CN104753563B - 一种脉冲信号实时抓取处理装置及方法 - Google Patents

一种脉冲信号实时抓取处理装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种能够实时高速捕获短时脉冲信号的抓取处理装置，包括射频信号截获系统、中频信号处理系统以及工业计算机终端，射频信号截获系统与中频信号处理系统相连，并向中频信号处理系统输出模拟中频信号，中频信号处理系统对射频信号截获系统进行射频控制，中频信号处理系统与工业计算机终端双向连接。射频信号截获系统捕获环境中VHF/UHF频段的无线电波信号，转换为模拟中频信号输出到中频信号处理系统，中频信号处理系统将接收到的模拟中频信号转换为数字中频信号后进行数字下变频处理，生成数据基带信号，并实时捕获出有效脉冲信号传送到所述工业计算机终端。本发明还提供了该装置对应的脉冲信号实时抓取处理方法。

Description

一种脉冲信号实时抓取处理装置及方法
技术领域
本发明涉及实时抓取跳频脉冲信号，特别涉及一种高速捕获短时脉冲信号处理装置及方法。
背景技术
脉冲信号是一种离散信号，形状多种多样，与普通模拟信号相比，波形之间在时间轴不连续，体现在平面坐标系中波形与波形之间有明显的间隔。短时脉冲信号的特点在于不是每个时刻数据都是有效数据，而是一段一段有效数据。为了实现对脉冲信号的检测和利用，必须通过信号识别算法，识别出真正有效信号数据，使用数据剪切技术，有效信号从背噪中剔除出来。然后，通过数据拼接技术，把有效数据拼接成连续有效信号。最后，把有效信号存储在存储器中，并通知处理器(CPU、X86、ARM、DSP等)读取有效信号IQ基带数据，对基带数据做快速傅氏变换(FFT)等数据计算。
目前对脉冲信号的采集和处理装置多利用单片机或可编程逻辑控制器或直接采用硬件终端采集，由于ms甚至μs级的脉冲信号宽度可能比系统的扫描周期还小，导致无法准确抓取脉冲信号，有时甚至采集不到信号，信号采集结果不可靠，后续处理结果更难以满足实际需要。
为解决这一问题，本发明提出一种脉冲信号实时抓取处理装置及方法，可以在高速实时抓取8μs短时脉冲信号，还可以有效压缩数据，减少无用数据占有存储器空间，为后面信号分析提供重要可靠数据，大大减少数据垃圾。
发明内容
本发明提出了一种脉冲信号实时抓取处理装置及方法，能够实时高速捕获短时脉冲信号，采用的技术方案如下：
一种脉冲信号实时抓取处理装置，包括射频信号截获系统、中频信号处理系统以及工业计算机终端，其特征在于射频信号截获系统与中频信号处理系统相连，并向中频信号处理系统输出模拟中频信号，中频信号处理系统对射频信号截获系统进行射频控制，中频信号处理系统与工业计算机终端双向连接。
射频信号截获系统捕获环境中VHF/UHF频段的无线电波信号，转换为模拟中频信号输出到中频信号处理系统，中频信号处理系统将接收到的模拟中频信号转换为数字中频信号后进行数字下变频处理，生成数据基带信号，并实时捕获出有效脉冲信号传送到所述工业计算机终端。
中频信号处理系统为现场可编程门阵列实现的独立功能系统，包括数字下变频模块、脉冲信号捕获模块、数据存储模块和数据输出模块；数字下变频模块输出端与脉冲信号捕获模块输入端相连，脉冲信号模块输出端分别连接数据存储模块和数据输出模块，数据存储模块与数据输出模块相连。
数字中频信号通过数据下变频模块后变成数据基带信号，数据基带信号通过脉冲信号捕获模块实时捕获出有效脉冲信号，脉冲信号存入数据存储模块中，通过数据输出模块把脉冲信号传送到所述工业计算机终端。
射频信号截获系统通过SMA接口向中频信号处理系统输出模拟中频信号，射频信号截获系统通过DB25接口与中频信号处理系统连接。
中频信号处理系统通过PCI接口与工业计算机终端连接。
一种脉冲信号实时抓取处理方法，包括步骤S1：捕获环境中捕获环境中VHF/UHF频段的无线电波信号转换为模拟中频信号。
S2：中频信号处理系统将模拟中频信号转换为数字中频信号，并进行数字下变频处理生成数据基带信号。
S3：对数据基带信号进行实时抓取，得到有效脉冲信号。
S4：将有效脉冲信号传送给计算机终端。
进一步地，步骤S2所述数字下变频处理包括如下步骤：
S21：对信号的带宽大小进行编码，形成不同带宽号，通过查表法对数字中频信号进行数据混频。
S22：根据上位机网口指令对不同带宽信号进行宽窄滤波，生成数据基带信号。S23：通过多路数据选择系统输出所需数据基带信号。
更进一步地，步骤S22所述宽窄滤波包括如下步骤：
S221：根据上位机指令读取带宽号，若是0～1，则进行并行256阶有限脉冲响应宽带滤波，滤波范围为40M～20M，并继续向下判断，若不是则直接向下读取带宽号。
S222：读取S21步骤后的信号，若带宽号是2～8，则进行串行128阶有限脉冲响应宽带滤波，滤波范围为5M～1M，并继续向下判断，若不是则直接向下读取带宽号。
S223：对S22步骤后的信号进行频偏调整。
S224：读取S23步骤后的信号，若带宽号是10～16，则进行串行128阶有限脉冲响应窄带滤波，滤波范围为500K～150K，并继续向下判断，若不是则直接向下读取带宽号。
S225：读取S24步骤后的信号，若带宽号是18～32，则进行串行128阶有限脉冲响应窄带滤波，滤波范围为120K～1K，并进入多路数据选择系统，若不是则直接进入多路数据选择系统。
步骤S3所述处理包括如下步骤：
S31：把连续基带数据比特流分割成不同数字帧。
S32：计算各个帧的幅值
S33：将各个帧幅值与标准门限值比对，若大于门限值，则认定此帧为脉冲信号并继续下一步骤；若小于门限值，此帧信号不是脉冲信号，则继续S32，完成脉冲信号的识别。
S34：将各个帧幅值与前帧幅值比对，若大于前帧幅值则输出最大值对应的信号数据；若小于前帧幅值则继续S33，完成有效脉冲信号抓取。
脉冲信号实时抓取处理装置工作原理是通过中频信号处理系统实现对整个系统的控制和调度。首先，通过中频信号处理系统设置射频信号截获系统，捕获环境中VHF/UHF频段的无线电波信号，把截获到的无线电信号转换成模拟中频信号后输出，中频信号处理系统接收模拟中频信号，通过系统中的数据采集板把模拟中频信号变换为数字中频信号，中频信号处理系统把数字中频信号进行数字下变频(DDC)处理，其中混频(NCO)模块对信号的带宽大小进行编码形成不同带宽号，由上位机通过网口发送命令可切换带宽号，根据不同带宽号进入宽窄滤波功能，从而实现宽窄带混频，把数字中频信号变为数据基带信号。0～8号实现40M～1M宽带滤波，10～32号实现500K～1K窄带滤波，数据基带信号流向多路数据输出选择模块，实现数据输出和多倍抽取。最后，实时脉冲信号捕获模块对数据基带IQ信号实现有效信号电平捕获，即把连续数据流以N(128～4096)点为单位剪切成不同帧数，计算出每帧的电频幅值，筛选出这组帧最大幅值的那帧信号的IQ数据，从而实时筛选出有效信号。由于脉冲信号具有周期性，因此每周期上述方法均能捕获短时脉冲信号。
本发明对传输接口不做要求，既可以在高速传输接口(如千兆以太网、PCIE)实时抓取短时脉冲信号，也可以在低速接口(USB、RS232、ISA)实时抓取短时脉冲信号，还可以有效压缩数据，减少无用数据占有存储器空间，为后面信号分析提供重要可靠数据，大大减少数据垃圾。
附图说明
图1为本发明一种脉冲信号实时抓取处理装置结构框图。
图2为中频信号处理系统结构示意图。
图3为数字下变频(DDC)算法图。
图4为实时脉冲信号捕获流程图。
具体实施方式
本说明书(包括任何权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征或过程中的步骤，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。同时本说明书中对替代特征的描述是对等同技术特征的描述，不得视为对公众的捐献。
本说明书(包括任何权利要求、摘要和附图)中用语若同时具有一般含义与本领域特有含义的，如无特殊说明，均定义为本领域特有含义。
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。如图1所示，脉冲信号实时抓取处理装置由射频信号截获系统、中频信号处理系统、工业计算终端组成。射频信号截获系统与中频信号处理系统通过DB25接口相连连，该接口用SPI时序控制射频信号截获系统包括调谐频率控制、射频衰减控制、中频衰减控制、工作模式控制、中频带宽控制、功耗模式控制等。射频信号截获系统输出模拟中频信号通过SMA接口输入中频信号处理系统。中频信号处理系统与工业计算机终端通过PCI接口相连。工业计算机终端发出中频控制指令通过PCI接口输入中频信号处理系统中，而经中频信号处理系统处理完的IQ数据基带信号通过PCI接口回送计算机终端中，用于进一步分析和处理。
图2为中频信号处理系统结构示意图。中频信号处理系统是由现场可编程门阵列(FPGA)实现的独立功能系统，通过PCI接口与工业计算机终端控制中心通信，包括数字下变频(DDC)模块、脉冲信号捕获模块、数据存储模块、数据输出模块。数字中频信号经数字下变频处理后输出两路相位正交的调制信号分别为I和Q，也就是基带信号。变换后的IQ数据基带信号通过脉冲信号捕获模块，实时筛选出有效脉冲信号，存入数据存储模块中。最后，通知上位机读出数据存储模块中的脉冲数据，通过数据输出模块把脉冲数据传递到PCI总线上。
图3为对数字中频信号进行数字下变频(DDC)算法流程图。首先，对进入DDC系统中的数字中频信号进行数字混频(NCO)。其次，根据上位机指令进行不同带宽的滤波。最后，处理完成后的数据基带信号，通过多路数据选择系统输出一路IQ数据基带信号。DDC算法的具体处理步骤如下：
S1：对信号的带宽大小进行编码，形成不同带宽号，通过查表法对数字中频信号进行数据混频。
S2：根据上位机网口指令对不同带宽信号进行宽窄滤波，生成数据基带信号；进一步地，步骤S2具体为：
S21：根据上位机指令读取带宽号，若是0～1，则进行并行256阶有限脉冲响应宽带滤波，滤波范围为40M～20M，并继续向下判断，若不是则直接向下读取带宽号。
S22：读取S21步骤后的信号，若带宽号是2～8，则进行串行128阶有限脉冲响应宽带滤波，滤波范围为5M～1M，并继续向下判断，若不是则直接向下读取带宽号。
S23：对S22步骤后的信号进行频偏调整。
S24：读取S23步骤后的信号，若带宽号是10～16，则进行串行128阶有限脉冲响应窄带滤波，滤波范围为500K～150K，并继续向下判断，若不是则直接向下读取带宽号。
S25：读取S24步骤后的信号，若带宽号是18～32，则进行串行128阶有限脉冲响应窄带滤波，滤波范围为120K～1K，并进入多路数据选择系统，若不是则直接进入多路数据选择系统。
S3：通过多路数据选择系统输出所需数据基带信号。
图4为实时脉冲信号捕获流程图。数字中频信号通过数字下变频变为IQ数据基带信号后，首先运用数据剪切技术把连续数据分割数字帧。然后，求各帧幅值与均值，根据各个帧幅值与门限值比较筛选出脉冲信号。最后，输出最大幅值那帧IQ数据基带信号。具体脉冲信号捕获步骤如下：
S4：把连续基带数据比特流分割成不同数字帧。
S5：计算出各个帧的幅值I和Q为相位正交的基带信号，i为数据帧数。
S6：将各个帧幅值与标准门限值比对，若大于门限值，则认定此帧为脉冲信号并继续下一步骤；若小于门限值，此帧信号不是脉冲信号，则继续S5，完成脉冲信号的识别。
S7：将各个帧幅值与前帧幅值比对，若大于前帧幅值则输出最大值对应的信号数据；若小于前帧幅值则继续S33，完成有效脉冲信号实时抓取。
本发明的脉冲信号实时抓取处理装置对传输接口不做要求，通过中频信号处理系统对脉冲信号进行处理并实时捕获有效脉冲信号，可以有效压缩数据，大大减少数据垃圾，减少无用数据占有存储器空间，为后面信号分析提供重要可靠数据。

Claims (6)

1.一种脉冲信号实时抓取处理装置，包括射频信号截获系统、智能中频信号处理系统以及工业计算机终端，其特征在于射频信号截获系统与智能中频信号处理系统相连，并向智能中频信号处理系统输出模拟中频信号，智能中频信号处理系统对射频信号截获系统进行射频控制，智能中频信号处理系统与工业计算机终端双向连接；
所述射频信号截获系统捕获环境中VHF/UHF频段的无线电波信号，转换为模拟中频信号输出到中频信号处理系统，中频信号处理系统将接收到的模拟中频信号转换为数字中频信号后进行数字下变频处理，生成数据基带信号，并实时捕获出有效脉冲信号传送到所述工业计算机终端；
所述智能中频信号处理系统为现场可编程门阵列实现的独立功能系统，包括数字下变频模块、脉冲信号捕获模块、数据存储模块和数据输出模块；数字下变频模块输出端与脉冲信号捕获模块输入端相连，脉冲信号捕获模块输出端分别连接数据存储模块和数据输出模块，数据存储模块与数据输出模块相连；
数字中频信号通过所述数字下变频模块后变成数据基带信号，所述数据基带信号通过所述脉冲信号捕获模块实时捕获出有效脉冲信号，所述脉冲信号存入所述数据存储模块中，通过所述数据输出模块把脉冲信号传送到所述工业计算机终端。
2.根据权利要求1所述的脉冲信号实时抓取处理装置，其特征在于所述射频信号截获系统通过SMA接口向所述智能中频信号处理系统输出模拟中频信号，所述射频信号截获系统通过DB25接口与所述智能中频信号处理系统连接。
3.根据权利要求1所述的脉冲信号实时抓取处理装置，其特征在于所述智能中频信号处理系统通过PCI接口与工业计算机终端连接。
4.一种脉冲信号实时抓取处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：捕获环境中VHF/UHF频段的无线电波信号转换为模拟中频信号；
S2：中频信号处理系统将模拟中频信号转换为数字中频信号，并进行数字下变频处理生成数据基带信号；
S3：对数据基带信号进行实时抓取，得到有效脉冲信号；
步骤S3包括如下步骤：
S31：把连续基带数据比特流分割成不同数字帧；
S32：计算各个帧的幅值I和Q为相位正交的基带信号，i为数据帧数；
S33：将各个帧幅值与标准门限值比对，若大于门限值，则认定此帧为脉冲信号并继续下一步骤；若小于门限值，此帧信号不是脉冲信号，则继续S32，完成脉冲信号的识别；
S34：将各个帧幅值与前帧幅值比对，若大于前帧幅值则输出最大值对应的信号数据；若小于前帧幅值则继续S33，完成有效脉冲信号抓取；
S4：将有效脉冲信号传送给计算机终端。
5.根据权利要求4所述的脉冲信号实时抓取处理方法，其特征在于，步骤S2所述数字下变频处理包括如下步骤：
S21：对信号的带宽大小进行编码，形成不同带宽号，通过查表法对数字中频信号进行数据混频；
S22：根据上位机网口指令对不同带宽信号进行宽窄滤波，生成数据基带信号；
S23：通过多路数据选择系统输出所需数据基带信号。
6.根据权利要求5所述的脉冲信号实时抓取处理方法，其特征在于，步骤S22所述宽窄滤波包括如下步骤：
S221：根据上位机指令读取带宽号，若是0～1，则进行并行256阶有限脉冲响应宽带滤波，滤波范围为40M～20M，并继续向下判断，若不是则直接向下读取带宽号；
S222：读取S221步骤后的信号，若带宽号是2～8，则进行串行128阶有限脉冲响应宽带滤波，滤波范围为5M～1M，并继续向下判断，若不是则直接向下读取带宽号；
S223：对S222步骤后的信号进行频偏调整；
S224：读取S223步骤后的信号，若带宽号是10～16，则进行串行128阶有限脉冲响应窄带滤波，滤波范围为500K～150K，并继续向下判断，若不是则直接向下读取带宽号；
S225：读取S224步骤后的信号，若带宽号是18～32，则进行串行128阶有限脉冲响应窄带滤波，滤波范围为120K～1K，并进入多路数据选择系统，若不是则直接进入多路数据选择系统。
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