一种基于GPU的高阶数字FIR滤波器频域并行处理实现方法

摘要

为解决高阶数字FIR滤波器并行处理效率的问题，提出了一种高效的、适合GPU体系结构的高阶数字FIR滤波器并行处理算法，该方法采用重叠保留方法结合GPU自身结构特点优化实现高阶数字FIR的频域并行化处理。通过计算FIR频率响应系数，将待处理的输入数据传送给GPU；数据重叠搬移；滤波计算处理；数据合并搬移；将合并搬移结果Y＝{Y0，Y1，....，Yk-1}传送到主机内存等步骤完成高阶数字FIR滤波器频域并行处理。对比在CPU上单线程所实现的FIR频域重叠保留方法，其吞吐率，即每秒处理样点的数量有着极大地提高，典型的加速比在100倍以上。

主权项

一种基于GPU的高阶数字FIR滤波器频域并行处理实现方法，其特征在于：根据通用图形处理器GPU众核体系结构的特点，将重叠保留方法的处理过程划分为六个核函数：频响计算核函数、重叠搬移核函数、傅里叶变换核函数、乘法核函数、傅里叶逆变换核函数、合并搬移核函数；实现该方法的具体步骤如下：步骤一、确定有限冲击响应FIR频率响应系数；当给定的响应系数为FIR的冲击响应系数h＝{h(0)，h(1)，......，h(M‑1)}时，将FIR的冲击响应系数h＝{h(0)，h(1)，......，h(M‑1)}，经过尾部填0扩展至长度为N，将扩展后的系数传送给GPU，启动频响计算核函数对FIR的冲击响应系数h进行N点的傅里叶变换，结果为有限冲击响应FIR频率响应系数H＝{H(0)，H(1)，......，H(N‑1)}，保存在GPU内存中；当给定的响应系数为FIR频率响应系数H＝{H(0)，H(1)，......，H(N‑1)}时，将频率响应系数H传给GPU，并保存在GPU内存中，保存时，第一个字节的地址为存储器位宽的整数倍；步骤二、将待处理的输入数据传送给GPU；将一块长度为Nblk的待滤波样点数据X＝{B0，B1，...，Bk‑1}从主机内存中传入GPU的内存中，其中Nblk＝k*L，k为整数，L为每个数据块的长度；其中Bi＝{Ci，Di}，0≤i≤k‑1，Ci表示在Bi中起点为0，而长度为L‑M+1的连续样点数据块，Di表示在Bi中起点为L‑M+1，而长度为M‑1的连续样点数据块；步骤三、数据的重叠搬移；启动重叠搬移核函数完成数据重叠搬移操作，即将待滤波样点数据X＝{B0，B1，...，Bk‑1}以及输入的长度为M‑1的初始状态数据S0，重叠搬移为E＝{E0，E1，...，Ek‑1}，其中E0＝{S0，B0}，其中，S0为上一次处理待滤波样点数据X时其中的Dk‑1，对于i≠0的数据块Ei＝{Di‑1，Bi}，同时将Dk‑1搬移到中S0，作为下一次处理过程的初始状态数据使用；重叠数据的搬移分为三个步骤，第一步，启动M‑1个线程同时工作，线程Ti(0≤i≤M‑2)完成将S0中第i个数据搬移到重叠搬移结果数据E0的S0中的第i的位置，然后再完成将Dk‑1中第i个数据搬移到S0中的第i的位置；第二步，启动L个线程同时工作，线程Ti(0≤i≤L‑1)完成将待滤波样点数据X的Bj(0≤j≤k‑1)块中第i个数据搬移到重叠搬移结果数据E的Bj(0≤j≤k‑1)块中的第i的位置；第三步，启动M‑1个线程同时工作，线程Ti(0≤i≤M‑2)完成将待滤波样点数据X的Dj(0≤j≤k‑1)块中第i个数据搬移到重叠搬移结果数据E的Dj(0≤j≤k‑1)块中的第i的位置；步骤四、滤波计算处理；启动傅里叶变换核函数，完成对每个Ei做N点的傅里叶变换运算，得到运算结果F＝{F0，F1，...，Fk‑1}；然后启动乘法核函数完成Fi与系数H相乘操作，即Ii＝Fi*H；然后启动傅里叶逆变换核函数，完成对每个Ii做N点的傅里叶逆变换运算，并得结果R＝{R0，R1，...，Rk‑1}；在启动乘法核函数核函数时，启动N个线程同时工作，线程Ti(0≤i≤N‑1)完成将Fj(0≤j≤k‑1)中第i个数据与频响系数H中的第i个系数相乘，并将结果保存在Rj(0≤j≤k‑1)块中的第i的位置；步骤五、数据的合并搬移；启动合并搬移核函数完成数据的合并搬移操作，即将结果数据R＝{R0，R1，...，Rk‑1}合并搬移为Y＝{Y0，Y1，...，Yk‑1}，其中Ri＝{Zi，Yi}，其中Zi表示在Ri中起点为0，长度为M‑1的连续数据点所组成的数据块，Yi表示在Ri中起点为M‑1，长度为L的连续数据点所组成的数据块；在启动合并搬移核函数时，启动L个线程同时工作，线程Ti(0≤i≤L‑1)完成将乘积Rj(0≤j≤k‑1)中第M‑1+i个数据搬移到结果数据Yj(0≤j≤k‑1)块中的第i的位置，其中，启动的L个线程在同一时刻搬运长度为L的连续数据块；步骤六、将合并搬移结果Y＝{Y0，Y1，...，Yk‑1}传送到主机内存，若还有剩余数据需要处理重复步骤二，否则结束处理过程，完成高阶数字FIR滤波器频域并行处理。