CN110233625B - 高速信号实时采集及压缩存储处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速信号实时采集及压缩存储处理系统，包括：A/D模数转换模块，其用于对输入的高速模拟信号进行采样，并将转换的数字信号缓存至与A/D模数转换模块相连的数据缓存模块中；数据压缩模块，其包括：最大值检测模块，用于对A/D模数转换模块转换得到的数字信号进行信号幅度最大值检测，并进行记录；数字AGC模块，其根据最大值检测模块检测到的信号幅度最大值，同步从数据缓存模块中提取缓存的数字信号，以最大幅度范围输出至数据压缩截取模块；数据压缩截取模块，用于对数字AGC模块输出的数字信号进行压缩截取，并传输至存储模块。该系统通过数据压缩处理，在保持数据信息尽可能不损失的情况下，实现了最佳的费效比。

Description

高速信号实时采集及压缩存储处理系统
技术领域
本发明属于数据压缩处理领域。更具体地说，本发明涉及一种高速信号实时采集及压缩存储处理系统。
背景技术
近年来，雷达信号侦查处理机在雷达对抗系统中担负着极其重要的角色，它是电子干扰系统、电子情报系统和雷达威胁告警接收机的核心。在复杂电磁环境中，信号密度大且信号形式多样，这给电子侦查带来了很大困难。随着各种新体制、新技术在雷达系统中的广泛应用，雷达侦察任务的复杂性日益凸显。现代雷达极宽的工作带宽、复杂多变的信号形式、更隐蔽的收发体制等新特性给雷达侦察接收机在信号截获、参数估计、辐射源分选、多信号处理方面提出了极大的挑战。
面对现代复杂的侦察电磁环境，雷达侦察接收机必须具备宽的瞬时截获带宽以截获各类雷达信号；具备大的瞬时动态范围，以应对高密度脉冲流条件下时频混叠脉冲以及复杂调制脉冲的多个同时到达强弱信号的截获；具备复杂调制信号的参数估计及识别能力以满足新体制雷达的侦察需要。
然而随着现代电子技术的高速发展，新体制雷达不断出现，在雷达威胁库信息不足的情况下，对雷达信号实时处理难以适应新体制雷达侦察与对抗的需求。因此，需要一种雷达侦察处理设备，以尽可能更大的带宽、更大的动态范围、连续采集雷达信号进行存储，用于离线分析，获取雷达信息，进一步丰富雷达威胁库。但是，当前雷达信号采集存储主要是对A/D模数转换器采样得到的信号进行直接存储，为了保证完整的采集信息，需要相应的硬件存储资源作为支撑。随着A/D模数转换器采样速率和采样分辨力不断提高，硬件存储资源的消耗也将成倍增加，从而导致的后果就是设备硬件规模不断增大，硬件成本不断增加，一方面因设备规模庞大，用户体验效果降低，另一方面也增大了设备研制厂家的经济负担。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供了一种高速信号实时采集及压缩存储处理系统，该系统通过数据压缩处理，在保持数据信息尽可能不损失的情况下，实现了最佳的费效比。
为了实现本发明的这些目的和其它优点，本发明提供了一种高速信号实时采集及压缩存储处理系统，包括：
A/D模数转换模块，其用于对输入的高速模拟信号进行采样，并将转换的数字信号缓存至与所述A/D模数转换模块相连的数据缓存模块中；
数据压缩模块，其包括：
最大值检测模块，其连接至所述A/D模数转换模块，用于对所述A/D模数转换模块转换得到的数字信号进行信号幅度最大值检测，并进行记录；
数字自动增益控制模块，其与所述最大值检测模块和所述数据缓存模块连接，所述数字自动增益控制模块根据所述最大值检测模块检测到的信号幅度最大值，同步从所述数据缓存模块中提取缓存的数字信号，以最大幅度范围输出至数据压缩截取模块；
数据压缩截取模块，其与所述数字自动增益控制模块连接，用于对所述数字自动增益控制模块输出的数字信号进行压缩截取，并传输至存储模块。
优选的是，其中，所述的高速信号实时采集及压缩存储处理系统，所述数据压缩模块还包括：压缩参数存储模块，其与所述最大值检测模块连接，用于保存当前数据段的压缩参数，并传输至所述存储模块。
优选的是，其中，所述的高速信号实时采集及压缩存储处理系统，还包括：
低速数据接口，其与所述压缩参数存储模块相连，压缩参数通过所述低速数据接口传输至所述存储模块；
高速数据接口，其与所述数据压缩截取模块相连，压缩截取后的数据通过所述高速数据接口传输至所述存储模块。
优选的是，其中，所述的高速信号实时采集及压缩存储处理系统，所述数据压缩截取模块，具体包括：
对所述数字自动增益控制模块输出的预定时间内的数字信号数据DATA_A进行评估，评估出最高有效位N_MAX，根据最高有效位N_MAX，对数字信号数据DATA_A按照压缩数据位宽Nc进行压缩处理；
当N_MAX≥Nc时，对数字信号数据DATA_A截取的最高位为N_MAX，最低位为N_MAX-Nc+1；
当N_MAX<Nc时，对数字信号数据DATA_A截取的最高位为Nc，最低位为1；
将截取的数据作为压缩数据DATA_B。
优选的是，其中，所述的高速信号实时采集及压缩存储处理系统，所述数据压缩截取模块压缩的过程中，保存当前数据段对应的压缩因子M，M的映射方法为：
当N_MAX≥Nc时，M＝2N _ MAX-Nc；
当N_MAX<Nc时，M＝1。
优选的是，其中，所述的高速信号实时采集及压缩存储处理系统，还包括恢复数据模块，其恢复过程为：
恢复数据DATA_C＝DATA_B*M。
优选的是，其中，所述的高速信号实时采集及压缩存储处理系统，所述最大值检测模块根据设定的缓存时间，对数字信号进行信号幅度最大值检测。
优选的是，其中，所述的高速信号实时采集及压缩存储处理系统，压缩后压缩数据DATA_B满足如下关系：DATA_B＝FS*Nc<B1或者DATA_B＝FS*Nc<B2，其中，FS为采样数据率，Nc为压缩后数据位宽，B1为数据传输带宽，B2为最大存储带宽。
优选的是，其中，所述的高速信号实时采集及压缩存储处理系统，所述存储模块为海量存储器，存储器为一个或多个。
本发明至少包括以下有益效果：本系统设置的最大值检测模块，由于对信号幅度最大值进行检测，能够控制数字自动增益控制模块保持最大动态范围和无失真输出；数字自动增益控制模块根据所述最大值检测模块检测到的信号幅度最大值，同步从所述数据缓存模块中提取缓存的数字信号，以最大幅度范围输出至数据压缩截取模块，尽可能保证高速信号不损失和无失真输出；数据压缩截取模块根据用户配置的数据压缩配置位宽要求，从最高进行截取，通过高速接口模块送往存储模块，数字信号经过压缩截取后，在保持AD采样率不变的情况下，极大降低了总线传输带宽和硬件存储资源的要求。设置的数据压缩参数存储模块保存了当前数据段的压缩参数，能够方便地用于离线处理时存储数据的正确恢复，压缩参数通过低速数据接口模块送往存储模块，压缩数据和压缩参数通过不同的接口进行传送，也提高了效率。因此，本系统在保持数据信息尽可能不损失和硬件存储资源不增加的情况下，能够实现更好的AD采样速率和采样分辨力等采集性能。本系统也以一种高费效比的方式，在降低数据存储带宽要求的同时，实现数据最大值无失真。此外，本系统适用于FPGA、SRAM、SDRAM、FLASH等采集存储平台。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明一个实施例所述的高速信号实时采集及压缩存储处理系统的结构示意图；
图2为原始数据以及部分片段放大图；
图3为压缩参数图；
图4为压缩数据图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示，本发明实施例提供的高速信号实时采集及压缩存储处理系统，包括：
A/D模数转换模块，其用于对输入的高速模拟信号进行采样，并将转换的数字信号缓存至与所述A/D模数转换模块相连的数据缓存模块中；
数据压缩模块，其包括：
最大值检测模块，其连接至所述A/D模数转换模块，用于对所述A/D模数转换模块转换得到的数字信号进行信号幅度最大值检测，并进行记录；
数字自动增益控制模块，其与所述最大值检测模块和所述数据缓存模块连接，所述数字自动增益控制模块根据所述最大值检测模块检测到的信号幅度最大值，同步从所述数据缓存模块中提取缓存的数字信号，以最大幅度范围输出至数据压缩截取模块；
数据压缩截取模块，其与所述数字自动增益控制模块连接，用于对所述数字自动增益控制模块输出的数字信号进行压缩截取，并传输至存储模块。
所述数据压缩模块还包括：压缩参数存储模块，其与所述最大值检测模块连接，用于保存当前数据段的压缩参数，并传输至所述存储模块。
其中，所述最大值检测模块根据数字信号处理器设定的缓存时间，对数字信号进行信号幅度最大值检测，搜索出信号幅度为最大值的数据。
其中，所述存储模块为海量存储器，存储器为一个或多个。
本系统设置的最大值检测模块，由于对信号幅度最大值进行检测，能够控制数字自动增益控制模块保持最大动态范围和无失真输出；数字自动增益控制模块根据所述最大值检测模块检测到的信号幅度最大值，同步从所述数据缓存模块中提取缓存的数字信号，以最大幅度范围输出至数据压缩截取模块，尽可能保证高速信号不损失和无失真输出；数据压缩截取模块根据用户配置的数据压缩配置位宽要求，从最高进行截取，通过高速接口模块送往存储模块，数字信号经过压缩截取后，在保持A/D模数转换模块采样率不变的情况下，极大降低了总线传输带宽和硬件存储资源的要求。设置的数据压缩参数存储模块保存了当前数据段的压缩参数，能够方便地用于离线处理时存储数据的正确恢复。例如，设定A/D模数转换模块采样率为5Gsps，分辨率为12bit，若不进行压缩处理，直接连续存储，则需要的存储带宽为60Gbps；设定数据存储时，A/D模数转换模块采样率保持不变，保持为5Gsps，数据存储位宽压缩为8bit，则需要的存储带宽为40Gbps，从而极大降低了总线传输带宽和硬件存储资源的要求。
在其中一具体实施方式中，所述的高速信号实时采集及压缩存储处理系统，还包括：
低速数据接口，其与所述压缩参数存储模块相连，压缩参数通过所述低速数据接口传输至所述存储模块；
高速数据接口，其与所述数据压缩截取模块相连，压缩截取后的数据通过所述高速数据接口传输至所述存储模块。
压缩数据和压缩参数通过不同的接口进行传送，也提高了效率。
需要说明的是，数据压缩参数和压缩截取后的数据也可以通过定义特定的数据帧格式，封装在一起，然后只通过一个数据接口或分发到多个数据接口送往存储器，存储器可以为一个或多个。
在其中一具体实施方式中，所述的高速信号实时采集及压缩存储处理系统，所述数据压缩截取模块，具体包括：
对所述数字自动增益控制模块输出的预定时间内的数字信号数据DATA_A进行评估，评估出最高有效位N_MAX，根据最高有效位N_MAX，对数字信号数据DATA_A按照压缩数据位宽Nc进行压缩处理；
当N_MAX≥Nc时，对数字信号数据DATA_A截取的最高位为N_MAX，最低位为N_MAX-Nc+1；
当N_MAX<Nc时，对数字信号数据DATA_A截取的最高位为Nc，最低位为1；
将截取的数据作为压缩数据DATA_B。
其中，压缩后压缩数据DATA_B满足：DATA_B＝FS*Nc<B1或者DATA_B＝FS*Nc<B2，其中，FS为采样数据率，Nc为压缩后数据位宽，B1为数据传输带宽，B2为最大存储带宽。数据传输带宽B1为硬件最大可支持的数据传输带宽；最大存储带宽B2为硬件最大可支持的最大存储带宽。
在其中一具体实施方式中，所述的高速信号实时采集及压缩存储处理系统，所述数据压缩截取模块压缩的过程中，保存当前数据段对应的压缩因子M，M的映射方法为：
当N_MAX≥Nc时，M＝2N _ MAX-Nc；
当N_MAX<Nc时，M＝1。
在其中一具体实施方式中，所述的高速信号实时采集及压缩存储处理系统，还包括恢复数据模块，其恢复过程为：
恢复数据DATA_C＝DATA_B*M。
离线分析时，提取数据压缩参数和压缩截取后数据，则能高保真恢复原始A/D模数转换模块采样数据。
现给出一具体的例子来说明数据压缩：
1、通过matlab仿真产生1M个随机的0～4096之间的数据。图2给出了原始数据以及部分片段放大。
2、设置压缩参数，按照一定的规则设置压缩参数，压缩参数的设置如下表一所示：
表1数据压缩参数映射表
Figure GDA0004149535770000071
图3给出了数据压缩参数。
3、按照数据压缩参数的设置规则，对数据进行压缩，压缩算法不涉及复杂的乘除运算，只需要相对简单的数据搜索、移位和存储等处理过程。实现在降低存储带宽的同时，保持数据最大值无失真。表2给出了数据压缩映射表：
表2数据压缩映射表
Figure GDA0004149535770000072
压缩后效果图如图4所示，由原来的0～4096，压缩到0～256
4、数据恢复
数据恢复计算公式为：恢复数据＝压缩参数*压缩数据，通过数据恢复算法，则能有效基本无失真完成存储数据恢复。恢复数据与原始数据相比，近乎一样，无失真。
综上所述，对A/D模数转换模块采样的数据经过压缩处理后再进行存储，实现降低存储带宽的同时，能够保持数据最大值无失真。本系统的数据压缩模块采用的压缩算法有着效率极高的特性，算法不涉及复杂的乘除运算，只需要相对简单的数据搜索、移位和存储等处理过程，适用于FPGA中实时处理实现，数据恢复也简单可靠。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种高速信号实时采集及压缩存储处理系统，其特征在于，包括：
A/D模数转换模块，其用于对输入的高速模拟信号进行采样，并将转换的数字信号缓存至与所述A/D模数转换模块相连的数据缓存模块中；
数据压缩模块，其包括：
最大值检测模块，其连接至所述A/D模数转换模块，用于对所述A/D模数转换模块转换得到的数字信号进行信号幅度最大值检测，并进行记录；
数字自动增益控制模块，其与所述最大值检测模块和所述数据缓存模块连接，所述数字自动增益控制模块根据所述最大值检测模块检测到的信号幅度最大值，同步从所述数据缓存模块中提取缓存的数字信号，以最大幅度范围输出至数据压缩截取模块；
数据压缩截取模块，其与所述数字自动增益控制模块连接，用于对所述数字自动增益控制模块输出的数字信号进行压缩截取，并传输至存储模块。
2.如权利要求1所述的高速信号实时采集及压缩存储处理系统，其特征在于，所述数据压缩模块还包括：压缩参数存储模块，其与所述最大值检测模块连接，用于保存当前数据段的压缩参数，并传输至所述存储模块。
3.如权利要求2所述的高速信号实时采集及压缩存储处理系统，其特征在于，还包括：
低速数据接口，其与所述压缩参数存储模块相连，压缩参数通过所述低速数据接口传输至所述存储模块；
高速数据接口，其与所述数据压缩截取模块相连，压缩截取后的数据通过所述高速数据接口传输至所述存储模块。
4.如权利要求3所述的高速信号实时采集及压缩存储处理系统，其特征在于，所述数据压缩截取模块，具体包括：
对所述数字自动增益控制模块输出的预定时间内的数字信号数据DATA_A进行评估，评估出最高有效位N_MAX，根据最高有效位N_MAX，对数字信号数据DATA_A按照压缩数据位宽Nc进行压缩处理；
当N_MAX≥Nc时，对数字信号数据DATA_A截取的最高位为N_MAX，最低位为N_MAX-Nc+1；
当N_MAX<Nc时，对数字信号数据DATA_A截取的最高位为Nc，最低位为1；
将截取的数据作为压缩数据DATA_B。
5.如权利要求4所述的高速信号实时采集及压缩存储处理系统，其特征在于，所述数据压缩截取模块压缩的过程中，保存当前数据段对应的压缩因子M，M的映射方法为：
当N_MAX≥Nc时，M＝2N_MAX-Nc；
当N_MAX<Nc时，M＝1。
6.如权利要求5所述的高速信号实时采集及压缩存储处理系统，其特征在于，还包括恢复数据模块，其恢复过程为：
恢复数据DATA_C＝DATA_B*M。
7.如权利要求1所述的高速信号实时采集及压缩存储处理系统，其特征在于，所述最大值检测模块根据设定的缓存时间，对数字信号进行信号幅度最大值检测。
8.如权利要求5所述的高速信号实时采集及压缩存储处理系统，其特征在于，压缩后压缩数据DATA_B满足如下关系：
DATA_B＝FS*Nc<B1或者DATA_B＝FS*Nc<B2，其中，FS为采样数据率，Nc为压缩后数据位宽，B1为数据传输带宽，B2为最大存储带宽。
9.如权利要求4所述的高速信号实时采集及压缩存储处理系统，其特征在于，所述存储模块为海量存储器，存储器为一个或多个。
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