CN106325140A - 基于fpga的多通道短波/超短波信号处理系统及处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FPGA的多通道短波/超短波信号处理系统，包括接收模块、采集控制与处理模块和客户端模块；接收模块与采集控制与处理模块连接，采集控制与处理模块与客户端模块连接。本发明实现了四通道的短波/超短波中频模拟信号的高速实时采集，系统的精度高，通用性强，可根据实际的采集需求，通过增加多通道选择开关即可实现更多通道的信号实时采集。本发明通过采用软件无线电的设计思想，使经过接收后的模拟信号尽可能快的实现数字化，避免信号传输过程中可能受到的内部或外界的干扰。克服了传统采集处理系统的低速、不可靠等缺陷，使数据的传输的可靠性得到增强，能够实现包括图形、语音及图像等的传输，满足了现有的数据采集与处理的需求。
Description
技术领域
本发明属于无线电通讯领域，尤其涉及一种基于FPGA的多通道短波/超短波信号处理系统及处理方法。
背景技术
随着计算机和信息科学技术的飞速发展，人们面临的信号处理任务越来越繁重，对数据采集系统的要求也越来越高。由此，数字信号处理技术应运而生，并且得到了迅速的发展。由于其具有算法灵活、抗干扰能力强、处理速度快、结果精确等优点，现已广泛应用于图像处理、信号检测、软件无线电、工业自动化控制等领域。数据采集与处理系统作为实现数字信号处理技术的应用平台，也因此得到了很大的发展，在采样速率、处理能力等方面都有了很大的提高。
FPGA技术的快速发展，使得FPGA在信号采集与处理方面的优势也越来越明显。FPGA芯片不仅具有很强的逻辑控制能力，而且具有较强的数字信号处理能力。现在新型的FPGA芯片中一般都集成了DSP模块，甚至嵌入了软/硬核处理器，加上FPGA在信号并行处理方面的优势，使得基于FPGA的信号采集控制与处理已经完全成为可能。基于FPGA的信号采集与处理系统具有开发周期短、设计灵活、成本低、可靠性强等特点，具有十分广阔的应用前景。
发明内容
本发明提供一种基于FPGA的多通道短波/超短波信号处理系统，具有高速实时采集，系统的精度高，通用性强等优点，采用软件无线电思想，能够广泛应用在语音信号、图像处理及自动化控制等领域。
本发明提出了一种基于FPGA的多通道短波/超短波信号处理系统，包括接收模块、采集控制与处理模块和客户端模块；所述接收模块与所述采集控制与处理模块连接，所述采集控制与处理模块与所述客户端模块连接；其中，所述接收模块包括：射频电路和下变频电路；所述射频电路的输出端与所述下变频电路的输入端连接；所述采集控制与处理模块包括：多通道选择电路、A/D转换电路和FPGA及其外围电路；所述多通道选择电路的输入端与所述下变频电路的输出端连接；所述A/D转换电路的输入端与所述多通道选择电路的输出端连接；所述FPGA及其外围电路的输入端与所述A/D转换电路的输出端连接；所述客户端模块包括：串口连接电路与上位机模块；所述串口电路连接电路的输入端与所述FPGA及其外围电路的输出端连接；所述上位机模块的输入端与所述串口连接电路的输出端连接。
本发明提出的基于FPGA的多通道短波/超短波信号处理系统中，所述FPGA及其外围电路包括：采集控制单元、信号处理单元、存储控制单元和存储器单元；其中，所述采集控制单元产生逻辑控制信号控制所述多通道选择电路完成对多路模拟信号的选择，并控制所述A/D转换电路产生工作时序将选择后的多路模拟信号转换为数字信号送入FPGA进行FFT处理；所述存储控制单元产生逻辑控制信号，将FFT处理后的信号存储在所述存储器单元中。
本发明提出的基于FPGA的多通道短波/超短波信号处理系统中，所述FPGA为ALTERA的Cyclone II系列的EP2C35F672C6N。
本发明提出的基于FPGA的多通道短波/超短波信号处理系统中，所述存储器单元为片外Flash存储器。
本发明提出的基于FPGA的多通道短波/超短波信号处理系统中，所述多通道选择电路为16路的多通道选择开关AD7506。
本发明提出的基于FPGA的多通道短波/超短波信号处理系统中，所述A/D转换电路为双路12位的AD7862。
本发明提出的基于FPGA的多通道短波/超短波信号处理系统中，所述上位机模块采用MATLAB语言编写图形用户界面，界面显示各通道信号的波形和频率参数。
本发明还提出了一种多通道短波/超短波信号处理系统的处理方法，包括以下步骤：
步骤一：通过射频电路对接收到的短波/超短波目标信号进行选频、滤波和放大，并由下变频模块高频信号变频为中频信号；
步骤二：FPGA及其外围电路控制多通道选择电路完成对多路模拟信号的选择，并控制A/D转换电路将选择后的多路模拟信号转换为数字信号送入FPGA进行FFT处理；
步骤三：通过串口连接电路将处理后的信号数据上传至上位机模块中，通过所述上位机模块的可视化界面将相关参数显示。
本发明提出的处理方法中，所述步骤二包括：
步骤a：采集控制单元产生逻辑控制信号控制所述多通道选择电路完成对多路模拟信号的选择，并控制所述A/D转换电路产生工作时序将选择后的多路模拟信号转换为数字信号送入FPGA进行FFT处理；
步骤b：存储控制单元产生逻辑控制信号，将FFT处理后的信号存储在存储器单元中；
步骤c：通过设置溢出参数将存储在所述存储器单元中信号数据输出。
本发明通过采用四个多通道选择开关AD7506，实现了四通道的短波/超短波中频模拟信号的高速实时采集，系统的精度高，通用性强，可根据实际的采集需求，通过简单地增加多通道选择开关即可实现更多通道的信号实时采集。
本发明基于FPGA的多通道短波/超短波信号处理系统，通过采用软件无线电的设计思想，使经过接收后的模拟信号尽可能快的实现数字化，避免信号传输过程中可能受到的内部或外界的干扰。克服了传统采集处理系统的低速、不可靠等缺陷，是数据的传输的可靠性得到增强，能够实现包括图形、语音及图像等的传输，满足了现有的数据采集与处理的需求。
本发明能够应用于短波/超短波通信如工业自动化控制、水利水情监测、电力应急通信等领域的信号采集与处理中。
附图说明
图1为本发明基于FPGA的多通道短波/超短波信号处理系统的结构示意图。
图2为本发明基于FPGA的多通道短波/超短波信号处理系统中采集控制与处理模块的结构示意图。
图3为本发明基于FPGA的多通道短波/超短波信号处理系统中上位机可视化界面的设计图。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明做进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容外，均为本领域的普通知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
本发明中所涉及的“模块”均指内部烧录的或固有程序的芯片及其连接电路，芯片中所烧录或固有的程序均为现有公知技术。
图1是本发明基于FPGA的多通道短波/超短波信号处理系统的整体结构框架。本发明包括：接收模块100、采集控制与处理模块200与客户端模块300。
其中，接收模块100与采集控制与处理模块200连接，采集控制与处理模块200与客户端模块300连接，接收模块100用于接收短波/超短波目标信号,并进行相应的变频处理。采集控制与处理模块200是整个系统的控制核心，控制系统的相关功能模块完成对信号的采集与处理任务。客户端模块300主要是将采集到的多路信号的相关波形和频率等进行可视化显示，更直观地呈现给系统管理者。
参阅图1,接收模块100包括：射频电路110和下变频电路120，射频电路110用于对目标信号进行选频、滤波、放大等，下变频模块120用于将高频的短波/超短波信号变频至采集控制与处理模块200可处理的中频信号。
参阅图1，采集控制与处理模块200包括：多通道选择电路210、A/D转换电路220与FPGA及其外围电路230。在系统工作时，多路模拟信号首先经过多通道选择电路210和A/D转换电路220，采集控制单元231通过控制多通道选择电路210和A/D转换电路220，产生控制A/D转换的工作时序和进行多通道选择的逻辑控制信号，完成对多路模拟信号的选择，并对选择后的多路模拟信号进行A/D转换。经过A/D转换后的数字信号送入FPGA进行FFT处理，最后由存储控制单元233产生存储器单元234的逻辑控制信号，将经过FFT处理后的信号进行存储。
参阅图1，客户端模块300包括：串口连接电路310和上位机模块320，采集控制与处理模块200中的存储控制单元233通过产生逻辑控制信号，对经过FFT处理后的信号进行存储，而通过设置一定的溢出参数，将存储的信号数据通过串口连接电路310上传至上位机模块320中，通过上位机的可视化界面将相关参数显示。
以下结合图2对采集控制与处理模块200的结构及其功能做进一步的说明。
本发明选择16路的多通道选择开关AD7506，通过控制使能端高电平有效来控制AD7506的工作状态。根据需要采集的信号路数，将采集信号输入通道进行分组，从而通过多片AD7506实现对多路模拟输入信号的通道选择。由FPGA控制产生AD7506所需的片选信号和通道选择时序信号。
A/D转换电路220的作用就是把采集到的模拟信号转换成数字信号，以便后面的信号处理模块实现对数字信号的处理。本发明选择双路12位的AD转换芯片AD7862，该芯片内部集成了两个可以同时工作的12位AD转换器，可以完成两组通道信号中的任意一组通道的2路模拟信号同时采样，转换时间约为4us。FPGA会产生片选信号、多路选择信号、读取控制信号及CONVST信号，从而控制AD7862完成由模拟信号到数字信号的转换。进过转换后的数字信号通过数据总线将数据送入FPGA进行FFT处理。
数字信号处理中的相关、滤波、谱估计、卷积等都可以化为离散傅里叶变换DFT来实现，DFT是实现处理数字信号如图形、语音及图像等的重要变换工具，快速傅里叶变换FFT是DFT的快速算法。经过A/D转换后的数字信号进入FPGA来实现1024点数的FFT算法，从而完成数字信号处理。
本发明设计中需要用到存储器，用于存储经过数字信号处理后的信号，同时也作为上传上位机前的过渡。本发明中使用的ALTERA的Cyclone II系列的EP2C35F672C6N型号，其片内含有105个M4K RAM块，FPGA的片内存储器的存取速度快，使用起来很方便，但是存储量有限，一般只能用来存储少量的数据。同时使用片内存储也会占用FPGA的一部分逻辑资源，所以本发明采用片外的Flash存储器。
参阅图1，客户端模块300包括串口连接电路310与上位机模块320。经过数字信号处理后的数据存储在片外Flash中，通过在FPGA中设置一定的溢出参数，当存储数据达到溢出值时，数据将通过串口连接电路上传至上位机。
参阅图3，上位机的可视化图形用户界面由MATLAB编程语言来实现，根据所要采集的信号通道数来设计显示的界面，图形用户界面主要用来显示经过数字处理后的各通道信号的波形，频率等参数。
基于本发明提出的基于FPGA的多通道短波/超短波信号处理系统，本发明还提出了一种该系统的处理方法，包括以下步骤：
步骤一：通过射频电路110对接收到的短波/超短波目标信号进行选频、滤波和放大，并由下变频模块120高频信号变频为中频信号；
步骤二：FPGA及其外围电路230控制多通道选择电路210完成对多路模拟信号的选择，并控制A/D转换电路220将选择后的多路模拟信号转换为数字信号送入FPGA进行FFT处理；
步骤三：通过串口连接电路310将处理后的信号数据上传至上位机模块320中，通过上位机模块320的可视化界面将相关参数显示。
其中，步骤二包括：
步骤a：采集控制单元231产生逻辑控制信号控制多通道选择电路210完成对多路模拟信号的选择，并控制A/D转换电路220产生工作时序将选择后的多路模拟信号转换为数字信号送入FPGA进行FFT处理；
步骤b：存储控制单元233产生逻辑控制信号，将FFT处理后的信号存储在存储器单元234中；
步骤c：通过设置溢出参数将存储在存储器单元234中信号数据输出。
本发明尤其适用于传统的短波/超短波数传通信领域，如工业控制、水利监控等，相对于其他无线通信如GPRS、卫星通信等，短波/超短波直射波通信，在长时间范围内其信道参数可以当作是恒定不变的，因而短波/超短波通信更加可靠也更简单、更稳定。相对于传统的基于单片机为核心的控制与处理系统，时钟频率低，主要靠软件运行来实现，效率相对较低，难以满足高速、高可靠性的采集要求。而DSP虽然具有较为强大的数字信号处理能力，擅长海量数据处理，但很难完成外围复杂逻辑器件的控制。而FPGA优良的性能既实现了高速、高可靠性的信号处理要求，又具有强大的逻辑控制功能。因此，本发明可以很好地完成相关领域的信号采集与处理功能，具有广阔的应用前景。
实施例
某城市的自来水供应系统中，其拥有4个水厂，压力监测站12个和流量监测站8个，4个水厂为分控室，分别监控所辖的压力和流量监测站，此外，城市还拥有一个总控制中心。通过无线通信将总监控站和4个分控室连接起来，4个分控室又分别与各个压力和流量监测站连接起来，实现了集中管理、分散控制，避免了集中控制系统危险度集中、可靠性差、不易扩展等，从根本上提高了系统可靠性。现有的供水系统中，为了对分布在不同位置的设备状况(流量/压力)进行监控，需要将分布在这些位置上的传感器所采集到信号实时上传到监控中心。目前远程传输有多种方式，采用有线通信或无线CDMA/GPRS通信方式，但从供水系统的特殊地理环境及运行维护费用角度考虑，很多也会选择短波/超短波的无线传输方式。结合实际应用情况，一个水厂由一个控制中心和众多的监测站组成，所以在通信组网时，采用一个控制中心对众多分监测站的方式，分监测站安装天线发射信号，控制中心安装定向天线来接收并发射应答信号总。供水系统是一个城市的核心功能之一，对于供水系统的监测必须拥有良好的实时响应与处理能力、传输速率高、建设成本低、覆盖范围广等，而超短波通信凭借良好的性能完全能够满足上述要求。系统的各个压力和流量监测站都拥有传感器和信息传输设备，在现有的系统监测中，需要在分监控中心或是总监控室针对每一个监测对分别设置一套信号接收与处理装置，然后对信号进行处理后上传上位机显示。而这样的设置需要投入大量的成本去增设接收与处理设备，而实际使用的效率却很低。
本发明中，通过使用多个16路的多通道选择开关AD7506和4通道12位的模数转换芯片AD7862，将控制中心接收到的各个分监测站信号不经处理直接送入多通道选择开关电路，本设计可以实现的采集控制模块有64路采集信号的输入通道，将其分为4组，每16个一组，利用4片AD7506实现对64路模拟输入信号的通道选择。然后将信号接入AD7862电路进行集中并行处理，AD7862可以完成两组通道信号中的任意一组通道的2路模拟信号同时采样，并通过FPGA对多通道选择开关的控制来实现各个通道的信号采集、处理、存储等功能。
本发明的处理模式省却了控制中心的接收与处理装置中的大量处理环节，通过对各个接收后的信号进行集中处理，实现了信号的高速并行处理，增加了系统的可靠性、可维护性、显著降低系统的建设成本。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。
Claims (9)
1.基于FPGA的多通道短波/超短波信号处理系统，其特征在于，包括：接收模块(100)、采集控制与处理模块(200)和客户端模块(300)；所述接收模块(100)与所述采集控制与处理模块(200)连接，所述采集控制与处理模块(200)与所述客户端模块(300)连接；其中，
所述接收模块(100)包括：射频电路(110)和下变频电路(120)；所述射频电路(110)的输出端与所述下变频电路(120)的输入端连接；
所述采集控制与处理模块(200)包括：多通道选择电路(210)、A/D转换电路(220)和FPGA及其外围电路(230)；所述多通道选择电路(210)的输入端与所述下变频电路(120)的输出端连接；所述A/D转换电路(220)的输入端与所述多通道选择电路(210)的输出端连接；所述FPGA及其外围电路(230)的输入端与所述A/D转换电路(220)的输出端连接；
所述客户端模块(300)包括：串口连接电路(310)与上位机模块(320)；所述串口电路连接电路(310)的输入端与所述FPGA及其外围电路(230)的输出端连接；所述上位机模块(320)的输入端与所述串口连接电路(310)的输出端连接。
2.如权利要求1所述的基于FPGA的多通道短波/超短波信号处理系统，其特征在于，所述FPGA及其外围电路(230)包括：采集控制单元(231)、信号处理单元(232)、存储控制单元(233)和存储器单元(234)；其中，
所述采集控制单元(231)产生逻辑控制信号控制所述多通道选择电路(210)完成对多路模拟信号的选择，并控制所述A/D转换电路(220)产生工作时序将选择后的多路模拟信号转换为数字信号送入FPGA进行FFT处理；所述存储控制单元(233)产生逻辑控制信号，将FFT处理后的信号存储在所述存储器单元(234)中。
3.如权利要求2所述的基于FPGA的多通道短波/超短波信号处理系统，其特征在于，所述FPGA为ALTERA的Cyclone II系列的EP2C35F672C6N。
4.如权利要求2所述的基于FPGA的多通道短波/超短波信号处理系统，其特征在于，所述存储器单元(234)为片外Flash存储器。
5.如权利要求1所述的基于FPGA的多通道短波/超短波信号处理系统，其特征在于，所述多通道选择电路(210)为16路的多通道选择开关AD7506。
6.如权利要求1所述的基于FPGA的多通道短波/超短波信号处理系统，其特征在于，所述A/D转换电路(220)为双路12位的AD7862。
7.如权利要求1所述的基于FPGA的多通道短波/超短波信号处理系统，其特征在于，所述上位机模块(320)采用MATLAB语言编写图形用户界面，界面显示各通道信号的波形和频率参数。
8.一种如权利要求1或2所述的多通道短波/超短波信号处理系统的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：通过射频电路(110)对接收到的短波/超短波目标信号进行选频、滤波和放大，并由下变频模块(120)高频信号变频为中频信号；
步骤二：FPGA及其外围电路(230)控制多通道选择电路(210)完成对多路模拟信号的选择，并控制A/D转换电路(220)将选择后的多路模拟信号转换为数字信号送入FPGA进行FFT处理；
步骤三：通过串口连接电路(310)将处理后的信号数据上传至上位机模块(320)中，通过所述上位机模块(320)的可视化界面将相关参数显示。
9.如权利要求8所述的处理方法，其特征在于，所述步骤二包括：
步骤a：采集控制单元(231)产生逻辑控制信号控制所述多通道选择电路(210)完成对多路模拟信号的选择，并控制所述A/D转换电路(220)产生工作时序将选择后的多路模拟信号转换为数字信号送入FPGA进行FFT处理；
步骤b：存储控制单元(233)产生逻辑控制信号，将FFT处理后的信号存储在存储器单元(234)中；
步骤c：通过设置溢出参数将存储在所述存储器单元(234)中信号数据输出。
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