CN109194667B - 基于频域检测的实现iq数据信号数据压缩与传输功能的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于频域检测的实现IQ数据信号数据压缩与传输功能的装置，其中所述的装置包括频域处理子系统，用于将原始I/Q数据信号进行离散傅里叶变换FFT处理，并按变换后的长度进行奇偶数的分帧处理；数据处理子系统，用于接收通过所述的频域处理子系统处理后输出的数据信号，并进行比较存储得到频域幅度数据；触发频域模板RAM，用于接收所述的数据处理子系统输出的频域幅度数据并进行存储。采用该种结构的装置，在原有信号监控基础上，增加了频域比较的功能，相对于传统的监控方案，对有用和无用信号进行了分离，使无用信号不输出，而有用信号才输出，大大降低了数据传输量。减轻了设备组网传输数据的压力。典型的应用场景下，数据量减少了99.9％以上。

Description

基于频域检测的实现IQ数据信号数据压缩与传输功能的装置
技术领域
本发明涉及通信监测领域，特别涉及信号监测技术领域，具体是指一种基于频域检测的实现IQ数据信号数据压缩与传输功能的装置。
背景技术
数字接收机广泛应用于监测、通信、导航、雷达等领域，它可以将某些特定频段内的射频信号，经过变频、滤波、放大等处理，转换成模拟中频，再经过模数变换器转换成数字信号。AD后的信号处理根据各种接收机应用，类型不同，处理方式千差万别。处理方式可以是软件也可以是硬件。
在信号监测领域，为防止非法用频或者本信号出现故障，接收机需要对某些频率的信号长期监控，并且某些场合需要对整个监控时间内的信号进行完整的记录，AD后的信号I/Q数据需要完整记录，以备后期的进一步查证和分析。但实时I/Q数据的速率与信号带宽相关，在带宽较大时，IQ速率也很高，带来长时间数据存储的容量很大，对设备的存储压力很大。
在很多信号监控场合，在监控频段范围内，大部分是噪声信号，对于噪声信号记录是无意义，因此也没有必要的。时域中是无法区分噪声和正常信号的区别，但在频域中，信号的带宽属性，决定带外的信号功率很低，也就是说有用信号之外的信号都可以看做是噪声。对主信号的记录，是可以忽略噪声信号的存在的。因此在频域将噪声信号去除，不影响主信号的质量，且如果噪声信号较多，对信号的压缩效果将非常明显，信号的输出因为FFT和IFFT的互易性，经压缩后的信号可以通过IFFT还原，但同时与原始信号相比，会有失真。
在大多数信号监控应用场合下，对环境背景电磁频谱情况是已知的，附件的塔台、基站以及其它合法发射装置是已知的。电磁环境的信号监控仅对猝发的信号和非核准频率信号敏感和有效，其它的噪声和已知信号对系统来说，是不关心的。因而需要对这种猝发信号进行记录和跟踪。一般的信号监测系统，是无法区分合法信号和非法信号的区别的，数据记录如果采用连续IQ存储的方式，要求设备具有很高的数据传输性能和海量的存储容量，设备复杂，功耗体积都较大，这显然是不经济的。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够实现对数据的实时压缩、满足长时间使用需求、简化系统框架、具有灵活可配置性的基于频域检测的实现IQ数据信号数据压缩与传输功能的装置。
为了实现上述目的，本发明的基于频域检测的实现IQ数据信号数据压缩与传输功能的装置具有如下构成：
该基于频域检测的实现IQ数据信号数据压缩与传输功能的装置，其主要特点是，该装置包括：
频域处理子系统，用于将原始I/Q数据信号进行离散傅里叶变换FFT处理，并按变换后的长度进行奇偶数的分帧处理；
数据处理子系统，用于接收通过所述的频域处理子系统处理后输出的数据信号，并进行比较存储得到频域幅度数据；
触发频域模板RAM，用于接收所述的数据处理子系统输出的频域幅度数据并进行存储。
该频域处理子系统包括：
数字下变频模块，用于对AD数据进行IQ变换，并对多种速率的信号进行抽取；
I/Q RAM模块组，用于接收所述的数字下变频模块的输出信号，并存储奇数帧和偶数帧的IQ数据；
FFT模块组，用于接收所述的I/Q RAM模块组的输出信号，并对IQ数据进行快速傅里叶变换FFT处理，且生成频域数据；
R/I RAM模块组，用于接收所述的FFT模块组的输出信号，并存储奇数帧和偶数帧的频域实部和虚部数据。
该数字下变频模块包括乘法器、数字振荡器、FIR滤波器、半带滤波器和CIC抽取滤波器，所述的乘法器、数字振荡器、FIR滤波器、半带滤波器和CIC抽取滤波器依次相连，所述的数字振荡器生成两路输出。
该I/Q RAM模块组包括第一I/Q RAM模块和第二I/Q RAM模块，所述的第一I/Q RAM模块的输入端和第二I/Q RAM模块的输入端均与数字下变频模块的输出端相连接。
该第一I/Q RAM模块存储奇数帧的IQ数据，所述的第二I/Q RAM模块存储偶数帧的IQ数据。
该I/Q RAM模块组中RAM的容量与快速傅里叶变换FFT处理的长度和数据位宽一致。
该快速傅里叶变换FFT处理的长度为1024点的16位FFT，则所述的I/Q RAM模块中每个RAM为32k bits的容量。
该FFT模块组包括第一FFT模块和第二FFT模块，所述的第一FFT模块的输入端与第一I/Q RAM模块的输出端相连接，所述的第二FFT模块的输入端与第二I/Q RAM模块的输出端相连接。
该R/I RAM模块组包括第一R/I RAM模块和第二R/I RAM模块，所述的第一R/I RAM模块的输入端与所述的第一FFT模块的输出端相连接，所述的第二R/I RAM模块的输入端与所述的第二FFT模块的输出端相连接。
该第一R/I RAM模块存储奇数帧的频域实部和虚部数据，所述的第二R/I RAM模块存储偶数帧的频域实部和虚部数据。
该R/I RAM模块组的存储容量与所述的I/Q RAM模块组的存储容量相同。
该触发频域模板RAM中的频域幅度数据的长度的值与FFT的长度的值一致。
该FFT的长度为1024点，则所述的触发频域模板RAM中存储1024个点的频域幅度数据。
该数据处理子系统包括：
求模模块，用于接收所述的频域处理子系统的输出数据，并计算频域处理后每个频点的信号幅度数据；
判决电路模块，用于接收所述的求模模块和所述的触发频域模板RAM的输出数据，并比较所述的求模电路模块计算后的信号幅度数据与所述的触发频域模板RAM中存储的对应数据的大小；
编码电路模块，用于接收所述的频域处理子系统和所述的判决电路模块的输出信号，并对所述的判决电路触发后的频域实部和虚部数据进行编码；
输出缓冲RAM模块，用于接收所述的编码电路模块的输出数据，并进行存储
采用了该发明的基于频域检测的实现IQ数据信号数据压缩与传输功能的装置，在原有信号监控基础上，增加了频域比较的功能，相对于传统的监控方案，具有以下优点：(1)在设备中，对有用和无用信号进行了分离，使无用信号不输出，而有用信号才输出，大大降低了数据传输量。减轻了设备组网传输数据的压力。典型的应用场景下，数据量减少了99.9％以上。(2)对于信号监控设备，保留了有用信号的原始信息，对长期监控来说，具有很强的实用性。对于有用信号的出现的时间、幅度、频率和相位信息都获得了保留，在后期的问题排查中有很大意义。(3)整个实现方法可以在FPGA中实现，对信号监控系统的实现复杂度大大降低，且设备的功耗和体积也大大降低。(4)触发频域模板可以实时生产，系统可以随时根据当前系统环境进行重新配置，降低了系统工作的复杂性。(5)本发明同样可以应用在一些其它信号监控的场合，只需对判决条件和触发模板数据进行规则性修改。比如，对基站信号功率监测，可以改变判决条件为小于模板时触发，系统扩展和适应能力强。
附图说明
图1为现有技术中典型的数字接收机实现框图。
图2为本发明的基于频域检测的实现IQ数据信号数据压缩与传输功能的装置的组成原理框图。
图3为本发明的基于频域检测的实现IQ数据信号数据压缩与传输功能的装置中编码电路模块的数据存储格式。
图4为本发明的基于频域检测的实现IQ数据信号数据压缩与传输功能的装置中数字下变频模块的组成图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本发明的该基于频域检测的实现IQ数据信号数据压缩与传输功能的装置，其中包括：
频域处理子系统，用于将原始I/Q数据信号进行离散傅里叶变换FFT处理，并按变换后的长度进行奇偶数的分帧处理；
数据处理子系统，用于接收通过所述的频域处理子系统处理后输出的数据信号，并进行比较存储得到频域幅度数据；
触发频域模板RAM，用于接收所述的数据处理子系统输出的频域幅度数据并进行存储。
所述的频域处理子系统包括：
数字下变频模块，用于对AD数据进行IQ变换，并对多种速率的信号进行抽取；
I/Q RAM模块组，用于接收所述的数字下变频模块的输出信号，并存储奇数帧和偶数帧的IQ数据；
FFT模块组，用于接收所述的I/Q RAM模块组的输出信号，并对IQ数据进行快速傅里叶变换FFT处理，且生成频域数据；
R/I RAM模块组，用于接收所述的FFT模块组的输出信号，并存储奇数帧和偶数帧的频域实部和虚部数据。
所述的数字下变频模块包括乘法器、数字振荡器、FIR滤波器、半带滤波器和CIC抽取滤波器，所述的乘法器、数字振荡器、FIR滤波器、半带滤波器和CIC抽取滤波器依次相连，所述的数字振荡器生成两路输出。
所述的I/Q RAM模块组包括第一I/Q RAM模块和第二I/Q RAM模块，所述的第一I/QRAM模块的输入端和第二I/Q RAM模块的输入端均与数字下变频模块的输出端相连接。
所述的第一I/Q RAM模块存储奇数帧的IQ数据，所述的第二I/Q RAM模块存储偶数帧的IQ数据。
所述的I/Q RAM模块组中RAM的容量与快速傅里叶变换FFT处理的长度和数据位宽一致。
所述的快速傅里叶变换FFT处理的长度为1024点的16位FFT，则所述的I/Q RAM模块中每个RAM为32k bits的容量。
所述的FFT模块组包括第一FFT模块和第二FFT模块，所述的第一FFT模块的输入端与第一I/Q RAM模块的输出端相连接，所述的第二FFT模块的输入端与第二I/Q RAM模块的输出端相连接。
所述的R/I RAM模块组包括第一R/I RAM模块和第二R/I RAM模块，所述的第一R/IRAM模块的输入端与所述的第一FFT模块的输出端相连接，所述的第二R/I RAM模块的输入端与所述的第二FFT模块的输出端相连接。
所述的第一R/I RAM模块存储奇数帧的频域实部和虚部数据，所述的第二R/I RAM模块存储偶数帧的频域实部和虚部数据。
其特征在于，所述的R/I RAM模块组的存储容量与所述的I/Q RAM模块组的存储容量相同。
所述的触发频域模板RAM中的频域幅度数据的长度的值与FFT的长度的值一致。
所述的FFT的长度为1024点，则所述的触发频域模板RAM中存储1024个点的频域幅度数据。
所述的数据处理子系统包括：
求模模块，用于接收所述的频域处理子系统的输出数据，并计算频域处理后每个频点的信号幅度数据；
判决电路模块，用于接收所述的求模模块和所述的触发频域模板RAM的输出数据，并比较所述的求模电路模块计算后的信号幅度数据与所述的触发频域模板RAM中存储的对应数据的大小；
编码电路模块，用于接收所述的频域处理子系统和所述的判决电路模块的输出信号，并对所述的判决电路触发后的频域实部和虚部数据进行编码；
输出缓冲RAM模块，用于接收所述的编码电路模块的输出数据，并进行存储。
在实际使用当中，本发明采用了新的信号处理方法，对信号监测进行频域处理，仅对超出预判的信号进行记录和输出，并对输出进行编码压缩，定义了数据输出格式和方法，最大程度的减少输出传输量。
本发明特别适合对连续、长时间信号监控的要求，可以实现连续、不间断、无死区时间的信号监控，且可无人值守。同时，整个装置的实现方法可在FPGA上实现，大大简化了系统实现框架，并且具有灵活的可重配性能，具有灵活的功能扩展应用。
如图2和3所示，本发明由以下功能模块组成：
数字下变频模块：可以对AD数据进行IQ变换，并实现多种速率的信号抽取，以适应不同的信号带宽，由乘法器、数字振荡器NCO、半带滤波器、CIC抽取滤波器等组成。
第一I/Q RAM模块和第二I/Q RAM模块：两组I/Q数据存储RAM，分别存储奇数帧和偶数帧的IQ数据，用于交替进行数据FFT运算，从而实现连续信号的监测和测试。RAM的容量与FFT的长度和数据位宽有关。如：1024点的16位FFT，则每个RAM需要32k bits的容量。
第一FFT模块和第二FFT模块：FFT计算加速内核，实现IQ数据的FFT变换，生成频域数据。
第一R/I RAM模块和第二R/I RAM模块：分别与第一I/Q RAM模块和第二I/Q RAM模块对应，存储奇数帧和偶数帧的频域实部和虚部数据，存储容量与I/Q RAM模块组一致。
求模模块：用于计算FFT后每个频点的信号幅度值。该幅度值与对应的模板数据进行比较，作为有用信号的判决依据。
触发频域模板RAM：是有人工或外部生产的一组频域幅度数据，该组数据的长度与FFT长度有关。比如：FFT的长度是1024点，则监控模块RAM需要存储1024个点的频域幅度数据。
判决电路模块：将求模电路计算的频域幅度值与监控模块RAM中的数据进行一一比较，如果高于判决数据，则触发启动数据的存储，如果不高于，则不进行触发，后续的电路模块不工作。
编码电路模块：对经过判决电路触发后的频域实部(Real)和虚部(Imag)数据进行编码，以保证后续数据恢复，由于是离散的数据进入，所以需要对每个数据进行合理编排。这些数据是最终的输出数据，利于使用者进行检索和查找。数据结构见图3。
输出缓冲RAM模块：用于对数据进行存储，当存储数据已满，发生溢出时，对外启动数据输出，外部接口可以对输出缓冲RAM模块进行读取，读取后进行清除，开始下一帧的数据监测。
本装置整体的工作流程是，将原始I/Q数据按FFT长度进行奇偶数的分帧处理，为保证不间断的连续处理能力，采用了两个独立的FFT核分时进行FFT变换。对FFT变换后的数据，与触发模板的数据进行逐个比较，对超出预期的数据进行存储。而未超出的数据则不进行处理。从而大大降低了数据量。从而在整个时间段内，达到连续不间断监控，而且保留对目标信号的存储，以利于后期的排查和分析，但数据量大幅降低。
采用了上述的基于频域检测的实现IQ数据信号数据压缩与传输功能的装置，在原有信号监控基础上，增加了频域比较的功能，相对于传统的监控方案，具有以下优点：(1)在设备中，对有用和无用信号进行了分离，使无用信号不输出，而有用信号才输出，大大降低了数据传输量。减轻了设备组网传输数据的压力。典型的应用场景下，数据量减少了99.9％以上。(2)对于信号监控设备，保留了有用信号的原始信息，对长期监控来说，具有很强的实用性。对于有用信号的出现的时间、幅度、频率和相位信息都获得了保留，在后期的问题排查中有很大意义。(3)整个实现方法可以在FPGA中实现，对信号监控系统的实现复杂度大大降低，且设备的功耗和体积也大大降低。(4)触发频域模板可以实时生产，系统可以随时根据当前系统环境进行重新配置，降低了系统工作的复杂性。(5)本发明同样可以应用在一些其它信号监控的场合，只需对判决条件和触发模板数据进行规则性修改。比如，对基站信号功率监测，可以改变判决条件为小于模板时触发，系统扩展和适应能力强。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (12)

1.一种基于频域检测的实现IQ数据信号数据压缩与传输功能的装置，其特征在于，所述的装置包括：
频域处理子系统，用于将原始I/Q数据信号进行离散傅里叶变换FFT处理，并按变换后的长度进行奇偶数的分帧处理；
数据处理子系统，用于接收通过所述的频域处理子系统处理后输出的数据信号，并进行比较存储得到频域幅度数据；
触发频域模板RAM，用于接收所述的数据处理子系统输出的频域幅度数据并进行存储；
所述的频域处理子系统包括：
数字下变频模块，用于对AD数据进行IQ变换，并对多种速率的信号进行抽取；
I/Q RAM模块组，用于接收所述的数字下变频模块的输出信号，并存储奇数帧和偶数帧的IQ数据；
FFT模块组，用于接收所述的I/Q RAM模块组的输出信号，并对IQ数据进行快速傅里叶变换FFT处理，且生成频域数据；
R/I RAM模块组，用于接收所述的FFT模块组的输出信号，并存储奇数帧和偶数帧的频域实部和虚部数据；
所述的数据处理子系统包括：
求模模块，用于接收所述的频域处理子系统的输出数据，并计算频域处理后每个频点的信号幅度数据；
判决电路模块，用于接收所述的求模模块和所述的触发频域模板RAM的输出数据，并比较所述的求模模块计算后的信号幅度数据与所述的触发频域模板RAM中存储的对应数据的大小；
编码电路模块，用于接收所述的频域处理子系统和所述的判决电路模块的输出信号，并对所述的判决电路触发后的频域实部和虚部数据进行编码；
输出缓冲RAM模块，用于接收所述的编码电路模块的输出数据，并进行存储。
2.根据权利要求1所述的基于频域检测的实现IQ数据信号数据压缩与传输功能的装置，其特征在于，所述的数字下变频模块包括乘法器、数字振荡器、FIR滤波器、半带滤波器和CIC抽取滤波器，所述的乘法器、数字振荡器、FIR滤波器、半带滤波器和CIC抽取滤波器依次相连，所述的数字振荡器生成两路输出。
3.根据权利要求1所述的基于频域检测的实现IQ数据信号数据压缩与传输功能的装置，其特征在于，所述的I/Q RAM模块组包括第一I/Q RAM模块和第二I/Q RAM模块，所述的第一I/Q RAM模块的输入端和第二I/Q RAM模块的输入端均与数字下变频模块的输出端相连接。
4.根据权利要求3所述的基于频域检测的实现IQ数据信号数据压缩与传输功能的装置，其特征在于，所述的第一I/Q RAM模块存储奇数帧的IQ数据，所述的第二I/Q RAM模块存储偶数帧的IQ数据。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于频域检测的实现IQ数据信号数据压缩与传输功能的装置，其特征在于，所述的I/Q RAM模块组中RAM的容量与快速傅里叶变换FFT处理的长度和数据位宽一致。
6.根据权利要求5所述的基于频域检测的实现IQ数据信号数据压缩与传输功能的装置，其特征在于，所述的快速傅里叶变换FFT处理的长度为1024点的16位FFT，则所述的I/QRAM模块中每个RAM为32k bits的容量。
7.根据权利要求3所述的基于频域检测的实现IQ数据信号数据压缩与传输功能的装置，其特征在于，所述的FFT模块组包括第一FFT模块和第二FFT模块，所述的第一FFT模块的输入端与第一I/Q RAM模块的输出端相连接，所述的第二FFT模块的输入端与第二I/Q RAM模块的输出端相连接。
8.根据权利要求7所述的基于频域检测的实现IQ数据信号数据压缩与传输功能的装置，其特征在于，所述的R/I RAM模块组包括第一R/I RAM模块和第二R/I RAM模块，所述的第一R/I RAM模块的输入端与所述的第一FFT模块的输出端相连接，所述的第二R/I RAM模块的输入端与所述的第二FFT模块的输出端相连接。
9.根据权利要求8所述的基于频域检测的实现IQ数据信号数据压缩与传输功能的装置，其特征在于，所述的第一R/I RAM模块存储奇数帧的频域实部和虚部数据，所述的第二R/I RAM模块存储偶数帧的频域实部和虚部数据。
10.根据权利要求1至4、7至9中任一项所述的基于频域检测的实现IQ数据信号数据压缩与传输功能的装置，其特征在于，所述的R/I RAM模块组的存储容量与所述的I/Q RAM模块组的存储容量相同。
11.根据权利要求1所述的基于频域检测的实现IQ数据信号数据压缩与传输功能的装置，其特征在于，所述的触发频域模板RAM中的频域幅度数据的长度的值与FFT的长度的值一致。
12.根据权利要求11所述的基于频域检测的实现IQ数据信号数据压缩与传输功能的装置，其特征在于，所述的FFT的长度为1024点，则所述的触发频域模板RAM中存储1024个点的频域幅度数据。
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