在time0内NCO累加是不变的，所以可以将NCO累加按照增量累加N个，同时和AD传入的N个采样数据进行并行相乘即完成并行混频运算。LPF模块的并行算法则是调用了CUDA内部的运算核。鉴频后的结果采用递归法将鉴频后的N个值累加成一个累加值，传入环路滤波进行滤波，从而更新NCO的累加值。

2.3MSD

下面以7 bit多符号检测为例进行介绍。MSD实际上是一种无先验信息匹配滤波，利用数据之间的相关性，判断了数据ak的前面3个数据ak-3、ak-2、ak-1和后面3个数据ak+1、ak+2、ak+3对数据ak的影响[6]。这7 bit数据的情况是完全随机的，为了能够准确地将7 bit数据的情况遍历，将7 bit数据展开，一共有27的频谱形状，将这些情况都一一罗列，设该矩阵为：

每个码元采样了8个点，相关的码元为7个，则这7个码元的采样量化值为：

进行无先验信息匹配滤波为：

二维矩阵相乘是无法在GPU中完成的，所以需要把矩阵拆成每个元素相乘和累加。内存中存储矩阵A的结构如图3所示。

图3　内存读写结构

每次进行乘法都需要在128个元素后调一个出来进行乘法，如果按照矩阵转置的算法就可以连续将地址位取128个，这样MSD的运算速度将提高不少[7]。

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3基于GPU调频遥测的硬件设计

利用AD采集卡将模拟信号转化成数字信号，将数字信号传递到后台信号处理模块，而后台信号处理程序将需要调整的AGC参数传递给AD采集卡，控制AD采集的幅度。前台人机交互界面将参数传递进后台信号处理模块，信号解调后将解调的数据传递给前台界面显示。整个GPU实现的调频遥测系统结构，如图4所示[8]。

图4　基于GPU实现的调频遥测硬件结构

3.1AD采集卡

AD采集卡主要完成由模拟信号转换成数字信号，同时AGC要控制AD采集的能量大小。AD采集卡有4路采集信号通道，将采集到的4路信号通过FPGA传递到光口，再通过多路光纤传输系统传递到含有GPU的服务器中进行信号处理，并将解调出的数据传递到远程控制平台。将角跟踪模块计算出来的控制电压传入DAC控制天线伺服。DB44采用422电平进行板间通信，AD采集卡与GPU通信接口结构如图5所示。

图5　AD采集卡与GPU的通信接口结构

3.2GPU运算硬件结构

GPU可编程单元都是由N个处理器组成，每个处理器包含以下器件：分配调度单元、流处理器(Processor)、特殊功能单元、共享内存(Shared Memory)、内存访问控制器、Cache、纹理内存cache和32位寄存器(Registers)等[9]。

3.3前台人机交互界面

前台人机交互界面有4个主要功能：参数设置、结果显示、误码率统计和宏参数记录等[10]。

4系统仿真及结果分析

硬件采用泰坦II系列GPU和浪潮主机天阔服务器W5801-G10。

4.1系统性能测试

调制信号加调到70 MHz中频信号，载波频偏fd为50 kHz。接收利用AD采样，采样速率Fs为56 MHz，码速率Rb为2 MHz，采用FIR矩阵窗进行滤波，滤波器阶数为36，滤波器参数为1.2×Rb/Fs，对该条件下的信号进行仿真处理，比较各种解调的性能。

对GPU解调后的结果同理论值进行比较，误码率信噪比曲线如图6所示。

图6　误码率信噪比曲线

从图6可得如下结论：GPU解调结果与理论值接近，多符号检测也具有3 dB的增益。从曲线可以看出，用硬件的解调性能要稍逊于GPU解调性能，这是由于GPU可以做浮点运算而硬件只能做定点运算的缘故。

4.2软件计算能力测试

基于上述条件，在500 min遥测数据解调时，GPU软件计算需要时间如表1所示。

表1　时间测试结果

表1结果表明，测试了10次都小于理论值，可见GPU实现的调频遥测系统可以完成实时解调的要求。

5结束语

随着集成电路的发展，原先仅用于加速图形计算的GPU逐步应用于信号处理。而利用CPU和GPU构建异构并行系统，已成为高性能计算领域一个非常重要的发展趋势[11]。基于GPU的调频遥测系统以其硬件通用性、系统调试灵活性和接口方便的特点越来越受到重视。本文介绍了一种软解调实现的调频遥测解调方法。目前PCM-FM多用于飞行器的遥测检后处理中，如何完成实时信号解调是亟待解决的问题[12-13]。

参考文献

[1]王晓波，吴岭，徐松艳.MSD与TPC技术在PCM-FM遥测系统中的应用研究[J].遥测遥控,2007,28(S11):49-53.

[2]郝建民.两项技术使PCM-FM 遥测系统信噪比增益提高9dB[J].遥测遥控,2004,25(6):6-8.

[3]GEOGHEGAN M.Improving the Detection Efficiency of Conventional PCM/FM Telemetry by Using a Multi-symbol Demodulator[C]∥Proc of International Telemetering Conference,2000:675-682．

[4]OSBORNE W P,LUNTZ M B.Coherent and Non-coherent Detection of CPFSK[J].IEEE Transactions on Communications,1974,22(8):1 023-1 036.

[5]PHARR M.GPU精粹2：高性能图形芯片和通用计算编程技巧[M].龚敏敏,译.北京：清华大学出版社，2007:357-376.

[6]万单领.基于GPU加速的并行粒子群算法及其应用[D].大连:大连理工大学硕士学位论文,2007:32-40.

[7]阮秋琦.数字图像处理学(第2版)[M].北京：电子工业出版社，2007:199-203.

[8]PELCHAT M G，DAVIS R C，LUNTZ M B.Coherent demodulation of continous phase binary FSK signals[C]∥Proc of International Telemetering Conference,1971:181-190.

[9]PROKIS J G.数字通信(第4版)[M]．张立军，张宗橙，郑宝玉，等，译．北京:电子工业出版社，2010:135-140.

[10]LASTOVETSKY A.Adaptive Parallel Computing on Heterogeneous Networks with M-pc[J].Parallel Comput.2002,28:1 369-1 407.

[11]LASTOVETSKY A L.mpC:a Multi-paradigm Programming Language for Massively Parallel Computers[J].SIGPLAN Not,1996(31):13-20.

[12]艾名舜.多线性调频信号瞬时频率估计快速算法[J].无线电通信技术，2014，40(6)：40-43.

[13]吕平,高勇.一种CPM信号与PSK类信号的调制识别算法[J].无线电通信技术，2015，41(4)：68-71.

成亚勇男，(1976—)，高级工程师。主要研究方向：航天测控、卫星测量和安控等。

闫冬女，(1984—)，工程师。主要研究方向：航天测控、信号处理。

作者简介

中图分类号TP391.4

文献标志码A

文章编号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：成亚勇，闫冬，孙晓锋，等.基于GPU实现的调频遥测解调方法[J].无线电工程,2016,46(4):35-38.