CN106375040A - 一种基于fpga频谱监测带宽内任意频率点实时解调实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于FPGA频谱监测带宽内任意频率点实时解调实现方法，在20MHz以内可变分析带宽内进行实时频谱监测的同时，能够通过调节FPGA内部的数字本振的频率来选择带宽内任意的解调频率点，然后再调节解调带宽滤波器选择合适的解调带宽对数据进行解调，将解调后的数据抽取滤波输出到音频。这样在宽带实时频谱监测的同时，能够对带内的任意频率点进行实时解调分析。
Description
技术领域
本发明属于无线电监测技术领域，具体说来是一种基于FPGA频谱监测带宽内任意频率点实时解调实现方法。
背景技术
随着RF信号在现代世界中变得无所不在，生成RF信号的设备之间的干扰问题也随之增多，调制方式在通信设备中有着越来越广泛的应用，无线电监测设备应该在频域和调制域内提供信号概况。这就需要对间歇性的、持续时间较短、偶然出现的瞬时及动态信号进行实时频谱监测的同时，还需要对监测带宽内的某个频率点信号的调制特性或者调制质量进行分析。
传统的模拟解调系统，解调信号的瞬时带宽通常小于200kHz。一些专用的IC解调芯片，解调带宽也仅为1.25MHz，且使用非常不灵活，不易于扩展。在很多新兴的无线系统(例如WiMAXTM1和3GPPLTE)中，信号的调制带宽都增加到了5MHz到20MHz，随着调制带宽的增加，要想正确地解调和识别信号，接收机的解调带宽也需要相应的提高。
FPGA因是并行处理，速度快，在处理高速数据具有灵活的优势，目前的一些测量分析仪器都是将高速ADC量化后的中频信号传送给FPGA，经过数字下变频和抽取滤波处理，将中频信号变成零中频的数字IQ复信号。一种是在进行频谱分析的同时，把整个带宽内的IQ数据存储到一个大容量的数据存储器中，再基于这些IQ数据进行的信号的解调分析；另外一种是通过控制模拟本振的频率并把IQ设置很小的分析带宽进行解调，减小了实时频谱监测的带宽，不具备宽带实时频谱监测的同时，对带宽内任意频率点的信号进行实时解调。
现有的技术信号的解调频率主要通过控制模拟本振来调节，解调的同时不支持实时频谱分析，即使支持实时频谱分析也是以牺牲实时频谱分析带宽为代价，不能做到实时频谱监测带宽与解调带宽两者灵活的设置。具体表现在：
1.实时带宽小：为了能够正确的解调，提高信噪比，解调带宽不能过大，由于实时频谱监测带宽与解调带宽相同，导致实时频谱监测带宽比较小。
2.实时性差：一些能够提供大带宽频谱监测的是将带宽IQ数据保存下来，然后传输给CPU做解调分析，这样需要传输大量的数据，占有大量的时间，而且CPU的处理速度远不如FPGA，不能实时得到解调数据。
3、灵活性差：由于解调频率受模拟本振来控制，进行宽带实时频谱监测的时候需要重新设置本振的频率才能正确的解调，不能有效的做到频谱监测与解调灵活的统一。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中存在的上述缺陷，提供一种本发明提出了一种基于FPGA频谱监测带宽内任意频率点可变带宽的实时解调实现方法，在20MHz以内可变分析带宽内进行实时频谱监测的同时，能够通过调节FPGA内部的数字本振的频率来选择带宽内任意的解调频率点，然后再调节解调带宽滤波器选择合适的解调带宽对数据进行解调，将解调后的数据抽取滤波输出到音频。这样在宽带实时频谱监测的同时，能够对带内的任意频率点进行实时解调分析。
为实现上述目的，本发明提出的一种基于FPGA频谱监测带宽内任意频率点实时解调实现方法，包括以下步骤：
步骤一：固定的中频信号经A/D的宽带中频带通采样输入到FPGA，数字中频数据经过数字下变频得到I1、Q1两路正交基带信号，经过由CIC、HB和FIR组合的低通抽取滤波器的抽取和滤波得到可变带宽、可变采样率的I2、Q2正交基带信号；
步骤二：可变带宽I2、Q2基带信号在进行实时带宽内频谱监测时进入快速傅里叶变换单元，FFT单元对IQ时域信号作加窗和快速傅里叶变换处理，生成监测带宽内每个频率点的幅度信息；实时FFT频谱数据量大不能被CPU实时读取，需要对数据进行缓存；
步骤三：NCO单元实现监测分析带宽内任意频率点的频谱搬移，NCO能够产生分析带宽内任意点的频率，与I2、Q2做复数混频，实现频率在带内任意频率的搬移；
步骤四：经过频谱搬移的I3、Q3此时的带宽还为分析带宽，带宽越宽，解调器的信噪比就会按比例降低，I3、Q3进入解调带宽滤波模块进行抽取滤波得到小于等于分析带宽的解调带宽I4、Q4数据再作解调分析，选择合适的解调带宽，提高信噪比；
步骤五：将可变解调带宽的I4、Q4两路基带信号进入解调模块，解调模块根据I4、Q4得到实时的解调数据；解调后的数据输出到音频滤波单元进一步抽取滤波，使得输出速率耦合语音输出标准；经过音频滤波后的音频数据由CPU从FPGA中实时的读取分析。
在上述技术方案中，所述步骤一中，所述输入射频信号变换到固定70MHz中频信号，采用56MHz采样率的模数转换器对中频信号进行带通采样，将产生的数字信号输入FPGA；在FPGA中将数字信号分别乘以一个正交的数字载波信号余弦值和正弦值，将数字载波信号的频率设定为70MHz，与所述数字信号相乘后产生I1、Q1两路基带信号。
在上述技术方案中，为满足不同分析带宽的测试需求，IQ信号通过不同倍数的抽取和低通滤波，降低信号的采样频率和改变信号的带宽，实现了20MHz可变带宽可变速率I2、Q2数据。
在上述技术方案中，所述步骤二中，所述快速傅里叶变换单元要求采集到缓冲区大小的数据所需要的时间要大于等于快速傅里叶变换处理的时间，实现基于2N 8～16384点可变点的FFT变换。
在上述技术方案中，所述步骤三中，所述NCO单元可以产生带宽内任意频谱点的信号然后与I2、Q2做复数混频，实现带内任意频率的搬移并抑制混叠的产生。
在上述技术方案中，所述步骤四中，所述解调带宽滤器的带宽根据中频的分析带宽和解调信号的带宽进行调节，信号的解调带宽小于等于信号的分析带宽，避免有一部分占用频谱出现衰减。
在上述技术方案中，所述步骤五中，所述解调模块根据I4、Q4得到实时的解调数据，音频滤波器将可变解调速率统一抽取滤波的到54.6875kHz，耦合语音输出的标准。
无线电监测在捕获和分析瞬时及动态信号的同时还需要检定随时间变化的调制特性，如在监测跳频电台信号时，在对某一段带宽内的跳频时间、跳频频率点、跳频信号功率进行监测同时还需要对带内的某个频率点信号的调制特性或者调制质量进行分析。本发明能够在进行实时频谱监测的同时对信号的解调、调制参数分析是无线电监测所必备的功能。本发明与现有技术方案相比具有以下有益效果：
1.实时带宽大：为了能够正确的解调，提高信噪比，解调带宽不能过大，这里可以通过对分析带宽数据进行再抽取滤波后再进行解调，不影响频谱监测带宽的大小，所以可以实时频谱监测的带宽可以远大于解调带宽。
2.实时快速：解调在大带宽频谱监测的IQ数据基础上进行抽取滤波直接进行解调分析，将解调后的数据再传送给CPU，大大减少了传输的数据量，有效的节省了时间，而且FPGA的处理速度远快于CPU。
3.灵活：由于解调频率可以由FPGA内部的数控振荡器来控制，进行宽带实时频谱监测的时候可以通过灵活的设置FPGA内部的数控振荡器和解调带宽滤波器，做到频谱监测与解调的灵活统一。
附图说明
图1本发明的一种基于FPGA频谱监测带宽内任意频率点可变带宽的实时解调实现装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
如图1所示的基于FPGA频谱监测带宽内任意频率点可变带宽的实时解调实现装置的结构示意图，输入射频信号变换到固定70MHz模拟中频，采用56MHz采样率的模数转换器对中频信号进行带通采样，将产生的数字信号输入FPGA。在FPGA中做数字下变频处理，将数字信号分别乘以一个正交的数字信号cos(2π*70/56)和sin(2π*70/56)，将数字信号的频率设定为70MHz，与所述数字信号相乘后产生I1、Q1两路基带信号。为满足不同分析带宽的测试需求，I1、Q1信号通过不同倍数的抽取和低通滤波，降低信号的采样频率和改变信号的分析带宽，实现了20MHz以内可变带宽可变速率I2、Q2数据。
可变带宽I2、Q2基带信号在进行实时带宽内频谱监测时进入快速傅里叶变换(FFT)单元，为了改变频谱泄露的情况FFT单元对I2、Q2时域信号加窗处理，实现基于2N 8～16384点可变点的FFT变换，生成监测分析带宽内每个频率点的幅度信息。由于实时频谱监测数据量大不能被CPU实时读取，需要对数据进行缓存。
NCO模块能够产生分析带宽内任意频率点的频率并与I2、Q2实现数字混频，模块产生频率的分辨率为1KHz，本发明利用查找表法实现：sin(n)＝sin(2πn/N)；cos(n)＝cos(2πn/N)。n是输入到查找表中的地址；N是查找表中样本的数量；将n从0增加到N使得查找表输出一个完整周期的正弦和余弦波形的幅度值。2πn/N代表0到2π之间被分出的相位角。根据输入相位控制字决定n在输出周期内如何在0到N之间增加。每个系统时钟下，查找表的地址增加一次，其增加量由相位输入数据phase来控制，在这里Phase＝56*Fr/fs，fs为当前的采样率单位MHz，Fr为当前NCO输出的频率，可正可负，当产生负频率的时候相位控制字phase为负值。与I2、Q2进行复数相乘(cos(2πn/N)+i*sin(2πn/N))*(cos(θ)+i*sin(θ))＝cos((2πn/N)+θ)+i*sin((2πn/N)+θ)，实现了频谱在带内左右搬移。
4.频谱搬移后I3、Q3的带宽与I2、Q2相同，要想正确地解调和识别信号，需设置合适的解调带宽，但是带宽越宽，解调的信噪比就会按比例降低，因此灵活的设置解调带宽可以有效的提高信噪比和正确识别信号。对I3、Q3进行不同倍数的抽取和滤波来改变解调带宽，在提高信噪比的同时又能够正确的识别出调制信号。
5.解调模块根据I4、Q4得到实时的解调数据，解调后的数据速率与音频输出标准存在差异，为了使得输出速率能耦合语音输出标准，对解调后的数据进一步音频抽取滤波，使得输出速率能耦合语音输出标准。
图1中所述基于FPGA频谱监测带宽内任意频率点可变带宽的实时解调实现方法，包括如下步骤：
步骤一：固定的中频信号经A/D的宽带中频带通采样输入到FPGA，数字中频数据经过数字下变频得到I1、Q1两路正交基带信号。经过由CIC、HB和FIR组合的低通抽取滤波器的抽取和滤波得到可变带宽、可变采样率的I2、Q2正交基带信号。所述输入射频信号变换到固定70MHz中频信号，采用56MHz采样率的模数转换器对中频信号进行带通采样，将产生的数字信号输入FPGA。在FPGA中将数字信号分别乘以一个正交的数字载波信号cos和sin，将数字载波信号的频率设定为70MHz，与所述数字信号相乘后产生I1、Q1两路基带信号。为满足不同分析带宽的测试需求，IQ信号通过不同倍数的抽取和低通滤波，降低信号的采样频率和改变信号的带宽，实现了20MHz可变带宽可变速率I2、Q2数据。
步骤二：可变带宽I2、Q2基带信号在进行实时带宽内频谱监测时进入快速傅里叶变换(FFT)单元，FFT单元对IQ时域信号作加窗和快速傅里叶变换处理，生成监测带宽内每个频率点的幅度信息。实时FFT频谱数据量大不能被CPU实时读取，需要对数据进行缓存。所述快速傅里叶变换(FFT)单元要求采集到缓冲区大小的数据所需要的时间要大于等于快速傅里叶变换处理的时间，实现基于2N 8～16384点可变点的FFT变换。
步骤三：数据NCO单元实现频率点的搬移，NCO能够产生分析带宽内任意点的频率，与I2、Q2做复数混频，实现频率在带内任意频率的搬移。所述NCO单元可以产生带宽内任意频谱点的信号然后与I2、Q2做复数混频，实现带内任意频率的搬移并抑制混叠的产生。
步骤四：经过频谱搬移的I3、Q3此时的带宽还为分析带宽，带宽越宽，解调器的信噪比就会按比例降低，I3、Q3进入解调带宽滤波模块进行抽取滤波得到解调带宽小于等于分析带宽的I4、Q4数据再作解调分析。。所述解调带宽滤器的带宽可以根据中频的分析带宽和解调信号的带宽来灵活的调节，信号的解调带宽必须小于等于信号的分析带宽，否则就会有一部分占用频谱出现衰减，随着调制带宽的增加，要想正确地解调和识别信号，解调带宽也需要提高，但是带宽越宽，解调的信噪比就会按比例降低，因此灵活的解调带宽可以有效的提高信噪比和正确识别信号。
步骤五：将可变解调带宽的I4、Q4两路基带信号进入解调模块，解调模块根据I4、Q4得到实时的解调数据。解调后的数据速率太快，音频滤波单元对解调后的数据进一步抽取滤波，得到输出速率与语音输出标准耦合的音频数据。经过音频滤波后的音频数据由CPU从FPGA中读取分析和显示，所述解调模块根据I4、Q4得到实时的解调数据。音频滤波器将可变解调速率统一抽取滤波的到54.6875kHz，能够耦合语音输出的标准。
本发明在20MHz以内可变分析带宽内进行实时频谱监测的同时，能够通过调节FPGA内部的数字本振的频率来选择带宽内任意的解调频率点，然后再调节解调带宽滤波器选择合适的解调带宽对数据进行解调，将解调后的数据抽取滤波输出到音频。这样在宽带实时频谱监测的同时，能够对带内的任意频率点进行实时解调分析。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (7)
1.一种基于FPGA频谱监测带宽内任意频率点实时解调实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：固定的中频信号经A/D的宽带中频带通采样输入到FPGA，数字中频数据经过数字下变频得到I1、Q1两路正交基带信号，经过由CIC、HB和FIR组合成的低通抽取滤波器组的抽取和滤波得到可变带宽、可变采样率的I2、Q2正交基带信号；
步骤二：可变带宽I2、Q2基带信号在进行实时带宽内频谱监测时进入快速傅里叶变换单元，FFT单元对IQ时域信号作加窗和快速傅里叶变换处理，生成监测带宽内每个频率点的幅度信息；实时FFT频谱数据量大不能被CPU实时读取，需要对数据进行缓存；
步骤三：数据NCO单元实现频率点的搬移，NCO能够产生分析带宽内任意点的频率，与I2、Q2做复数混频，实现频率在带内任意频率的搬移；
步骤四：经过频谱搬移的I3、Q3此时的带宽还为分析带宽，带宽越宽，解调器的信噪比就会按比例降低，I3、Q3进入解调带宽滤波模块进行抽取滤波得到小于等于分析带宽的解调带宽I4、Q4数据再作解调分析，选择合适的解调带宽，提高信噪比；
步骤五：将可变解调带宽的I4、Q4两路基带信号进入解调模块，解调模块根据I4、Q4得到实时的解调数据；解调后的数据输出到音频滤波单元进一步抽取滤波，使得输出速率耦合语音输出标准；经过音频滤波后的音频数据由CPU从FPGA中读取分析和显示。
2.根据权利要求1所述基于FPGA频谱监测带宽内任意频率点实时解调实现方法，其特征在于：所述步骤一中，所述输入射频信号变换到固定70MHz中频信号，采用56MHz采样率的模数转换器对中频信号进行带通采样，将产生的数字信号输入FPGA；在FPGA中将数字信号分别乘以一个正交的数字载波信号余弦值和正弦值，将数字载波信号的频率设定为70MHz，与所述数字信号相乘后产生I1、Q1两路基带信号。
3.根据权利要求2所述基于FPGA频谱监测带宽内任意频率点实时解调实现方法，其特征在于：为满足不同分析带宽的测试需求，IQ信号通过不同倍数的抽取和低通滤波，降低信号的采样频率和改变信号的带宽，实现了20MHz可变带宽可变速率I2、Q2数据。
4.根据权利要求1所述基于FPGA频谱监测带宽内任意频率点实时解调实现方法，其特征在于：所述步骤二中，所述快速傅里叶变换单元要求采集到缓冲区大小的数据所需要的时间要大于等于快速傅里叶变换处理的时间，实现基于2N8～16384点可变点的FFT变换。
5.根据权利要求1所述基于FPGA频谱监测带宽内任意频率点实时解调实现方法，其特征在于：所述步骤三中，所述NCO单元可以产生带宽内任意频谱点的信号然后与I2、Q2做复数混频，实现带内任意频率的搬移并抑制混叠的产生。
6.根据权利要求1所述基于FPGA频谱监测带宽内任意频率点实时解调实现方法，其特征在于：所述步骤四中，所述解调带宽滤器的带宽根据中频的分析带宽和解调信号的带宽进行调节，信号的解调带宽小于等于信号的分析带宽，避免有一部分占用频谱出现衰减。
7.根据权利要求1所述基于FPGA频谱监测带宽内任意频率点实时解调实现方法，其特征在于：所述步骤五中，所述解调模块根据I4、Q4得到实时的解调数据，音频滤波器将可变解调速率统一抽取滤波的到54.6875kHz，耦合语音输出的标准。
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