一种基于向量内积的软件并行相关计算方法

摘要

本发明提出一种基于向量内积的软件并行相关计算方法，解决了现有技术中扩频信号软件相关运算时间长的问题。本发明将输入信号和本地参考信号向量化后进行批处理，利用GPU中大量的浮点运算单元以及向量内积算法并行计算相关值，发挥了GPU的并行运算潜力，提高了扩频信号相关运算的实时性，能够实现基于GPU的宽带扩频信号实时相关接收，对卫星导航扩频信号软件实时相关接收有着重大意义。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星导航扩频信号接收处理领域，特别是涉及一种扩频信号软件接收相关接收方法。

背景技术

在导航接收机中，相关器是串行搜索捕获与通道跟踪的核心模块，用于计算剥离载波后的接收信号和本地不同码延迟复现码的相关值。相关器设计技术是接收机关键技术之一。

目前导航接收机方案有基于导航专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)实现的数字接收机硬件方案以及基于PC软件实现的软件接收机方案。

硬件接收机方案中，大量乘法器与累加器实现的相关器分别独立计算不同通道与相位的相关值，在硬件方案中通过增加算术逻辑资源来扩展通道数目。软件接收机采用软件实现接收算法，处理采样量化的中频输入信号，算法验证与信号体制升级更加灵活方便。软件接收机中运算资源固定，在这个约束条件下，要满足实时性要求，需要挖掘运算的并行性并优化算法，通过提高运算资源利用率来减小运算时间。基于CPU的软件接收机通过运用位运算、查表法、SIMD指令以及MMX技术等策略加速了相关运算速度。目前多核CPU处理器、众核流处理器运算能力进一步增强，为软件接收机提供了硬件条件，但其使用的算法大都是串行算法，简单移植到并行环境下，不能充分发挥并行硬件的运算能力，需要设计相应的并行化算法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于向量内积的软件并行相关计算方法，解决了现有技术中扩频信号软件相关运算时间长的问题。

信号接收通道中的核心部件为相关器，主要完成基带信号与本地参考信号的相关运算，若基带信号序列记为x(n)，本地伪码采样序列记为y(n)，则相干积分时间内两个信号的相关结果r计算如式(1)：

其中N为相干积分时间内的采样点数。

在传统的实现方案中，相关器由乘法器与累加器组成，如图1所示：

硬件相关器按串行方式一个采样时钟处理一个采样点数据，进行一次乘法运算以及一次累加运算，到达累积时间后存贮累加结果并清零，准备下一个累加周期。硬件相关器方案通过增加硬件逻辑资源实现一组相关器阵列，同时接收处理多个通道的卫星信号。

本发明的技术方案是：

一种基于向量内积的软件并行相关计算方法，包括以下步骤：

1)根据伪距ρ确定输入信号采样数据流的起始点，将输入信号向量化，将接下来的N个采样数据点定义为输入信号向量S，S＝[s(0) s(1)…s(N-1)]^T

2)根据信号载波多普勒频率f_d、载波相位由公式(1)计算生成相干积分时间内的本地载波多普勒信号向量C，计算输入信号向量S与本地载波多普勒信号向量C的哈达马积(Hadamard>

其中：T为信号采样周期，N为相干积分时间内的采样点数；

3)根据扩频信号伪码频率f_P、伪码初始相位ρ₀，由公式(3)生成本地参考伪码向量Y；

Y＝[PN(ρ₀)>PT+ρ₀)…PN(f_P(N-1)T+ρ₀)]^T(3)

其中，PN(n)为伪码序列，其根据需要接收的信号类型和GPS/GLONASS/BDS/Galileo导航系统信号接口控制文件(ICD)，选择不同的伪码序列；

4)基于NVIDIA公司图形处理单元(GPU)的基础线性代数子程序库(CUBLAS)或基于英特尔数学核心函数库(MKL)，并行计算基带复信号向量X与本地参考伪码向量Y的内积，得到相关值向量r；

本发明相比以往技术方法，具有以下明显优点：

1、本发明引入向量概念对导航扩频信号相关接收处理过程进行分析，使用向量空间的概念来分析导航信号相关接收带来了诸多方便。

2、本发明建立了一种基于向量内积的并行相关信号接收模型，提出了一种基于向量内积的扩频信号相关计算方法，将输入信号和本地参考信号向量化后进行批处理，利用GPU中大量的浮点运算单元以及向量内积算法并行计算相关值，发挥了GPU的并行运算潜力，提高了扩频信号相关运算的实时性，能够实现基于GPU的宽带扩频信号实时相关接收。

3、本发明通过软件并行计算扩频信号相关值的方法，相比在FPGA中实现的方法，接收通道全部算法采用PC软件编程实现，对于新体制信号的验证，修改灵活方便，可广泛应用于宽带扩频信号实时软件接收机相关接收通道。

附图说明

图1是传统累加器相关器结构；

图2为本发明的原理框图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参照图2，本发明一种基于向量内积的软件并行相关计算方法，包括以下步骤：

1)根据伪距ρ确定输入信号采样数据流的起始点，将输入信号向量化，将接下来的N个采样数据点定义为输入信号向量S，S＝[s(0) s(1)…s(N-1)]^T

2)根据信号载波多普勒频率f_d、载波相位由公式(1)计算生成相干积分时间内的本地载波多普勒信号向量C，计算输入信号向量S与本地载波多普勒信号向量C的哈达马积，将输入信号向量S中的分量与载波多普勒信号向量C中的分量对应相乘，得到剥离载波的基带复信号向量X；

其中：T为信号采样周期，N为相干积分时间内的采样点数；

3)根据扩频信号伪码频率f_P、伪码初始相位ρ₀，由公式(3)生成本地参考伪码向量Y；

Y＝[PN(ρ₀)>PT+ρ₀)…PN(f_P(N-1)T+ρ₀)]^T(3)

其中，PN(n)为伪码序列，其根据需要接收的信号类型和GPS/GLONASS/BDS/Galileo导航系统信号接口控制文件(ICD)，选择不同的伪码序列；

4)基于NVIDIA公司图形处理单元(GPU)的基础线性代数子程序库(CUBLAS)或基于英特尔数学核心函数库(MKL)，并行计算基带复信号向量X与本地参考伪码向量Y的内积，得到相关值向量r；

以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。