一種基於cuda的多體制信號頻率快速捕獲實現方法
2023-05-10 15:00:56 2
一種基於cuda的多體制信號頻率快速捕獲實現方法
【專利摘要】一種基於CUDA的多體制信號頻率快速捕獲實現方法，其特點在於：基於高性能PC，利用CUDA架構，以並行的方式實現多體制信號頻率的快速捕獲；實現步驟包括：設置都卜勒及都卜勒變化率分段，確定各GPU內核函數的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，將信號數據讀入GPU卡全局存儲空間，啟動下變頻和積分模塊，進行並行FFT運算，以並行歸約方式查找最大值譜線及對應的都卜勒變化率分段和都卜勒分段，計算載波頻偏和都卜勒變化率估值完成捕獲。本發明使信號頻率快速捕獲算法符合CUDA架構和GPU工作特點，能夠充分發揮GPU並行計算能力，同時適合多種體制的信號，有效提高捕獲速度且易於實現。
【專利說明】—種基於CUDA的多體制信號頻率快速捕獲實現方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種信號頻率快速捕獲實現方法，特別是一種基於CUDA的多體制信號頻率快速捕獲方法。
【背景技術】
[0002]信號的快速捕獲是測控通信的關鍵技術之一，隨著深空探測技術的發展，信號捕獲技術的難度和複雜度大大增加，當信號極其微弱且都卜勒動態範圍大、變化率高時，信號捕獲一般採用二維FFT捕獲方法，即首先對都卜勒分段，再在每個都卜勒頻點對都卜勒變化率分段，並在每個分段上進行相關、積分和FFT運算，查找最大譜線，這使得信號捕獲過程的運算量呈級數增長。現有的研究中一般採用高性能FPGA來實現這種二維FFT信號頻率快速捕獲算法，這種方式需要開發專門的硬體板卡，實現複雜，且FPGA的資源有限，一般一次只能實現一種體制信號的捕獲，通用性差、可擴展性差。
[0003]近年來，隨著商用高性能計算機系統的普及，基於現代高性能PC或伺服器平臺的信號處理技術成為新的研究熱點，並且，統一計算設備架構(Computer Unified DeviceArchitecture, CUDA)開啟了使用GPU強大計算能力做通用計算的大門，GPU具有強大的並行計算能力，如果能夠通過CUDA架構在GPU上實現複雜的二維FFT信號快速捕獲算法，就能夠大大提高信號捕獲的速度，同時適應多種體制，實現手段簡單，可擴展性強。
【發明內容】
[0004]本發明的技術解決問題是:克服現有技術的不足之處，提供了種基於CUDA的多體制信號頻率快速捕獲方法，以高性能PC為平臺，基於CUDA架構，以並行的方式實現多體制信號頻率的快速捕獲；本發明使信號頻率快速捕獲算法符合CUDA架構和GPU工作特點，能夠充分發揮GPU並行計算能力，同時適合多種體制的信號，有效提高了捕獲速度且易於實現。
[0005]本發明的技術解決方案是:一種基於CUDA的多體制信號頻率快速捕獲方法，步驟如下:
[0006](I) CPU通過CUDA架構選擇GPU協處理器並初始化CPU和GPU的運行環境，同時對運行參數進行初始化設置，所述運行參數包括:信號數據文件路徑、信號碼速率、信號採樣頻率、信號載波頻率初始值、信號都卜勒範圍、信號都卜勒變化率範圍、信號的FFT分析點數和信號體制；
[0007](2) CPU根據步驟(I)中設置的信號數據文件路徑將信號數據從數據文件讀入CPU內存中；
[0008](3) CPU根據步驟(I)中設置的信號碼速率確定信號的FFT採樣頻率和信號的FFT分析帶寬，然後根據信號的FFT採樣頻率計算對步驟(I)中設置的信號都卜勒範圍進行分段的步進值，進而確定都卜勒分段數，根據信號的FFT分析帶寬計算對步驟(I)中設置的信號都卜勒變化率範圍進行分段的步進值，進而確定都卜勒變化率分段數，最後根據步驟(I)中設置的信號採樣頻率和本步驟獲得的信號FFT採樣頻率計算信號的積分長度；
[0009](4) CPU分配GPU全局存儲空間，並初始化已分配的GPU全局存儲空間；
[0010](5)CPU根據步驟(3)中獲得的信號的積分長度設置GPU中在每個都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段對信號進行下變頻和積分處理的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目；
[0011](6)CPU根據步驟(3)中獲得的都卜勒變化率分段數和步驟(I)中設置的信號FFT分析點數設置並行一維FFT運算的參數，所述並行一維FFT運算的參數包括並行的一維FFT運算的個數和每個一維FFT運算的FFT分析點數；
[0012](7)CPU根據步驟(3)獲得的都卜勒變化率分段數和步驟(I)中設置的信號FFT分析點數設置GPU對每個都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段的FFT模值進行二維最大值查找的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，所述二維最大值查找的結果為一個維度與都卜勒變化率分段數相同的一維數組，對所有都卜勒分段進行二維最大值查找的結果為一個二維數組，該數組的一個維度為都卜勒分段數，另一個維度為都卜勒變化率分段數；
[0013](S)CPU根據步驟(3)獲得的都卜勒變化率分段數和都卜勒分段數設置GPU對步驟(7)中所述的一個維度為都卜勒分段數，另一個維度為都卜勒變化率分段數的二維數組進行二維最大值查找的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，所述二維最大值查找的結果為一個維度與都卜勒分段數相同的一維數組；
[0014](9) CPU根據步驟(3)獲得的都卜勒分段數設置GPU對步驟⑶所述的維度與都卜勒分段數相同的一維數組進行一維最大值查找的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目；
[0015](1)CPU將步驟⑵中讀入到CPU內存中的信號數據從CPU內存拷貝至步驟(4)確定的GPU全局存儲空間中；
[0016](Il)GPU利用步驟(5)中確定的在每個都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段對信號進行下變頻和積分處理的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，以並行的方式完成對步驟(10)讀入到GPU全局存儲空間中的信號數據的下變頻處理，然後以歸約算法進行並行求和，並對並行求和後的結果進行鑑相處理，將鑑相處理結果寫回步驟(4)確定的GPU全局存儲空間中，所述每個都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段對信號進行下變頻和積分處理的結果為一個二維數組，該數組的一個維度為都卜勒變化率分段數，另一個維度為信號的FFT分析點數；
[0017](12)GPU利用步驟(6)中確定的並行一維FFT運算的參數，對步驟(11)中的處理結果進行並行一維FFT運算，並將結果寫回步驟(4)確定的GPU全局存儲空間，所述並行一維FFT運算結果為一個二維數組，該數組的一個維度為都卜勒變化率分段數，另一個維度為信號的FFT分析點數；
[0018](13)GPU根據步驟(7)中確定的對每個都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段的FFT模值進行二維最大值查找的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，以多個線程塊及多個線程並行的方式完成對步驟(12)的並行一維FFT運算結果分別進行取模獲得FFT模值，並分別對FFT模值以歸約算法並行查找最大值和最大值對應的FFT點號，並將獲得的結果寫回步驟(4)確定的GPU全局存儲空間，所述對每個都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段的FFT模值進行二維最大值查找的結果為一個維度與都卜勒變化率分段數相同的一維數組；
[0019](14)GPU循環進行步驟(11)至步驟(13)，循環次數為都卜勒分段數，獲得對所有都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段的FFT模值進行二維最大值查找的結果，所述結果為一個二維數組，該數組的一個維度為都卜勒分段數，另一個維度為都卜勒變化率分段數；
[0020](15)GPU根據步驟(8)中確定的對步驟(14)獲得的二維數組進行二維最大值查找的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，以多個線程塊及多個線程並行的方式完成對步驟(14)獲得的二維數組分別以歸約算法並行查找FFT模值在每一個都卜勒分段下所有都卜勒變化率範圍內的最大值和對應的都卜勒變化率分段號，並將獲得的結果寫回步驟(4)確定的GPU全局存儲空間，所述對步驟(14)獲得的二維數組進行二維最大值查找的結果為一個維度與都卜勒分段數相同的一維數組；
[0021](16)GPU根據步驟(9)中確定的對步驟(15)獲得的維度與都卜勒分段數相同的一維數組進行一維最大值查找的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，以多個線程並行的方式完成對步驟(15)獲得的一維數組以歸約算法並行查找FFT模值在所有都卜勒分段中的最大值和對應的最大都卜勒分段號，並將結果寫回步驟(4)確定的GPU全局存儲空間；
[0022](17)CPU將步驟(16)中獲得的FFT模值在所有都卜勒分段中的最大值及其對應的都卜勒分段號、所述FFT模值在所有都卜勒分段中的最大值在步驟(14)獲得的對應的FFT點號和在步驟(15)獲得的對應的都卜勒變化率分段號從GPU全局存儲空間中拷貝回CPU內存，並計算載波頻偏和都卜勒變化率。
[0023]所述信號包括BPSK信號和標準TT&C信號。
[0024]所述步驟(3)中，CPU根據步驟⑴中設置的信號碼速率確定信號的FFT採樣頻率和信號的FFT分析帶寬，然後根據信號的FFT採樣頻率計算對步驟(I)中設置的信號都卜勒範圍進行分段的步進值，進而確定都卜勒分段數，根據信號的FFT分析帶寬計算對步驟
(I)中設置的信號都卜勒變化率範圍進行分段的步進值，進而確定都卜勒變化率分段數，最後根據步驟(I)中設置的信號採樣頻率和本步驟獲得的信號FFT採樣頻率計算信號的積分長度，具體為:
[0025]當信號體制為二相編碼體制，即BPSK時:
[0026]Fs = CodeRate ；
[0027]RBff = Fs/FFTSize ；
[0028]PerDoppler = Fs/4 ；
[0029]PerDopplerRate = 3 X RBff X RBff ；
[0030]Seg = 2 X Doppler/PerDoppler+1 ；
[0031]Segl = 2 X DopplerRate/PerDoppleRate+1 ；
[0032]SumSize = SampleRate/Fs+0.5 ；
[0033]當信號體制為統一測控體制，即標準TT&C時，RBff根據信號的情況和經驗選取:
[0034]Fs = RBffXFFTSize ；
[0035]PerDoppler = Fs/4 ；
[0036]PerDopplerRate = 3 X RBff X RBff ；
[0037]Seg = 2 X Doppler/PerDoppler+1 ；
[0038]Segl = 2 X DopplerRate/PerDoppleRate+1 ；
[0039]SumSize = SampleRate/Fs+0.5 ；
[0040]式中，CodeRate為信號碼速率，Fs為FFT採樣頻率，RBff為信號的FFT分析帶寬，Doppler為信號都卜勒範圍，DopplerRate為都卜勒變化率範圍，PerDoppler為都卜勒範圍分段的步進值，Seg為都卜勒分段數，PerDopplerRate為都卜勒變化率範圍分段的步進值，Segl為都卜勒變化率分段數，FFTSize為信號的FFT分析點數，SumSize為積分長度，SampleRate為信號採樣頻率。
[0041]所述步驟(5)中，CPU根據步驟(3)中獲得的信號的積分長度設置GPU中在每個都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段對信號進行下變頻和積分處理的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，具體為:
[0042](I)每個線程塊的線程數目由信號數據的積分長度決定，當積分長度小於等於1024時，線程數目等於積分長度，當積分長度大於1024時，線程數目等於1024 ；
[0043](2)令線程塊數目為(X，y，z)，其中X為都卜勒變化率的分段數，y為FFT運算的分析點數，z值為I。
[0044]所述步驟(7)中，CPU根據步驟(3)獲得的都卜勒變化率分段數和步驟⑴中設置的信號FFT分析點數設置GPU對每個都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段的FFT模值進行二維最大值查找的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，具體為:
[0045](I)每個線程塊中的線程數目由四分之一 FFT分析點數的值決定，當四分之一 FFT分析點數的值小於等於1024時，線程數目等於四分之一FFT分析點數的值，當四分之一FFT分析點數的值大於1024時，線程數目等於1024 ；
[0046](2)線程塊數目等於都卜勒變化率的分段數。
[0047]所述步驟(8)中，CPU根據步驟(3)獲得的都卜勒變化率分段數和都卜勒分段數設置GPU對步驟(7)中所述的一個維度為都卜勒分段數，另一個維度為都卜勒變化率分段數的二維數組進行二維最大值查找的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，具體為:
[0048](I)每個線程塊中的線程數目由都卜勒變化率分段數決定，當都卜勒變化率分段數小於等於1024時，線程數目等於都卜勒變化率分段數，當都卜勒變化率分段數大於1024時，線程數目等於1024;
[0049](2)線程塊數目等於都卜勒的分段數。
[0050]所述步驟(9)中，CPU根據步驟(3)獲得的都卜勒分段數設置GPU對步驟(8)所述的維度與都卜勒分段數相同的一維數組進行一維最大值查找的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，具體為:
[0051](I)每個線程塊的線程數目由都卜勒分段數決定，當都卜勒分段數小於等於1024時，線程數目等於都卜勒分段數，當都卜勒分段數大於1024時，線程數目等於1024 ；
[0052](2)線程塊數目等於I。
[0053]所述步驟(17)中計算載波頻偏和都卜勒變化率，具體為:
[0054]載波頻偏由公式:
[0055]EstCarrFreq = (MaxDopplerID-Seg/2)XPerDoppIer+MaxFFTIDX RBff/2 ；
[0056]給出，式中，MaxDopplerID為FFT模值在所有都卜勒分段中最大值對應的都卜勒分段號，MaxFFTID為FFT模值在所有都卜勒分段中最大值對應的FFT點號；
[0057]都卜勒變化率由公式:
[0058]EstDopplerRate = (MaxDopplerRateID-Segl/2)XPerDopplerRate
[0059]給出，式中MaxDopplerRateID為FFT模值在所有都卜勒分段中最大值對應的都卜勒變化率分段號。
[0060]本發明與現有技術相比的有益效果是:
[0061](I)易於實現:基於FPGA的信號頻率快速捕獲方法需要開發專門的硬體板卡和固件程序，實現難度大，實現周期長，且對硬體的調試工具有限，手段有限，而本發明基於CPU+GPU的開發平臺易於獲取，且利用CUDA架構，可以在C語言環境下完成對GPU的調用，代碼編寫容易，調試過程簡單。
[0062](2)運行速度快:本發明將信號頻率快速捕獲算法拆分為多個GPU處理過程，每個處理過程可以通過線程塊和線程兩層並行進行加速，並且本發明對信號快速捕獲算法的每個處理過程進行了合理的並行優化設計，給出了每個處理過程線程塊數目和線程數目的確定方法，充分發揮了 GPU的並行計算能力，保證了本發明方法的運行速度。
[0063](3)適用範圍廣，基於CPU+GPU的開發平臺資源充足，本發明通過對信號頻率快速捕獲算法的處理過程進行結構優化，將BPSK體制和標準TT&C體制信號的頻率快速捕獲過程進行了融合，並且本發明針對此兩種體制分別給出了運行參數的確定方法，使本發明方法能夠同時滿足兩種體制信號頻率快速捕獲的要求。
[0064](4)可擴展性強:基於FPGA的信號頻率快速捕獲方法因為受到硬體自身特點的約束，資源受到限制，當信號的都卜勒範圍和都卜勒變化率範圍增大，都卜勒分段數和都卜勒變化率分段數增多，信號的FFT分析點數增大時都可能導致FPGA的資源不夠，從而需要更換FPGA器件並且重新設計硬體板卡，可擴展性差，而本發明採用的CPU+GPU的開發平臺和CUDA架構均具有很強的可擴展性，當信號的都卜勒範圍和都卜勒變化率範圍增大，都卜勒分段數和都卜勒變化率分段數增多，信號的FFT分析點數增大時只需要根據本發明中給出的各處理過程線程塊數目和線程數目的確定方法重新確定各處理過程的線程塊數目和線程數目即可。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0065]圖1是本發明採用的CUDA架構的示意圖；
[0066]圖2是本發明流程示意圖。
【具體實施方式】
[0067]本發明採用自動運行的方式實施。實施例使用CUDA架構提供的擴展C語言作為開發工具。
[0068]CUDA架構示意如圖1所示，實施例使用高性能PC和新一代基於Ifepler架構的GPU協處理器實施和運行。CUDA架構中，高性能PC的CPU與GPU協同工作，CPU負責進行邏輯性強的事務處理和串行計算，包括啟動CUDA並行處理過程前進行數據準備和設備初始化的工作，以及在各CUDA並行處理過程間進行串行計算，GPU則專注於執行高度線程化的並行處理任務，運行在GPU上的CUDA並行處理過程稱為kernel (內核處理過程)，一個kernel存在兩個層次的並行，即Grid (線程網格)中的block (線程塊)間並行和block (線程塊)中的thread (線程)間並行。
[0069]實施例中將信號碼速率設為CodeRate、信號採樣率設為SampleRate、信號載波頻率初始值設為CarrFreq、信號都卜勒範圍設為Doppler、信號都卜勒變化率範圍設為DopplerRate、信號的FFT分析點數設為FFTSize、信號的FFT採樣頻率設為Fs、信號的FFT分析帶寬設為RBW、都卜勒範圍分段的步進值設為PerDoppler、都卜勒分段數設為Seg、都卜勒變化率範圍分段的步進值設為PerDopplerRate、都卜勒變化率分段數設為Segl、信號的積分長度設為SumSize、最大譜線對應的都卜勒分段號設為MaxDopplerlD，一次FFT分析所有點中最大值對應的FFT點號設為MaxFFTID、最大譜線對應的都卜勒變化率分段號設為MaxDoppIerRateIDο
[0070]如圖2所示，實施例包括以下步驟:
[0071](I) CPU通過調用CUDA的API函數cudaSetDevice來選擇使用O號GPU協處理器並初始化運行環境，同時從配置文件讀取信號數據文件路徑、信號碼速率(CodeRate)、信號採樣率(SampleRate)、信號載波頻率初始值(CarrFreq)、信號都卜勒範圍(Doppler)、信號都卜勒變化率範圍(DopplerRate)、信號的FFT分析點數(FFTSize)、信號體制等運行參數；
[0072](2) CPU根據步驟(I)中設置的信號數據文件路徑將信號數據從數據文件讀入CPU內存中；
[0073](3) CPU根據步驟(I)中設置的信號碼速率(CodeRate)確定信號的FFT採樣頻率(Fs)和信號的FFT分析帶寬(RBW)，然後根據信號的FFT採樣頻率(Fs)計算對步驟(I)中設置的信號都卜勒範圍(Doppler)進行分段的步進值(PerDoppler)，進而確定都卜勒分段數(Seg)，根據信號的FFT分析帶寬(RBW)計算對步驟(I)中設置的信號都卜勒變化率範圍(DopplerRate)進行分段的步進值(PerDopplerRate),進而確定都卜勒變化率分段數(Segl)，最後根據步驟(I)中設置的信號採樣頻率(SampleRate)和本步驟獲得的信號FFT採樣頻率(Fs)計算信號的積分長度(SumSize)，具體為:
[0074]當信號體制為二相編碼體制(BPSK)時:
[0075]Fs = CodeRate ；
[0076]RBW = Fs/FFTSize ；
[0077]PerDoppler = Fs/4 ；
[0078]PerDopplerRate = 3 X RBWX RBW ；
[0079]Seg = 2 X Doppler/PerDoppler+1 ；
[0080]Segl = 2 X DopplerRate/PerDoppleRate+1 ；
[0081]SumSize = SampleRate/Fs+0.5 ；
[0082]當信號體制為統一測控體制(標準TT&C)時，RBW根據信號的情況和經驗選取，本實施例中RBW選取為10:
[0083]Fs = RBWXFFTSize ；
[0084]PerDoppler = Fs/4 ；
[0085]PerDopplerRate = 3 X RBWX RBW ；
[0086]Seg = 2 X Doppler/PerDoppler+1 ；
[0087]Segl = 2 X DopplerRate/PerDoppleRate+1 ；
[0088]SumSize = SampleRate/Fs+0.5 ；
[0089](4)CPU根據(3)的計算結果，分配GPU全局存儲空間，並初始化已分配的GPU全局存儲空間，具體為:
[0090]首先CPU調用CUDA的API函數cudaMalloc在GPU全局存儲空間中分配存儲空間，用以存儲步驟(10)將會用到的從CPU內存中拷貝至GPU全局存儲空間的信號數據，該存儲空間的大小等於信號的積分長度(SumSize)和信號的FFT分析點數(FFTSize)的乘積，然後調用CUDA的API函數cudaMemset對已分配好的GPU全局存儲空間進行初始化；
[0091]其二 CPU調用CUDA的API函數cudaMalloc在GPU全局存儲空間中分配存儲空間，用以存儲步驟(11)的處理結果，該存儲空間的大小等於信號的都卜勒變化率的分段數(Segl)與信號的FFT分析點數(FFTSize)的乘積，然後調用CUDA的API函數cudaMemset對已分配好的GPU全局存儲空間進行初始化；
[0092]其三CPU調用CUDA的API函數cudaMalloc在GPU全局存儲空間中分配存儲空間，用以存儲步驟(13)的處理結果，該存儲空間的大小等於信號的都卜勒的分段數(Seg)與信號的都卜勒變化率的分段數(Segl)的乘積，然後調用CUDA的API函數cudaMemset對已分配好的GPU全局存儲空間進行初始化；
[0093]其四CPU調用CUDA的API函數cudaMalloc在GPU全局存儲空間中分配存儲空間，用以存儲步驟(15)的處理結果，該存儲空間的大小等於信號的都卜勒的分段數(Seg)，然後調用CUDA的API函數cudaMemset對已分配好的GPU全局存儲空間進行初始化；
[0094]最後CPU調用CUDA的API函數cudaMalloc在GPU全局存儲空間中分配存儲空間，用以存儲步驟(16)的處理結果，該存儲空間為一個包含4個單精度浮點數的結構體，然後調用CUDA的API函數cudaMemset對已分配好的GPU全局存儲空間進行初始化；
[0095](5)CPU根據步驟(3)中獲得的信號的積分長度設置GPU中在每個都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段對信號進行下變頻和積分處理的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，具體為:
[0096]每個線程塊的線程數目由信號數據的積分長度決定，當積分長度小於等於1024時，線程數目等於積分長度，當積分長度大於1024時，線程數目等於1024 ；
[0097]令線程塊數目為(X，y, z)，其中X為都卜勒變化率的分段數，y為FFT運算的分析點數，z值為I ；
[0098](6) CPU根據步驟(3)中獲得的都卜勒變化率分段數和步驟(I)中設置的信號FFT分析點數設置並行一維FFT運算的參數，所述並行一維FFT運算的參數包括並行的一維FFT運算的個數和每個一維FFT運算的FFT分析點數，本實施例中具體為:
[0099]當信號體制為二相編碼體制(BPSK)時:
[0100]並行的一維FFT運算的個數等於都卜勒變化率分段數；
[0101]每個一維FFT運算的FFT分析點數等於4096 ；
[0102]當信號體制為統一測控體制(標準TT&C)時:
[0103]並行的一維FFT運算的個數等於都卜勒變化率分段數；
[0104]每個一維FFT運算的FFT分析點數等於16384 ；
[0105](7)CPU根據步驟(3)獲得的都卜勒變化率分段數和步驟⑴中設置的信號FFT分析點數設置GPU對每個都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段的FFT模值進行二維最大值查找的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，具體為:
[0106]每個線程塊中的線程數目由四分之一 FFT分析點數的值決定，當四分之一 FFT分析點數的值小於等於1024時，線程數目等於四分之一 FFT分析點數的值，當四分之一 FFT分析點數的值大於1024時，線程數目等於1024 ；
[0107]線程塊數目等於都卜勒變化率的分段數；
[0108]本步驟所述二維最大值查找的結果為一個維度與都卜勒變化率分段數相同的一維數組，對所有都卜勒分段進行本步驟所述二維最大值查找的結果為一個二維數組，該數組的一個維度為都卜勒分段數，另一個維度為都卜勒變化率分段數；
[0109](S)CPU根據步驟(3)獲得的都卜勒變化率分段數和都卜勒分段數設置GPU對步驟(7)中所述的一個維度為都卜勒分段數，另一個維度為都卜勒變化率分段數的二維數組進行二維最大值查找的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，具體為:
[0110]每個線程塊中的線程數目由都卜勒變化率分段數決定，當都卜勒變化率分段數小於等於1024時，線程數目等於都卜勒變化率分段數，當都卜勒變化率分段數大於1024時，線程數目等於1024;
[0111]線程塊數目等於都卜勒的分段數；
[0112]本步驟所述二維最大值查找的結果為一個維度與都卜勒分段數相同的一維數組；
[0113](9)CPU根據步驟(3)獲得的都卜勒分段數設置GPU對步驟⑶所述的維度與都卜勒分段數相同的一維數組進行一維最大值查找的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，具體為:
[0114]每個線程塊的線程數目由都卜勒分段數決定，當都卜勒分段數小於等於1024時，線程數目等於都卜勒分段數，當都卜勒分段數大於1024時，線程數目等於1024 ；
[0115]線程塊數目等於I;
[0116](1)CPU將步驟⑵中讀入到CPU內存中的信號數據從CPU內存拷貝至步驟(4)確定的GPU全局存儲空間中；
[0117]具體實施時，CPU調用CUDA的API函數cudaMemcpy完成；
[0118](Il)GPU利用步驟(5)中確定的在每個都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段對信號進行下變頻和積分處理的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，以並行的方式完成對步驟(10)讀入到GPU全局存儲空間中的信號數據的下變頻處理，然後以歸約算法進行並行求和，並對並行求和後的結果進行鑑相處理，將鑑相處理結果寫回步驟(4)確定的GPU全局存儲空間中，所述每個都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段對信號進行下變頻和積分處理的結果為一個二維數組，該數組的一個維度為都卜勒變化率分段數，另一個維度為信號的FFT分析點數；
[0119]具體實施時當步驟(5)確定的GPU中在每個都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段下對信號進行下變頻和積分處理的每個線程塊中的線程數目等於步驟(3)計算得到的信號的積分長度時，每個線程塊中的每一個線程對應一個信號採樣點的下變頻過程和用歸約算法實現的積分過程，當每個線程塊中的線程數目小於步驟(3)計算得到的信號的積分長度時，每個線程塊中的每一個線程對應多個採樣點的下變頻過程和用歸約算法實現的積分過程；
[0120]具體實施時，當信號體制為二相編碼體制(BPSK)時，下變頻和積分內核函數中保留鑑相處理過程，當信號體制為統一測控體制(標準TT&C)時，下變頻和積分內核函數中屏蔽鑑相處理過程。
[0121](12)GPU利用步驟(6)中確定的並行一維FFT運算的參數，對步驟(11)中的處理結果進行並行一維FFT運算，並將結果寫回寫回步驟(4)確定的GPU全局存儲空間，所述並行一維FFT運算結果為一個二維數組，該數組的一個維度為都卜勒變化率分段數，另一個維度為信號的FFT分析點數；
[0122]具體實施時CPU使用GPU廠商NVIDIA提供的基於GPU的通用函數庫CUFFT，首先根據步驟(6)中確定的並行一維FFT運算的參數,調用CUFFT函數庫中的cufftPlanld函數創建一個一維CUFFT句柄，然後調用CUFFT函數庫中的cufTtExecC2C函數對步驟(11)的結果啟動GPU進行並行一批多個一維的FFT運算，運算結果寫回存放步驟(11)結果的同一片GPU全局存儲空間；
[0123](13)GPU根據步驟(7)中確定的對每個都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段的FFT模值進行二維最大值查找的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，以多個線程塊及多個線程並行的方式完成對步驟(12)的並行一維FFT運算結果分別進行取模獲得FFT模值，並分別對FFT模值以歸約算法並行查找最大值和最大值對應的FFT點號，並將獲得的結果寫回步驟(4)確定的GPU全局存儲空間，所述每個都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段的FFT模值進行二維最大值查找的結果為一個維度與都卜勒變化率分段數相同的一維數組；
[0124]具體實施時當步驟(7)確定的GPU對每個都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段的FFT模值進行二維最大值查找的每個線程塊中的線程數目等於四分之一 FFT分析點數時，每個線程塊中的每一個線程對應一個FFT運算結果的取模和歸約求最大值過程，當每個線程塊中的線程數目小於四分之一 FFT分析點數時，每個線程塊中的每一個線程對應多個FFT運算結果的取模和歸約求最大值過程；
[0125](14)GPU循環進行步驟(11)至步驟(13)，循環次數為都卜勒分段數，獲得對所有都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段的FFT模值進行二維最大值查找的結果，所述結果為一個二維數組，該數組的一個維度為都卜勒分段數，另一個維度為都卜勒變化率分段數；
[0126](15)GPU根據步驟(8)中確定的對步驟(14)獲得的二維數組進行二維最大值查找的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，以多個線程塊及多個線程並行的方式完成對步驟(14)獲得的二維數組分別以歸約算法並行查找FFT模值在每一個都卜勒分段下所有都卜勒變化率範圍內的最大值和對應的都卜勒變化率分段號，並將獲得的結果寫回步驟(4)確定的GPU全局存儲空間，所述對步驟(14)獲得的二維數組進行二維最大值查找的結果為一個維度與都卜勒分段數相同的一維數組；
[0127]具體實施時當步驟(8)確定的對步驟(14)獲得的二維數組進行二維最大值查找的每個線程塊中的線程數目等於都卜勒變化率的分段數時，每個線程塊中的每一個線程對應一個都卜勒變化率分段FFT模值的歸約求最大值過程，當每個線程塊中的線程數目小於都卜勒變化率的分段數時，每個線程塊中的每一個線程對應多個都卜勒變化率分段FFT模值的歸約求最大值過程；
[0128](16)GPU根據步驟(9)中確定的對步驟(15)獲得的維度與都卜勒分段數相同的一維數組進行一維最大值查找的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，以多個線程並行的方式完成對步驟(15)獲得的一維數組以歸約算法並行查找FFT模值在所有都卜勒分段中的最大值和對應的最大都卜勒分段號，並將結果寫回GPU全局存儲空間；
[0129]具體實施時當步驟(9)確定的對步驟(15)獲得的維度與都卜勒分段數相同的一維數組進行一維最大值查找的每個線程塊中的線程數目等於都卜勒分段數時，每個線程塊中的每一個線程對應一個都卜勒分段最大譜線值的歸約求最大值過程，當每個線程塊中的線程數目小於都卜勒分段數時，每個線程塊中的每一個線程對應多個都卜勒分段最大譜線值的歸約求最大值過程；
[0130](17)CPU將步驟(16)中獲得的FFT模值在所有都卜勒分段中的最大值及其對應的都卜勒分段號、所述FFT模值在所有都卜勒分段中的最大值在步驟(14)獲得的對應的FFT點號和在步驟(15)獲得的對應的都卜勒變化率分段號從GPU全局存儲空間中拷貝回CPU內存，並計算載波頻偏和都卜勒變化率，具體為:
[0131]載波頻偏由公式:
[0132]EstCarrFreq = (MaxDopplerID-Seg/2)XPerDoppIer+MaxFFTIDX RBff/2 ；
[0133]給出，式中，MaxDopplerID為FFT模值在所有都卜勒分段中最大值對應的都卜勒分段號，MaxFFTID為FFT模值在所有都卜勒分段中最大值對應的FFT點號；
[0134]都卜勒變化率由公式:
[0135]EstDopplerRate = (MaxDopplerRateID-Segl/2)XPerDopplerRate
[0136]給出，式中MaxDopplerRateID為FFT模值在所有都卜勒分段中最大值對應的都卜勒變化率分段號。
[0137]信號的快速捕獲是測控通信的關鍵技術之一，隨著深空探測技術的發展，信號捕獲技術的難度和複雜度大大增加，當信號極其微弱且都卜勒動態範圍大、變化率高時，信號捕獲一般採用二維FFT捕獲方法，即首先對都卜勒分段，再在每個都卜勒頻點對都卜勒變化率分段，並在每個分段上進行相關、積分和FFT運算，查找最大譜線，這使得信號捕獲過程的運算量呈級數增長。現有的研究中一般採用高性能FPGA來實現這種二維FFT信號頻率快速捕獲算法，這種方式需要開發專門的硬體板卡，實現複雜，且FPGA的資源有限，一般一次只能實現一種體制信號的捕獲，通用性差、可擴展性差。
[0138]本發明充分李永樂CUDA架構和GPU的工作特點，能夠充分發揮GPU並行計算能力，同時適合多種體制的信號，有效提高了捕獲速度且易於實現，適用於深空探測中測控信號的快速捕獲，尤其是信號極其微弱且都卜勒動態範圍大、變化率高時，可以有效地實現信號頻率的快速捕獲。
[0139]本發明說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域技術人員的公知技術。
【權利要求】
1.一種基於CUDA的多體制信號頻率快速捕獲方法，其特徵在於步驟如下: (1)CPU通過CUDA架構選擇GPU協處理器並初始化CPU和GPU的運行環境，同時對運行參數進行初始化設置，所述運行參數包括:信號數據文件路徑、信號碼速率、信號採樣頻率、信號載波頻率初始值、信號都卜勒範圍、信號都卜勒變化率範圍、信號的FFT分析點數和信號體制； (2)CPU根據步驟(I)中設置的信號數據文件路徑將信號數據從數據文件讀入CPU內存中； (3)CPU根據步驟(I)中設置的信號碼速率確定信號的FFT採樣頻率和信號的FFT分析帶寬，然後根據信號的FFT採樣頻率計算對步驟(I)中設置的信號都卜勒範圍進行分段的步進值，進而確定都卜勒分段數，根據信號的FFT分析帶寬計算對步驟(I)中設置的信號都卜勒變化率範圍進行分段的步進值，進而確定都卜勒變化率分段數，最後根據步驟(I)中設置的信號採樣頻率和本步驟獲得的信號FFT採樣頻率計算信號的積分長度； (4)CPU分配GPU全局存儲空間，並初始化已分配的GPU全局存儲空間； (5)CPU根據步驟(3)中獲得的信號的積分長度設置GPU中在每個都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段對信號進行下變頻和積分處理的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目； (6)CPU根據步驟(3)中獲得的都卜勒變化率分段數和步驟⑴中設置的信號FFT分析點數設置並行一維FFT運算的參數，所述並行一維FFT運算的參數包括並行的一維FFT運算的個數和每個一維FFT運算的FFT分析點數； (7)CPU根據步驟(3)獲得的都卜勒變化率分段數和步驟(I)中設置的信號FFT分析點數設置GPU對每個都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段的FFT模值進行二維最大值查找的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，所述二維最大值查找的結果為一個維度與都卜勒變化率分段數相同的一維數組，對所有都卜勒分段進行二維最大值查找的結果為一個二維數組，該數組的一個維度為都卜勒分段數，另一個維度為都卜勒變化率分段數； (8)CPU根據步驟(3)獲得的都卜勒變化率分段數和都卜勒分段數設置GPU對步驟(7)中所述的一個維度為都卜勒分段數，另一個維度為都卜勒變化率分段數的二維數組進行二維最大值查找的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，所述二維最大值查找的結果為一個維度與都卜勒分段數相同的一維數組； (9)CPU根據步驟(3)獲得的都卜勒分段數設置GPU對步驟⑶所述的維度與都卜勒分段數相同的一維數組進行一維最大值查找的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目； (10)CPU將步驟(2)中讀入到CPU內存中的信號數據從CPU內存拷貝至步驟(4)確定的GPU全局存儲空間中； (11)GPU利用步驟(5)中確定的在每個都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段對信號進行下變頻和積分處理的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，以並行的方式完成對步驟(10)讀入到GPU全局存儲空間中的信號數據的下變頻處理，然後以歸約算法進行並行求和，並對並行求和後的結果進行鑑相處理，將鑑相處理結果寫回步驟(4)確定的GPU全局存儲空間中，所述每個都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段對信號進行下變頻和積分處理的結果為一個二維數組，該數組的一個維度為都卜勒變化率分段數，另一個維度為信號的FFT分析點數； (12)GPU利用步驟(6)中確定的並行一維FFT運算的參數，對步驟(11)中的處理結果進行並行一維FFT運算，並將結果寫回步驟(4)確定的GPU全局存儲空間，所述並行一維FFT運算結果為一個二維數組，該數組的一個維度為都卜勒變化率分段數，另一個維度為信號的FFT分析點數； (13)GPU根據步驟(7)中確定的對每個都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段的FFT模值進行二維最大值查找的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，以多個線程塊及多個線程並行的方式完成對步驟(12)的並行一維FFT運算結果分別進行取模獲得FFT模值，並分別對FFT模值以歸約算法並行查找最大值和最大值對應的FFT點號，並將獲得的結果寫回步驟(4)確定的GPU全局存儲空間，所述對每個都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段的FFT模值進行二維最大值查找的結果為一個維度與都卜勒變化率分段數相同的一維數組； (14)GPU循環進行步驟(11)至步驟(13)，循環次數為都卜勒分段數，獲得對所有都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段的FFT模值進行二維最大值查找的結果，所述結果為一個二維數組，該數組的一個維度為都卜勒分段數，另一個維度為都卜勒變化率分段數； (15)GPU根據步驟(8)中確定的對步驟(14)獲得的二維數組進行二維最大值查找的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，以多個線程塊及多個線程並行的方式完成對步驟(14)獲得的二維數組分別以歸約算法並行查找FFT模值在每一個都卜勒分段下所有都卜勒變化率範圍內的最大值和對應的都卜勒變化率分段號，並將獲得的結果寫回步驟(4)確定的GPU全局存儲空間，所述對步驟(14)獲得的二維數組進行二維最大值查找的結果為一個維度與都卜勒分段數相同的一維數組； (16)GPU根據步驟(9)中確定的對步驟(15)獲得的維度與都卜勒分段數相同的一維數組進行一維最大值查找的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，以多個線程並行的方式完成對步驟(15)獲得的一維數組以歸約算法並行查找FFT模值在所有都卜勒分段中的最大值和對應的最大都卜勒分段號，並將結果寫回步驟(4)確定的GPU全局存儲空間； (17)CPU將步驟(16)中獲得的FFT模值在所有都卜勒分段中的最大值及其對應的都卜勒分段號、所述FFT模值在所有都卜勒分段中的最大值在步驟(14)獲得的對應的FFT點號和在步驟(15)獲得的對應的都卜勒變化率分段號從GPU全局存儲空間中拷貝回CPU內存，並計算載波頻偏和都卜勒變化率。
2.根據權利要求1所述的一種基於CUDA的多體制信號頻率快速捕獲實現方法，其特徵在於:所述信號包括BPSK信號和標準TT&C信號。
3.根據權利要求1所述的一種基於CUDA的多體制信號頻率快速捕獲實現方法，其特徵在於:所述步驟(3)中，CPU根據步驟(I)中設置的信號碼速率確定信號的FFT採樣頻率和信號的FFT分析帶寬，然後根據信號的FFT採樣頻率計算對步驟(I)中設置的信號都卜勒範圍進行分段的步進值，進而確定都卜勒分段數，根據信號的FFT分析帶寬計算對步驟(I)中設置的信號都卜勒變化率範圍進行分段的步進值，進而確定都卜勒變化率分段數，最後根據步驟(I)中設置的信號採樣頻率和本步驟獲得的信號FFT採樣頻率計算信號的積分長度，具體為: 當信號體制為二相編碼體制，即BPSK時:
Ps — CodeR&te ；
RBW = Fs/FFTSize ；
PerDoppler = Fs/4 ；
PerDopplerRate = 3 X RBff X RBff ；
Seg = 2 X Doppler/PerDoppler+1 ；
Segl = 2 X DopplerRate/PerDoppleRate+1 ；
SumSize = SampleRate/Fs+0.5 ； 當信號體制為統一測控體制，即標準TT&C時，RBW根據信號的情況和經驗選取:
Fs = RBffXFFTSize ；
PerDoppler = Fs/4 ；
PerDopplerRate = 3 X RBff X RBff ；
Seg = 2 X Doppler/PerDoppler+1 ；
Segl = 2 X DopplerRate/PerDoppleRate+1 ；
SumSize = SampleRate/Fs+0.5 ； 式中，CodeRate為信號碼速率，Fs為FFT採樣頻率，RBW為信號的FFT分析帶寬，Doppler為信號都卜勒範圍，DopplerRate為都卜勒變化率範圍，PerDoppler為都卜勒範圍分段的步進值，Seg為都卜勒分段數，PerDopplerRate為都卜勒變化率範圍分段的步進值，Segl為都卜勒變化率分段數，FFTSize為信號的FFT分析點數，SumSize為積分長度，SampleRate為信號採樣頻率。
4.根據權利要求1所述的一種基於CUDA的多體制信號頻率快速捕獲實現方法，其特徵在於:所述步驟(5)中，CPU根據步驟(3)中獲得的信號的積分長度設置GPU中在每個都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段對信號進行下變頻和積分處理的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，具體為: (1)每個線程塊的線程數目由信號數據的積分長度決定，當積分長度小於等於1024時，線程數目等於積分長度，當積分長度大於1024時，線程數目等於1024 ； (2)令線程塊數目為(x，y，z)，其中X為都卜勒變化率的分段數，y為FFT運算的分析點數，z值為I。
5.根據權利要求1所述的一種基於CUDA的多體制信號頻率快速捕獲實現方法，其特徵在於:所述步驟(7)中，CPU根據步驟(3)獲得的都卜勒變化率分段數和步驟(I)中設置的信號FFT分析點數設置GPU對每個都卜勒分段下所有都卜勒變化率分段的FFT模值進行二維最大值查找的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，具體為: (1)每個線程塊中的線程數目由四分之一FFT分析點數的值決定，當四分之一FFT分析點數的值小於等於1024時，線程數目等於四分之一 FFT分析點數的值，當四分之一 FFT分析點數的值大於1024時，線程數目等於1024 ； (2)線程塊數目等於都卜勒變化率的分段數。
6.根據權利要求1所述的一種基於CUDA的多體制信號頻率快速捕獲實現方法，其特徵在於:所述步驟(8)中，CPU根據步驟(3)獲得的都卜勒變化率分段數和都卜勒分段數設置GPU對步驟(7)中所述的一個維度為都卜勒分段數，另一個維度為都卜勒變化率分段數的二維數組進行二維最大值查找的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，具體為: (I)每個線程塊中的線程數目由都卜勒變化率分段數決定，當都卜勒變化率分段數小於等於1024時，線程數目等於都卜勒變化率分段數，當都卜勒變化率分段數大於1024時，線程數目等於1024; (2)線程塊數目等於都卜勒的分段數。
7.根據權利要求1所述的一種基於CUDA的多體制信號頻率快速捕獲實現方法，其特徵在於:所述步驟(9)中，CPU根據步驟(3)獲得的都卜勒分段數設置GPU對步驟(8)所述的維度與都卜勒分段數相同的一維數組進行一維最大值查找的線程塊數目和每個線程塊中的線程數目，具體為: (1)每個線程塊的線程數目由都卜勒分段數決定，當都卜勒分段數小於等於1024時，線程數目等於都卜勒分段數，當都卜勒分段數大於1024時，線程數目等於1024 ； (2)線程塊數目等於I。
8.根據權利要求1所述的一種基於CUDA的多體制信號頻率快速捕獲實現方法，其特徵在於:所述步驟(17)中計算載波頻偏和都卜勒變化率，具體為: 載波頻偏由公式:
EstCarrFreq = (MaxDopplerID-Seg/2)XPerDoppIer+MaxFFTIDX RBff/2 ； 給出，式中，MaxDopplerID為FFT模值在所有都卜勒分段中最大值對應的都卜勒分段號，MaxFFTID為FFT模值在所有都卜勒分段中最大值對應的FFT點號； 都卜勒變化率由公式:
EstDopplerRate = (MaxDopplerRateID-Segl/2)XPerDopplerRate 給出，式中MaxDoppIerRateID為FFT模值在所有都卜勒分段中最大值對應的都卜勒變化率分段號。
【文檔編號】H04L12/26GK104202209SQ201410381743
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月5日 優先權日:2014年8月5日
【發明者】陳蓉, 王靜溫 申請人:北京遙測技術研究所, 航天長徵火箭技術有限公司