軟件雷達信號處理的多gpu并行技術(shù)分析

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1、軟件雷達信號處理的多GPU并行技術(shù)分析【摘要】充分發(fā)揮GPU（圖形處理器）并行運算能力突出的優(yōu)勢，可以彌補CPU（中央處理器）平臺在處理雷達信號時難以滿足運行要求的不足。任務(wù)級、數(shù)據(jù)級和線程級三級并行策略同時運行在中央處理器-圖形處理器組成的異構(gòu)系統(tǒng)屮，規(guī)劃了多GPU并行運算處理雷達信號處理的算法?！娟P(guān)鍵詞】軟件雷達；信號處理技術(shù)；并行計算1.前言軟件雷達概括的說就是在雷達領(lǐng)域屮應(yīng)用軟件無線電技術(shù)。軟件雷達硬件需要有開放性、標準化和通用化的計算平臺作為依托才能滿足要求，這是由軟件雷達的特性所決定的，可由軟件完成雷達的各

2、種功能和工作流程。雷達系統(tǒng)中的一個重耍構(gòu)成部分即為雷達的信號處理，各種體制雷達的性能在很大程度上都有雷達信號處理決定。而就目前來說，軟件雷達難以克服的困難就是軟件雷達信號處理的實時性。本文在屮央處理器-圖形處理器異構(gòu)系統(tǒng)屮采用任務(wù)級、數(shù)據(jù)級和線程級三級并行策略的基礎(chǔ)上設(shè)計了基于多GPU的雷達信號處理并行算法，并取得了可觀的成就。2.頻數(shù)字信號并行處理將軟件無線電技術(shù)應(yīng)用于雷達領(lǐng)域的軟件雷達，蘇硬件平臺的組成成分一般氈括通用處理計算機、高速模/數(shù)采樣器件、變頻組件和天線系統(tǒng)以及雷達顯控終端部分。在變頻組件內(nèi)通過下變頻轉(zhuǎn)換

3、的作用可以將通過雷達接收到的信號轉(zhuǎn)換為中頻信號，將中頻信號傳送至高速模/數(shù)采樣器件并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送至通用計算機平臺實現(xiàn)對雷達接受信號的處理過程。基于多GPU的異構(gòu)計算機平臺處理信號的調(diào)度以及流程等全部由由CPU負責，首先將單個子模塊進行運算所需的內(nèi)存空間以及顯存空間開辟，在詳細了解GPU初始化參數(shù)的前提下通過創(chuàng)建主機端線程來實現(xiàn)對設(shè)備端管理，按照“主機-設(shè)備端-主機”的流程將獲取的數(shù)據(jù)自計算機主機內(nèi)存?zhèn)鬏斨猎O(shè)備顯存（通過PCT-E總線實現(xiàn)傳輸過程），然后即可進行對數(shù)據(jù)的密集型計算。3.軟

4、件雷達信號并行處理的計算模型3.1任務(wù)級并行首先在軟件雷達的主機端創(chuàng)建任務(wù)隊列，用以屮頻數(shù)據(jù)的采樣，并利用CPU主線程實現(xiàn)對任務(wù)的劃分和控制工作，使用CPU并行線程（由OpenMulti-Processing開辟）實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度以及配置設(shè)備端ID的工作，并對任務(wù)隊列進行按次序的訪問。給基于多GPU異構(gòu)系統(tǒng)上的GPU采取輪轉(zhuǎn)的形式分配各個任務(wù)，將獲取的第n個數(shù)據(jù)以迭代的形式傳輸至第nmodqtGPU，這樣可以保證多塊GPU的工作獲得負載平衡，其屮q為并行GPU的個數(shù)。3.2數(shù)據(jù)級并行進行正交相位檢波和脈沖壓縮計算時，每個脈

5、沖重復(fù)周期t內(nèi)采樣點在周期之間無關(guān)聯(lián)性，對獲取的采樣數(shù)據(jù)實施數(shù)據(jù)級并行處理可獲得接近兒乎線性的加速比［1］。在數(shù)據(jù)級并行處理時為了得到較高的計算訪存比，我們可以將整個脈沖壓縮后的rnXk的二維數(shù)組規(guī)劃成q個nXm數(shù)據(jù)部分，其屮的二維數(shù)組域屮每一行均含有m=kmodq個采樣點，并行GPU的每塊GPU對重構(gòu)后的數(shù)據(jù)部分進行并行的計算，此時二維數(shù)據(jù)域?qū)Σ⑿蠫PU的映射為一個線程網(wǎng)格。在數(shù)據(jù)級并行處理時，并行GPU的單個GPU只需對所屬的重構(gòu)數(shù)據(jù)域進行迭代計算。3.3線程級并行算法線程級并行算法是根據(jù)信號處理的數(shù)學(xué)模型和GPU

6、并行計算的硬件特性，將數(shù)值計算映射到GPU細粒度并發(fā)線程的具體實現(xiàn)過程［1］。3.3.1正交相位檢波和脈沖壓縮在軟件雷達處理信號時，進行正交相位檢波可以把中頻信號通過特殊方法轉(zhuǎn)變?yōu)榱阒蓄l的I、Q兩路正交信號。其實現(xiàn)過程為：通過高速模/數(shù)變換器的中頻信號能夠直接進行采樣和變換過程得到數(shù)字信號，將得到的數(shù)字信號與正交混頻信號進行點乘、低通濾波處理即可得到零中頻的T、Q兩路正交信號。在對正交混頻信號與采樣點進行點乘處理時，我們需要把正交混頻信號以及整段脈沖重復(fù)周期內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)全部輸入到內(nèi)核函數(shù)中冰能進行點乘。由于內(nèi)核函數(shù)與整

7、段重復(fù)周期內(nèi)的采樣點線程網(wǎng)格是相互對應(yīng)覆蓋的，所以在將正交混頻信號以及整段脈沖重復(fù)周期內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)全部輸入到內(nèi)核函數(shù)時其屮的每個線程塊都可以進行n維度的采樣數(shù)據(jù)計算，并且可以將每個采樣數(shù)據(jù)作為一個處理單元將其映射到相關(guān)的線程中［3］。我們可以通過仿真計算得到數(shù)字低通濾波器的相關(guān)系數(shù)，并且可以根據(jù)紋理緩存將采樣數(shù)據(jù)的讀取速度不斷提高（這是因為GPU的紋理存儲器有高速片上緩存）。因此可以在紋理存儲器存儲以權(quán)庫的形式表現(xiàn)的濾波器系數(shù)，當進行正交相位檢波模塊吋即可進行讀取過程。在軟件雷達處理信號吋所進行的正交相位檢波、動目標檢

8、測以及頻域脈沖壓縮等計算時均需采用傅立葉變換（FFT）的方法進行變換處理。3.3.2MTI/MTD在工程領(lǐng)域屮我們較為常用的固定二次對消器一般都是由兩個固定的一次對消器級聯(lián)而成的。在一般結(jié)果的固定二次對消器設(shè)計中，輸入采樣數(shù)據(jù)信號尺寸的級聯(lián)倍數(shù)即為開辟的顯存空間大小，開辟的顯存空間可以存儲脈沖壓縮后產(chǎn)生的連續(xù)采樣回波數(shù)據(jù)信號。其中