[發(fā)明專利]一種基于GPU的流式架構(gòu)寬帶信號數(shù)字下變頻系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010307629.6
• 申請日: 2020-04-17
• 公開（公告）號: CN111682880B
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馬宏;焦義文;陳永強(qiáng);吳濤;劉燕都;李貴新;史學(xué)書;張威;蔡洋;曹玉凡
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊(duì)航天工程大學(xué)
• 主分類號: H04B1/16
• 分類號: H04B1/16
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心 11120
• 代理人: 劉西云;李微微

本發(fā)明提供一種基于GPU的流式架構(gòu)寬帶信號數(shù)字下變頻系統(tǒng)，以GPU作為核心的數(shù)據(jù)處理器件，可以有效降低數(shù)字下變頻器開發(fā)難度，提高混頻和濾波運(yùn)算精度；此外，本發(fā)明采用GPU流(stream)作為并行運(yùn)算基礎(chǔ)，每一個流用于處理一路數(shù)據(jù)，多路流并發(fā)實(shí)現(xiàn)多通道的實(shí)時并行處理，可根據(jù)性能需求靈活配置GPU數(shù)量，用多流和多線程在GPU內(nèi)和多個GPU之間實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)并行處理；由此可見，與傳統(tǒng)基于FPGA的數(shù)字下變頻器相比，本發(fā)明重構(gòu)靈活，可靠性更高，擴(kuò)展性更好，運(yùn)算精度更高；與傳統(tǒng)基于GPU的數(shù)字下變頻器相比，本發(fā)明數(shù)據(jù)處理的并行性更好，可實(shí)現(xiàn)多路信號的同時并行處理，能夠滿足通信系統(tǒng)任意帶寬多路寬帶信號的數(shù)字下變頻需求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于GPU的流式架構(gòu)寬帶信號數(shù)字下變頻系統(tǒng)。

背景技術(shù)

在傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，信號接收系統(tǒng)通常被分為前端和后端兩個部分。后端主要完成基帶信號的跟蹤、同步、解調(diào)等功能，而前端主要完成射頻信號的下變頻、濾波、采樣、抽取等功能。當(dāng)前，隨著軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字前端因?yàn)榭删幊獭㈧`活性等特點(diǎn)逐漸取代了原有的模擬前端在通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

當(dāng)前的寬帶通信系統(tǒng)，通常具有數(shù)十MHz甚至數(shù)百M(fèi)Hz的帶寬，且在帶寬內(nèi)同時具備多個獨(dú)立的用戶通道用于傳遞信息。信號接收系統(tǒng)需要同時接收寬帶信號并將不同的信道分配給不同的用戶。一個簡單的方法是給每一個通道和用戶配置一個單獨(dú)的下變頻鏈路，但隨著用戶數(shù)量的增加該方法將帶來極大的資源消耗。目前常用的方法是采用多相信道化的思路，利用多相濾波技術(shù)和DFT同時將整個通帶劃分為多個獨(dú)立的通道，同時達(dá)到頻譜分離、下變頻和降采樣的目的。但是多相濾波技術(shù)要求各子通道帶寬相等且間隔均勻，當(dāng)有信號處于兩通道的過渡帶時信號的接收將受到影響，通過子通道重疊雖可以在一定帶寬范圍內(nèi)防止過渡帶對接收信號的影響，但這會使得系統(tǒng)復(fù)雜性增加而且信號帶寬仍然受到通道重疊帶寬的制約。

數(shù)字下變頻技術(shù)能夠在一個鏈路內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號的變頻、濾波和降采樣，能夠克服多項(xiàng)濾波技術(shù)的不足，但數(shù)字下變頻大量運(yùn)算在高速端，資源消耗大。然而，采用基于FPGA的硬件板卡實(shí)現(xiàn)的數(shù)字下變頻器，核心算法由FPGA完成，存在系統(tǒng)開發(fā)周期長，重構(gòu)困難，升級難度大，價格昂貴等缺點(diǎn)。為了解決這一問題，國內(nèi)外眾多研究者提出基于GPU的下變頻方案。該方案完全基于軟件實(shí)現(xiàn)，開發(fā)周期短，易于升級維護(hù)和功能重構(gòu)。然而基于GPU的數(shù)字下變頻器多基于線程塊的并行優(yōu)化，難以完成多路信號并行下變頻的實(shí)現(xiàn)。

由此可見，傳統(tǒng)下變頻器主要體現(xiàn)在以下幾個方面的不足：

(1)基于GPU的下變頻器多路信號并行處理實(shí)現(xiàn)困難；

(2)基于FPGA的下變頻器系統(tǒng)開發(fā)周期長，重構(gòu)困難，升級難度大；

(3)FPGA資源有限，性能與效率難以平衡。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種基于GPU的流式架構(gòu)寬帶信號數(shù)字下變頻系統(tǒng)，以GPU流作為并行基礎(chǔ)，每一個流用于處理一路信號，然后以多流并行和多線程調(diào)度實(shí)現(xiàn)多路信號的同時下變頻，可靠性更高，擴(kuò)展性更好，可滿足通信系統(tǒng)任意帶寬多路寬帶信號的數(shù)字下變頻需求。

一種基于GPU的流式架構(gòu)寬帶信號數(shù)字下變頻系統(tǒng)，包括采集模塊、接口模塊、控制模塊以及運(yùn)算模塊，其中，控制模塊包括CPU控制單元與數(shù)據(jù)緩存單元，運(yùn)算模塊包括兩個以上的GPU，且GPU中存儲有NCO查找表和濾波單元，其中，所述NCO查找表包括NCO一個周期內(nèi)的離散相位值；

所述采集模塊用于將從外部獲取的寬帶射頻信號轉(zhuǎn)換為寬帶數(shù)字信號，再經(jīng)由接口模塊發(fā)送至數(shù)據(jù)緩存單元；

所述CPU控制單元用于將數(shù)據(jù)緩存單元中存儲的寬帶數(shù)字信號進(jìn)行分塊，然后將得到的各寬帶數(shù)據(jù)塊以多線程并行的方式分配給不同的GPU，其中，每個GPU至少能分到一個寬帶數(shù)據(jù)塊；