CN107870263B - 一种数字fft频谱仪系统及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字FFT频谱仪系统，包括图形界面模块、数据处理模块、通讯模块，图形界面模块和数据处理模块相连接，图形界面模块和通讯模块相连接，数据处理模块和通讯模块相连接，图形界面模块创建用户界面和创建数据处理模块的线程、通信模块的线程，数据处理模块包括两张频谱分析仪板卡，数据处理模块包括本地模式和遥控模式，通信模块通信连接调度计算机，通信模块设有信号灯标志位，还包括存储模块，通过千兆网络，将大量OTF数据和标准源数据远程存储至磁盘阵列中，还公开了一种数字FFT频谱仪系统的运行方法，具有宽带、高频率分辨率、大动态范围和长时标系统稳定性等特点，可实现射电天文信号或太赫兹大气信号宽带高分辨率实时频谱处理。

Description

一种数字FFT频谱仪系统及运行方法

技术领域

本发明涉及一种FFT频谱仪系统，具体涉及2通道数字FFT频谱仪系统及运行方法。

背景技术

频谱仪是射电天文等领域进行信号频谱分析必不可少的仪器之一。射电天文用频谱仪主要有模拟滤波器组频谱仪(Filter Bank Spectrometer，FBS)，声光频谱仪(Acousto-Optical Spectrometer，AOS)，自相关频谱仪(Auto CorrelationSpectrometer，ACS)和FFT频谱仪(快速傅立叶变换数字频谱仪Fast Fourier TransformSpectrometer，FFTS)。模拟滤波器组频谱仪主要由模拟滤波器组，检波器，积分器和读出电路等组成，由于存在通道一致性差和邻道串扰等不足，无法实现高分辨频谱分析；声光频谱仪主要由激光源、光路扩束准直器、声光偏转器、傅氏透镜、线阵光电耦合器件CCD(ChargeCoupled Device)和读出电路等组成，集成机光电等技术，尽管可以实现窄带高分辨频谱分析，但其稳定受声光偏转器、CCD等模拟部件影响，稳定性比较差，不利于深度积分，且存在体积大，功耗大等不足。自相关频谱仪采用相关原理实现对信号的频谱分析，全数字自相关频谱仪主要由量化器(或模数转换器ADC-Analog to Digital Converter)、实现自相关运算专用集成电路或可编程逻辑器件，和读出电路等组成。它在宽带和频率分辨率和稳定性等方面优于前面二者，采用多比特可以提高积分效率，但系统的复杂程度却快速增加，目前优先选择的2比特自相关频谱仪的积分效率为0.88，用于深度积分的信号频谱分析场合，仍是一个不可忽视的缺陷；FFT频谱仪采用傅立叶变换对信号直接对信号进行频谱分析，可以接受多比特的数字信号，实现宽带高分辨率频谱分析且其积分效率几乎可以达到100％，稳定性好。基于提高宽带和高频率分辨率的FFT频谱仪仍在开发之中。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种数字FFT频谱仪系统及运行方法，针对以上滤波器组频谱仪、声光频谱仪以及自相关频谱仪存在的带宽和分辨率，稳定性以及积分效率以及系统集成等多方面的存在的问题，提供性能更优数字实时FFT频谱仪系统。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：一种数字FFT频谱仪系统，包括图形界面模块、数据处理模块、通讯模块，图形界面模块和数据处理模块相连接，图形界面模块和通讯模块相连接，数据处理模块和通讯模块相连接。

前述的一种数字FFT频谱仪系统，其特征在于：图形界面模块创建用户界面和创建数据处理模块的线程、通信模块的线程，用户界面包括控制界面和Quicklook界面，参数配置界面实现频谱仪FFT积分次数等参数的设置；Quicklook界面显示实时中频频谱及仪器状态等，图形界面包括1个主线程，图形界面的加载和创建在主线程中完成，频谱设备的初始化、参数配置以其启/停控制，以及程序的退出等也都在主线程中操作完成，主线程还创建2个数据处理线程和1个通信线程。

前述的一种数字FFT频谱仪系统，其特征在于：数据处理模块包括两张频谱分析仪板卡，数据处理模块包括2个数据处理线程，每一个数据处理线程对应一张频谱分析仪板卡，完成频谱数据和状态量的读出、观测流程的命令解析和频谱积分、数据远程存储等，并处理来自其中一个超导接收机像元输出中频的信号频谱。数据处理线程间相互独立，功能一致，动作同步。

前述的一种数字FFT频谱仪系统，其特征在于：数据处理模块包括本地模式和遥控模式。本地模式实现频谱读出、状态监视以及频谱本地Quicklook；遥控模式实现太赫兹大气信号源观测、数据校准以及数据远程存储。

前述的一种数字FFT频谱仪系统，其特征在于：通信模块通信连接调度计算机。通信模块包括1个通信线程，通信模块采用TCP/IP协议，并采用Server/Client方式实现与调度计算机之间的数据传输。频谱仪与系统调度计算机通信时，作为Server，接收来自调度计算机的连接才建立通信连接关系。

前述的一种数字FFT频谱仪系统，其特征在于：通信模块设有信号灯标志位。通信线程除了从数据处理线程读取数据发送之客户端，从客户端读取数据广播式发送至2个数据处理线程外，还负责对来自2个数据处理线程的信号灯标志位的命令解析。

前述的一种数字FFT频谱仪系统，其特征在于：还包括存储模块，通过千兆网络，将大量OTF数据和标准源数据远程存储至磁盘阵列中，且为了将两者数据进行区别，OTF数据和标准源数据以不同的格式进行命名。

前述的一种数字FFT频谱仪系统的运行方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：图形界面模块创建用户界面，创建数据处理模块的线程、通信模块的线程，加载两张频谱分析仪板卡；

步骤二：数据处理模块的线程启动，通过通信模块接收调度计算机的指令；步骤二包括：

步骤2a：数据处理模块的线程启动后，直接进入本地模式，在本地模式中，首先查询DAQRxBuf缓冲是否有来自调度计算机发来的命令，如果没有或者发送的命令为LOCAL或者调度计算机与频谱仪的通信断开后，数据处理线程进入本地模式，进行频谱的读出、设备状态的读出及其显示；

步骤2b：遥控模式主要接收调度计算机谱线观测流程的命令，进行太赫兹大气分子谱线信号的观测以及数据校准、数据传送和数据存储。

步骤三：通信模块解析信号灯标志位的命令并从数据处理模块读取数据发送至调度计算机；

步骤四：将数据通过存储模块储存。

本发明的有益之处在于：具有宽带(2.4GHz/通道×2通道)、高频率分辨率(73kHz)、大动态范围(30dB)和长时标系统稳定性(大于1000s)等特点，可实现太赫兹大气信号宽带高分辨率实时频谱处理。

附图说明

图1是本发明一种数字FFT频谱仪系统的模块连接示意图；

图2是本发明一种数字FFT频谱仪系统基于图1进一步的模块连接示意图；

图3是本发明一种数字FFT频谱仪系统及运行方法的流程图；

图4是本发明一种数字FFT频谱仪系统及运行方法的图形界面主线程程序流程图；

图5是本发明一种数字FFT频谱仪系统及运行方法的数据处理线程“本地模式”的程序流程图；

图6是本发明一种数字FFT频谱仪系统及运行方法的标准源观测时的程序流程图；

图7是本发明一种数字FFT频谱仪系统及运行方法的通信线程的程序流程图；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

参照图1、图2所示，本发明一种数字FFT频谱仪系统，包括图形界面模块、数据处理模块、通讯模块，图形界面模块和数据处理模块相连接，图形界面模块和通讯模块相连接，数据处理模块和通讯模块相连接。

本发明系统中各个模块装置至少包括如下功能：

图形界面模块：包括1个主线程，由主线程来实现图形界面加载、显示、人机交互，此外频谱仪初始化、参数配置也在主线程中完成，主线程还创建2个数据处理线程和1个通信线程；

数据处理模块包括2个数据处理线程，每个数据线程对应一个数字FFT频谱分析板卡，完成频谱数据和状态量的读出、观测流程的命令解析和频谱积分、数据远程存储等；具有频谱数据预处理功能、具备谱线观测和设备性能调试等模式；在数据处理线程中，具有频谱读出、状态监视以及频谱本地Quicklook功能(称之为“本地模式”)和太赫兹大气信号源观测以及数据校准以及数据远程存储的功能(称之为“遥控模式”)；

通信模块包括1个通信线程，负责与调度计算机进行信息和数据的交互(观测流程等命令接收确认信息的发送，以及单通道可选的谱线数据发送)，还负责对来自2个数据处理线程的信号灯标志位的命令解析。

存储模块通过千兆网络，将大量OTF数据和标准源数据远程存储至磁盘阵列中，且为了将两者数据进行区别，OTF数据和标准源数据以不同的格式进行命名。

根据图3所示，本发明一种数字FFT频谱仪系统的运行方法，包括以下步骤：

步骤一：图形界面模块创建用户界面，创建数据处理模块的线程、通信模块的线程，加载两张频谱分析仪板卡；

步骤二：数据处理模块的线程启动，通过通信模块接收调度计算机的指令；步骤二包括：

步骤2a：数据处理模块的线程启动后，直接进入本地模式，在本地模式中，首先查询DAQRxBuf缓冲是否有来自调度计算机发来的命令，如果没有或者发送的命令为LOCAL或者调度计算机与频谱仪的通信断开后，数据处理线程进入本地模式，进行频谱的读出、设备状态的读出及其显示；

步骤2b：遥控模式主要接收调度计算机谱线观测流程的命令，进行太赫兹大气分子谱线信号的观测以及数据校准、数据传送和数据存储。

步骤三：通信模块解析信号灯标志位的命令并从数据处理模块读取数据发送至调度计算机；

步骤四：将数据通过存储模块储存。

下面主要将程序功能模块及其流程图的方式进行说明：

(1)图形界面模块

如图4所示，图形界面有参数配置界面(Control Panel)、频谱显示和状态界面(Quicklook Panel)组成。图形界面的创建，加载和创建在主线程中完成；频谱设备的初始化、参数配置以其启/停控制，以及和程序的退出等也都在主线程中操作完成。此外，主线程还创建2个数据处理线程和1个通信线程，其程序流程如下：开始，创建用户界面(控制和Quicklook界面)，创建数据处理线程和通信线程，加载频谱板卡，成功加载则加载启动用户界面，否则中止多线程函数，加载启动用户界面后进入用户消息循环，如不退出界面则继续进入用户消息循环，退出界面则卸载用户界面，之后中止多线程函数，结束。

(2)数据处理模块

数据处理模块包括2个数据处理线程，每一个数据处理线程对应一张频谱分析仪板卡，处理来自其中一个超导接收机像元输出中频的信号频谱。数据处理线程间相互独立，功能一致，动作同步。在数据处理线程中，具有频谱读出，状态监视以及频谱本地Quicklook功能(称之为“本地模式”)，也具有太赫兹大气信号源观测以及数据校准以及数据远程存储的功能(称之为“遥控模式”)。

数据处理线程的“本地模式”程序流程如图5所示。数据处理线程在创建启动后，直接进入“本地模式”。在“本地模式”中，程序首先查询DAQRxBuf缓冲是否有来自调度计算机发来的命令，如果没有或者发送的命令为LOCAL”，或者调度计算机与频谱仪的通信断开后，数据处理线程进入“本地模式”，进行频谱的读出、设备状态的读出及其显示。

数据处理线程的“遥控模式”主要接收调度计算机谱线观测流程的命令，进行太赫兹大气分子谱线信号的观测以及数据校准、数据传送和数据存储。下面谱线观测流程进行说明。

太赫兹大气分子谱线信号观测时的程序流程如图6所示。首先，数据处理程序将接收并缓存头信息“HDINF”命令参数组(该命令参数组以“HDINF开头”，包含观测者，电话，分子谱线名称，本振频率，分子谱线频率，边带，中频频率，瞬时带宽，通道数，频率分辨率，环境温度，大气不透明度，接收机噪声温度，环境温度误差量，大气不透明度误差量，接收机噪声温度误差量，以及结束字符等信息)。正确收到“HDINF”命令参数组信息后，将INFOK信号灯标志位“点亮”(对应INFOK的bit置1)。

其次，等待检测调度计算机发送“BGNIN”命令参数组(该命令参数组以“BGNIN开头”，包含观测时间，UTC时间，谱线观测单次积分时间，观测次数，观测目标标准Phase，低温黑体校准源温度，高温校准源温度，环境温度，环境相对湿度，环境气压，风速，天线位置，PLM镜位置，中频总功率，混频器偏置电压、电流，HEMT放大器偏置电压、电流，制冷机冷板温度，实验舱环境温度，以及结束字符等信息)。正确收到“BGNIN”命令参数组信息后，将BGNOK信号灯标志位“点亮”(对应BGNOK的bit置1)。

完成太赫兹大气分子谱线信号观测数据校准过程需要借助高、低温太赫兹宽带黑体信号源，故其观测步骤采用高温黑体校准源－太赫兹大气信号源－低温黑体校准源观测流程，采用Phase参数指示当前积分频谱数据对应于高温黑体校准源、太赫兹大气信号源、或低温黑体校准源。

程序规定，太赫兹大气分子谱线观测时的积分数据记录最长不超过30组，即连续发送BGNIN的命令组信息不超过30次。BGNIN命令参数组中的Phase定义了观测目标。其中，当Phase＝0表示当前的积分频谱数据对应高温黑体校准源；当Phase＝1表示当前的积分频谱数据对应低温黑体校准源；当Phase＝2表示当前的积分频谱数据大气信号源。在最大30次频谱数据积分中，每一个观测目标的频谱记录帧数由BGNIN中的观测次数AvgNum定义(三个观测目标的AvgNum可相同，也可不同)。程序将根据参数Phase和AvgNum值完成太赫兹大气信号源积分频谱数据后续累积和缓存，为频谱校准过程做准备。

每一次完成信号频谱积分和缓存后，程序点亮“OVER！”信号灯标志位，告知调度计算机当前积分操作已完成。

当程序接收到“CALBR”命令后(表示结束信号频谱校准观测过程)，程序将CALBR信号灯标志位“点亮”(对应CALBR的bit置1)，并进行标准源观测数据的校准以及存储。

实现一次完整的信号源校准观测过程，程序需要依次接收“HDINF”命令参数组(1次)—>“BGNIN”命令参数组(多次)—>和“CALBR”命令参数组(1次)，之后进入数据校准和存储过程。

另外，当调度计算机需要从频谱仪端读取积分频谱数据，可向频谱仪端发送“READ！xx”命令，当程序接收后将当前的频谱数据直接发送至调度计算机，进一步地，当完成一次完整的谱线校准后，调度计算机也可用该命令来获取校准后的谱线数据。为此“READ！xx”命令中对xx作了如下定义：第一个x表示所读取的板卡上的积分频谱数据(1表示数字频谱仪1的数据，2表示数字频谱仪2的数据)；第二个x表示读取的数据是未校准或已校准数据(U表示未校准数据，C表示已校准数据)，返回为128bytes无符号整型频谱数据。

调度计算机获取未校准频谱数据的步骤为“BGNIN”命令参数组(1次)—>“READ！xU”命令(1次，x为1或2)；获取已校准频谱数据的步骤为在完成信号观测校准过程后，发送“READ！xC”命令(1次，x为1或2)。

(3)通讯模块

通信模块采用TCP/IP协议，并采用Server/Client方式实现与调度计算机之间的数据传输。频谱仪与系统调度计算机通信时，作为Server，接收来自调度计算机的连接才建立通信连接关系。通信模块包括1个通信线程。通信线程主要负责与调度计算机之间数据接收和传输。频谱仪与调度计算机之间的通信包含谱线观测流程中的各个命令参数组数据，以及各类的确认信息和频谱数据等，实时性要求高，数据相对较为复杂。

通信线程的程序流程图如图7所示。在该线程中，检测是否有客户端(调度计算机)连接。一旦与客户端建立联系后，首先检测是否有频谱数据发送许可，有则从指定的数据缓存区读32k的积分频谱数据并发送客户端，如果没有频谱数据，则继续查询是否有某一“信号灯标志位”全亮，如果有信号灯标志位全亮(信号灯标志位之间为互斥，程序设计时避免了两种或两种以上信号灯标志位同时全亮的可能)，则解析信号灯标志位并将相应的确认信息发送客户端；其次在检测发送数据或命令完毕后，检测是否有数据可接收，如果有命令参数组数据，则将接收到的数据广播式发送至2个数据处理线程指定的数据缓存区中。如果检测没有数据可接收，则继续检测是否有数据可发送。程序循环检测数据发送、检测数据接，直到客户端中断或退出连接为止，此刻程序将转至等待新的客户端的连接。

通信线程除了从数据处理线程读取数据发送之客户端，从客户端读取数据广播式发送至2个数据处理线程外，还负责对来自2个数据处理线程的信号灯标志位的命令解析。2个数据处理线程在运行中，同时接收同步接收来自客户端的命令参数组数据(通信线程广播式发送)后，需回复同样的确认信息式给客户端，考虑到如果直接将2个相同的确认信息发送给客户端，则增加发送信息的冗余。为了减少不必要的信息冗余，数据处理线程采用信号灯标志位(1bit)的形式，在确认信息对应的信号灯标志位上置1(“点亮”信号灯标志位)，在通信线程中，同时查询确认信息对应的信号灯标志位是否全部置1(“全亮”)，如果信号灯标志位全亮，表示2个线程正确接收到到命令参数组数据，通信线程则对全亮的信号灯标志位进行解析，并将对应的1条(不是2条)确认信息发送客户端。

客户端则与2通道FFT频谱仪应用软件进行通信时，需要知道2通道FFT频谱仪的IP地址和对应的端口号。

应用程序在实际应用中还进行谱线OTF观测时，将产生大量的数据(以对源0.1s积分时间计，128kB/通道，共2通道，即2通道每秒产生的数据量2.5MB，1天产生的数据量211GB)，如何及时保存如此大量的数据，对实际太赫兹大气观测应用，确实是个难题。显然将海量数据存储在集成的FFT频谱仪控制计算机的磁盘，或者集成于标准机箱的FFT频谱仪本机外挂大容量磁盘阵列均不是较好的技术方案。目前有效的一种解决方案是构建大容量(几十TB以上)磁盘数据存储阵列(及服务)来及时保存OTF观测数据，即FFT频谱仪通过千兆网络，将大量OTF数据存储至磁盘阵列中。具体的实现方法：FFT频谱仪通过千兆网络将数据存储服务端(磁盘阵列)开放的磁盘空间加载至FFT频谱仪本机对应的目录后，程序存储谱线数据至本机加载目录，便将数据远程存储之磁盘阵列中，与谱线数据在本机存储操作无异。

除了大量的OTF数据外，实际太赫兹大气观测时，标准源观测数据也需要保存，为了区别OTF和标准源数据的区别，在程序设计时，对两者数据的格式进行不同的定义。

此外为有效利用磁盘阵列容量，将存储的数据(OTF或标准源)都以二进制方式进行存储。

本发明具有宽带(2.4GHz/通道×2通道)、高频率分辨率(73kHz)、大动态范围(30dB)和长时标系统稳定性(大于1000s)等特点，可实现太赫兹大气信号宽带高分辨率实时频谱处理。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种数字FFT频谱仪系统，其特征在于：包括图形界面模块、数据处理模块、通讯模块，图形界面模块与数据处理模块相连接，图形界面模块和通讯模块相连接，数据处理模块和通讯模块相连接；

图形界面模块执行主线程，所述主线程用于实现图形界面加载、显示、人机交互，以及创建两个数据处理线程和一个通信线程；

数据处理模块执行所述数据处理线程，数据处理模块包括两张频谱分析仪板卡，每个数据处理线程对应一张频谱分析仪板卡，两数据处理线程间相互独立，功能一致，动作同步；

通信模块通信连接调度计算机，并设有信号灯标志位；通信模块执行所述通信线程，负责与调度计算机进行信息和数据的交互，还负责对来自两个数据处理线程信号灯标志位的命令解析；

数据处理线程进行到不同的阶段点亮通信模块不同种类的信号灯标志位，不同种类的信号灯标志位之间设为互斥，即两种以上的信号灯标志位不会被同时点亮；通信线程检测到命令参数组数据后，将接收到的数据广播式发送至两个数据处理线程指定的数据缓存区中，两个数据处理线程同时同步接收来自调度计算机的命令参数数据后，通过各自点亮对应的信号灯标志位回复同样的确认信息，通信线程确认两数据处理线程对应的相同信号灯标志位均被点亮后，向调度计算机发送一条确认信息。

2.根据权利要求1所述的一种数字FFT频谱仪系统，其特征在于：图形界面模块创建用户界面和创建数据处理模块的线程、通信模块的线程，用户界面包括控制界面和Quicklook界面。

3.根据权利要求1所述的一种数字FFT频谱仪系统，其特征在于：数据处理模块包括本地模式和遥控模式，本地模式实现频谱读出、状态监视以及频谱本地Quicklook；遥控模式实现太赫兹大气信号源观测、数据校准以及数据远程存储。

4.根据权利要求1所述的一种数字FFT频谱仪系统，其特征在于：还包括存储模块，通过千兆网络，将大量OTF数据和标准源数据远程存储至磁盘阵列中。

5.权利要求1所述的一种数字FFT频谱仪系统的运行方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：图形界面模块创建用户界面，创建数据处理模块的线程、通信模块的线程，加载两张频谱分析仪板卡；

步骤二：数据处理模块的线程启动，通过通信模块接收调度计算机的指令；

步骤三：通信模块解析信号灯标志位的命令并从数据处理模块读取数据发送至调度计算机；

步骤四：将数据通过存储模块储存。

6.根据权利要求5所述的一种数字FFT频谱仪系统的运行方法，其特征在于：步骤二包括：

步骤2a：数据处理模块的线程启动后，直接进入本地模式，在本地模式中，首先查询DAQRxBuf缓冲是否有来自调度计算机发来的命令，如果没有或者发送的命令为LOCAL或者调度计算机与频谱仪的通信断开后，数据处理线程进入本地模式，进行频谱的读出、设备状态的读出及其显示；

步骤2b：遥控模式接收调度计算机谱线观测流程的命令，进行太赫兹大气分子谱线信号的观测以及数据校准、数据传送和数据存储。

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