CN110765410B - 一种缩短频谱数据处理时间的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种缩短频谱数据处理时间的方法及系统，在加窗运算和FFT运算之间增加加窗数据流的控制步骤：将定点化以后的窗系数出现的零点的乘法操作进行省略，直接向FFT运算中输入零值。利用频谱分析中加窗系数的特征，可以减少需要采集数据的点数，该特点在小分辨率下效果更加明显。解决了现有技术中需要获取满足FFT长度足够的数据，才可以进行频谱数据处理的问题。
Description
技术领域
本公开属于数据优化处理技术领域，涉及一种缩短频谱数据处理时间的方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着数字电路技术的高速发展，FPGA数据处理的性能得到极大提升，由于其高效的并行流水线运行特性，广泛用于数据的前端处理。由于目前的应用场合的带宽越来越大，对测试过程中频谱的扫描速度提出越来越快的要求。传统的频谱处理速率优化方法主要是集中在提高快速傅里叶变换的处理时间，以及提高运行算法处理器的运行频率上。当前FPGA的运行速率相对CPU和DSP等通用控制器相对较低，主要是结合FPGA流水线并行运算等特点对FFT算法进行优化。
据发明人了解，目前传统的频谱数据处理流程一般采用的方式，如图1所示。频谱数据处理流程通常经过数据采集、CIC滤波器、FIR滤波器、加窗运算和FFT运算，根据分辨率带宽的设置，确定CIC滤波器、FIR滤波器的抽取倍数、窗系数选择和FFT的运算长度。由于FPGA更擅长定点运算，并且处理效率高，适合对实时性要求较高的系统。本流程中从数据采集到加窗运算的完成通常都是运行定点运算，而在FFT运算中可以根据需求选择定点运算或者浮点运算。如果FFT运算选择浮点运算，加窗运算以后需要将处理后的定点格式数据转换为浮点格式数据，然后再进行浮点FFT运算。
上述方法中经过FIR滤波以后的数据数量需要达到FFT运算指定长度，才可以完成FFT运算。对于分辨率较小的情况下，频谱数据处理时间主要用于数据采集，而不是加窗运算和FFT运算。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种缩短频谱数据处理时间的方法及系统，本公开结合部分窗系数的特征，可以使FIR滤波以后的数据数量不需要达到FFT运算指定长度，便可以完成FFT运算，能够减少需要采集数据的点数，提高了整个频谱处理的效率。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种缩短频谱数据处理时间的方法，在加窗运算和FFT运算之间增加加窗数据流的控制步骤：将定点化以后的窗系数出现的零点的乘法操作进行省略，直接向FFT运算中输入零值。
作为可选择的实施方式，根据分辨率带宽设置，选择设定的转为定点数的窗系数数据，同时得知窗系数两侧的零点数量，如果有零点数据，首先向FFT运算中输入相应数量的零值，将之后得到的数据直接与窗系数中非零值系数进行相乘，等窗系数非零值处理完成以后，向FFT输入相应数量的零值。
一种缩短频谱数据处理时间的方法，包括以下步骤：
获取采集的频谱数据，并对其进行滤波处理；
对滤波后的数据进行加窗运算；
将加窗运算中窗系数出现的零点的乘法操作进行省略，直接输出零值；
进行FFT运算，得到频谱处理结果。
作为可选择的实施方式，所述滤波处理包括CIC滤波和FIR滤波。
作为可选择的实施方式，所述加窗运算包括时域加窗处理，即输入数据与窗系数数据进行点乘运算。
作为可选择的实施方式，所述加窗运算过程包括窗系数的选择和分辨率带宽的确定。
作为可选择的实施方式，根据分辨率带宽设置，选择设定的转为定点数的窗系数数据，同时得知窗系数两侧的零点数量，如果有零点数据，首先向FFT运算中输入相应数量的零值，将之后得到的数据直接与窗系数中非零值系数进行相乘，等窗系数非零值处理完成以后，向FFT输入相应数量的零值。
作为可选择的实施方式，在前一次数据频谱处理进行数据补零过程中，同时进行下一次数据的采集。
一种缩短频谱数据处理时间的系统，包括依次连接的：
数据采集器、CIC滤波器、FIR滤波器、加窗运算器、加窗数据流控制器和FFT运算器，其中：
所述加窗数据流控制器被配置为将定点化以后的窗系数出现的零点的乘法操作进行省略，直接向FFT运算中输入零值。
作为可选择的实施方式，所述加窗数据流控制器根据分辨率带宽设置，选择设定的转为定点数的窗系数数据，同时得知窗系数两侧的零点数量，如果有零点数据，首先向FFT运算中输入相应数量的零值，将之后得到的数据直接与窗系数中非零值系数进行相乘，等窗系数非零值处理完成以后，向FFT输入相应数量的零值。
作为可选择的实施方式，所述CIC滤波器、FIR滤波器的抽取倍数根据设置的分辨率带宽确定。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种缩短频谱数据处理时间的方法步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开根据窗系数数据在浮点数转定点数过程中，可能会出现连续的零点问题，结合加窗操作对整个频谱处理流程进行优化。
本公开前一次数据频谱处理进行过程中，可以提前进行下一次需要处理数据的采集，使整个处理结构更紧凑。
本公开利用频谱分析中加窗系数的特征，可以减少需要采集数据的点数，该特点在小分辨率下效果更加明显。解决了现有方案中方案需要获取满足FFT长度足够的数据，才可以进行频谱数据处理的问题。
本公开具有很好的普适性，其它优化FFT运算的方法也可以很好的应用到该方法中，进一步提高频谱处理的效率。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是现有处理过程示意图；
图2是本公开的处理过程示意图；
图3是本实施例归一化以后的窗系数数据；
图4是本实施例浮点数转定点数以后的常系数数据。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术中所述的，现有技术经过FIR滤波以后的数据数量需要达到FFT运算指定长度，才可以完成FFT运算。对于分辨率较小的情况下，频谱数据处理时间主要用于数据采集，而不是加窗运算和FFT运算。
本公开优化以上处理流程，结合部分窗系数的特征，可以使FIR滤波以后的数据数量不需要达到FFT运算指定长度，便可以完成FFT运算。本方法可以减少频谱处理中数据采集所消耗的时间，使整个处理过程更紧凑，效率更高，随着分辨率越来越小，该方法提升效果越明显。
本公开提出了一种基于FPGA的缩短频谱数据处理时间的方法，具体实现框图如图2所示。在传统处理流程的基础上，结合分辨率带宽的设置，将加窗数据流控制器添加到FFT运算的前端。
主要结合加窗运算中部分窗系数的特点对整个流程进行优化，加窗运算主要实现抑制频谱泄露以及确定分辨率带宽的功能，该加窗运算通常是时域加窗。为了实现抑制频谱泄露，窗系数两端的系数相对较小，以抑制信号的非周期性等问题，如图3所示采样率为5MHz，分辨率带宽为30KHz情况下的归一化以后的高斯窗。
设计出来的窗系数通常都为浮点数，表示数据的动态范围很大。由于FPGA处理浮点数效率较低，以及数据处理的实时性要求，通常加窗运算在FPGA中需要进行定点数运算。对图3窗数据进行定点化处理以后，得到的窗系数数据如图4所示。
图4中窗系数数据为16位定点数表示，可以看出浮点数转为定点数以后出现很多零点。由于FPGA处理位数不宜太长，定点数中每增加一位2进制数表征的数据范围增加约6dB，16位二进制数据表征的范围已经较大。针对窗系数浮点数转定点数出现的零点，而且窗系数出现零点的位置通常在窗系数的两侧，并且在每一侧都是连续出现零点，而不是间隔出现的。针对以上现象可以优化处理流程，由于时域加窗运算为输入数据与窗系数数据进行点乘运算，定点化以后的窗系数出现零点，所以该部分乘法操作可以省略，直接向FFT运算中输入零值即可，同时需要的输入数据的点数也可以相应降低。
加窗数据流控制器实现以上流程，根据分辨率带宽设置，选择设定的转为定点数的窗系数数据，同时得知窗系数两侧的零点数量。如果左侧有零点数据，首先向FFT运算中输入相应数量的零值，FIR滤波器以后得到的数据直接与窗系数中非零值系数进行相乘。等窗系数非零值处理完成以后，向FFT输入右侧相应数量的零值，如果是连续测量，该阶段可以进行下一次的数据采集处理，整个结构更紧凑，效率得到进一步提升，处理时间变短。
根据窗系数数据在浮点数转定点数过程中，可能会出现连续的零点问题，结合加窗操作对整个频谱处理流程进行优化。
前一次数据频谱处理进行过程中，可以提前进行下一次需要处理数据的采集，使整个处理结构更紧凑。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (7)
1.一种缩短频谱数据处理时间的方法，其特征是：在加窗运算和FFT运算之间增加加窗数据流的控制步骤：将定点化以后的窗系数出现的零点的乘法操作进行省略，直接向FFT运算中输入零值；
根据分辨率带宽设置，选择设定的转为定点数的窗系数数据，同时得知窗系数两侧的零点数量，如果左侧有零点数据，首先向FFT运算中输入相应数量的零值，将之后FIR滤波得到的数据直接与窗系数中非零值系数进行相乘，等窗系数非零值处理完成以后，向FFT右侧输入相应数量的零值；该方法结合部分窗系数的特征，使FIR滤波以后的数据数量无需达到FFT运算的指定长度，完成FFT运算；在前一次数据频谱处理进行数据补零过程中，同时进行下一次数据的采集。
2.一种缩短频谱数据处理时间的方法，其特征是：包括以下步骤：
获取采集的频谱数据，并对其进行滤波处理；
对滤波后的数据进行加窗运算；
将加窗运算中窗系数出现的零点的乘法操作进行省略，直接输出零值；
进行FFT运算，得到频谱处理结果；
根据分辨率带宽设置，选择设定的转为定点数的窗系数数据，同时得知窗系数两侧的零点数量，如果左侧有零点数据，首先向FFT运算中输入相应数量的零值，将之后FIR滤波得到的数据直接与窗系数中非零值系数进行相乘，等窗系数非零值处理完成以后，向FFT右侧输入相应数量的零值；该方法结合部分窗系数的特征，使FIR滤波以后的数据数量无需达到FFT运算的指定长度，完成FFT运算；在前一次数据频谱处理进行数据补零过程中，同时进行下一次数据的采集。
3.如权利要求2所述的一种缩短频谱数据处理时间的方法，其特征是：所述滤波处理包括CIC滤波和FIR滤波。
4.如权利要求2所述的一种缩短频谱数据处理时间的方法，其特征是：所述加窗运算包括时域加窗处理，即输入数据与窗系数数据进行点乘运算。
5.一种实现如权利要求1所述方法的缩短频谱数据处理时间的系统，其特征是：包括依次连接的：
数据采集器、CIC滤波器、FIR滤波器、加窗运算器、加窗数据流控制器和FFT运算器，其中：
所述加窗数据流控制器被配置为将定点化以后的窗系数出现的零点的乘法操作进行省略，直接向FFT运算中输入零值；
所述加窗数据流控制器根据分辨率带宽设置，选择设定的转为定点数的窗系数数据，同时得知窗系数两侧的零点数量，如果左侧有零点数据，首先向FFT运算中输入相应数量的零值，将之后FIR滤波得到的数据直接与窗系数中非零值系数进行相乘，等窗系数非零值处理完成以后，向FFT右侧输入相应数量的零值；该方法结合部分窗系数的特征，使FIR滤波以后的数据数量无需达到FFT运算的指定长度，完成FFT运算；在前一次数据频谱处理进行数据补零过程中，同时进行下一次数据的采集。
6.如权利要求5所述的一种缩短频谱数据处理时间的系统，其特征是：所述CIC滤波器、FIR滤波器的抽取倍数根据设置的分辨率带宽确定。
7.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-4中任一项所述的一种缩短频谱数据处理时间的方法步骤。
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