CN111753249B - 一种基于fpga芯片计算信号频谱的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA芯片计算信号频谱的方法，包括：步骤S100：选择窗函数，设置加窗点数，对输入信号进行加窗处理；步骤S200：对加窗后的信号进行快速傅里叶变换，将时域信号转换到频域；步骤S300：对快速傅里叶变换后的数据取模，并求对数，通过换底公式得到信号功率谱。还公开了一种基于FPGA芯片计算信号频谱的系统，包括控制模块、加窗模块、FFT变换模块和功率谱计算模块。本发明综合利用了窗函数、快速傅里叶变换、基于反向双曲正切cordic求对数，使得FPGA可以直接计算出频谱数据，并且有着计算速度快、消耗硬件资源少、计算结果精度高等优点。

Description

一种基于FPGA芯片计算信号频谱的方法及系统
技术领域
本发明涉及频谱分析技术领域，具体的说，是一种基于FPGA芯片计算信号频谱的方法及系统。
背景技术
随着电子信息技术的不断发展，FPGA芯片作为现场可编程逻辑门阵列因其开发费用低，效率高等优点得到广泛运用。在FPGA中直接计算频谱数据，成为了信号处理工作的常见需求。然而FPGA存在的局限性在于并不适合复杂的计算。传统的频谱分析方式是交由上位机进行处理，但是这会加大后端的处理难度，增加总线传输的要求以及处理显示的压力。特别是在频谱计算实时性强、数据量大的情况，由FPGA芯片直接计算频谱并求出功率谱可以大大减轻后端压力。但是，FPGA计算频谱的难点在于求功率谱的步骤，即要计算lg对数值。通常基于FPGA求对数的方法主要有传统实现方式主要有查找表、分段线性近似法、多项式近似法以及数值循环法等，但是这几种方法使用资源较多，精度也相对较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于FPGA芯片计算信号频谱的方法及系统，用于解决现有技术中FPGA计算频谱时求对数采用传统方法占用资源较多、精度较低的问题。
本发明通过下述技术方案解决上述问题：
一种基于FPGA芯片计算信号频谱的方法，包括：
步骤S100：选择窗函数，设置加窗点数，对输入信号进行加窗处理；
步骤S200：对加窗后的信号进行快速傅里叶变换，将时域信号转换到频域；
步骤S300：对快速傅里叶变换后的数据取模，并求对数，通过换底公式得到信号功率谱,具体步骤为：
(a)对于输入数据进行平方和计算，将输入的复数I/Q数据且为定点数数据转换为实数，通过二分法找到数据最高位，并得到最高位所在位数L1,将位数L1加1后得到L,将L×ln(2)缓存；
(b)将输入数据平移操作后与反双曲函数cordic ip核输入端小数位第一位对齐，整数位全部赋值为零，输入数据的格式变换为0.r×2L；采用反正切双曲函数cordic求对数，得到ln(0.r)；
(c)将步骤(a)和步骤(b)的计算结果相加，得到：
ln(r)＝ln(0.r)+L×ln(2)；
(d)将步骤(c)的计算结果与log10(e)相乘，得到：
log10(r)＝log10(e)×ln(r)
＝log10(e)×[ln(0.r)+L×ln(2)]。
上述方法，可以直接在FPGA中实现，使得FPGA可以直接计算出频谱数据，并且有着计算速度快、消耗硬件资源少、计算结果精度高等优点。
所述(d)中的log10(e)和(a)中的ln(2)采用移位相加的方法实现，
Log10(e)≈2-2+2-3+2-5+2-6+2-7+2-8+2-10；
ln(2)≈2-1+2-4+2-8+2-10+2-11+2-12。
还包括步骤S400：利用FPGA芯片的ram资源存储一帧或者多帧数据的功率谱，求取平均值和/或最大值。
一种基于FPGA芯片计算信号频谱的系统，包括控制模块、加窗模块、FFT变换模块和功率谱计算模块，其中：
控制模块，用于设置FFT变换模块中FFT点数和加窗模块中的窗函数点数以及控制系统工作使能；
加窗模块，用于在控制模块的使能信号到来时，对输入信号执行加窗操作；
FFT变换模块，用于对加窗模块输出的数据进行FFT变换；
功率谱计算模块，对FFT变换模块输出的信号求功率谱。
所述功率谱计算模块包括连接的求平方和模块和二分法查找数据最高位位数模块，所述二分法查找数据最高位位数模块的输出端分别连接加1模块和反双曲函数cordic，所述加1模块依次连接乘ln(2)模块和缓存模块后与所述反双曲函数cordic在加法模块相加后输入乘log10(e)模块。
还包括与功率谱计算模块输出端连接的平均值计算模块和/或最大值计算模块，平均值计算模块用于对功率谱计算模块输出的功率谱求平均值；最大值计算模块用于对功率谱计算模块输出的功率谱求最大值。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明综合利用了窗函数、FFT(快速傅里叶变换)、基于反向双曲正切cordic求对数，使得FPGA可以直接计算出频谱数据，并且有着计算速度快、消耗硬件资源少、计算结果精度高等优点。并且能够实时的计算频谱、在通信信号处理领域有广泛的适用性。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为计算功率谱的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
一种基于FPGA芯片计算信号频谱的方法，包括：
步骤S100：选择窗函数，设置加窗点数，对输入信号进行加窗处理；
步骤S200：对加窗后的信号进行快速傅里叶变换，将时域信号转换到频域；
步骤S300：对快速傅里叶变换后的数据取模，并求对数，通过换底公式得到信号功率谱,具体步骤如图2所示：
(a)对于输入数据进行平方和计算，将输入的复数I/Q数据且为定点数数据转换为实数，通过二分法找到数据最高位，并得到最高位所在位数L1,将位数L1加1后得到L,将L×ln(2)缓存；
(b)将输入数据平移操作后与反双曲函数cordic ip核输入端小数位第一位对齐，整数位全部赋值为零，输入数据的格式变换为0.r×2L；采用反正切双曲函数cordic求对数，得到ln(0.r)；
(c)将步骤(a)和步骤(b)的计算结果相加，得到：
ln(r)＝ln(0.r)+L×ln(2)；
(d)将步骤(c)的计算结果与log10(e)相乘，得到：
log10(r)＝log10(e)×ln(r)
＝log10(e)×[ln(0.r)+L×ln(2)]。
所述(d)中的log10(e)和(a)中的ln(2)采用移位相加的方法实现，
Log10(e)≈2-2+2-3+2-5+2-6+2-7+2-8+2-10；
ln(2)≈2-1+2-4+2-8+2-10+2-11+2-12。
还包括步骤S400：利用FPGA芯片的ram资源存储一帧或者多帧数据的功率谱，求取平均值和/或最大值。
实施例2：
结合附图1所示，一种基于FPGA芯片计算信号频谱的系统，包括控制模块、加窗模块、FFT变换模块和功率谱计算模块，其中：
控制模块，用于设置FFT变换模块中FFT点数和加窗模块中的窗函数点数以及控制系统工作使能；
加窗模块，用于在控制模块的使能信号到来时，对输入信号执行加窗操作；
FFT变换模块，用于对加窗模块输出的数据进行FFT变换；
功率谱计算模块，对FFT变换模块输出的信号求功率谱。
所述功率谱计算模块包括连接的求平方和模块和二分法查找数据最高位位数模块，所述二分法查找数据最高位位数模块的输出端分别连接加1模块和反双曲函数cordic，所述加1模块依次连接乘ln(2)模块和缓存模块后与反双曲函数cordic在加法模块相加后输入乘log10(e)模块，还包括平均值计算模块和/或最大值计算模块，平均值计算模块用于对功率谱计算模块输出的功率谱求平均值；最大值计算模块用于对功率谱计算模块输出的功率谱求最大值。求出功率谱后利用FPGA芯片的ram资源存储一帧或多帧数据，求取平均值和最大值，方便实际运用中更加直观的分析与观察。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (4)

1.一种基于FPGA芯片计算信号频谱的方法，其特征在于，包括：
步骤S100：选择窗函数，设置加窗点数，对输入信号进行加窗处理；
步骤S200：对加窗后的信号进行快速傅里叶变换，将时域信号转换到频域；
步骤S300：对快速傅里叶变换后的数据取模并求对数，计算信号功率谱,具体步骤为：
（a）对于输入数据进行平方和计算，将输入的复数I/Q数据且为定点数数据转换为实数，通过二分法找到数据最高位，并得到最高位所在位数L1,将位数L1加1后得到L，将L×ln(2)缓存；
（b）将输入数据平移操作后与反双曲函数cordic ip核输入端小数位第一位对齐，整数位全部赋值为零，输入数据的格式变换为0.r×2L；采用反正切双曲函数cordic求对数，得到ln(0.r)；
（c）将步骤（a）和步骤（b）的计算结果相加，得到：
ln(r)=ln(0.r)+L×ln(2)；
（d）将步骤（c）的计算结果与log10(e)相乘，得到：
log10(r)=log10(e)×ln(r)
=log10(e)×[ln(0.r)+L×ln(2)]；
所述（d）中的log10(e)和（a）中的ln(2)采用移位相加的方法实现，
Log10(e)≈2-2+2-3+2-5+2-6+2-7+2-8+2-10；
ln(2)≈2-1+2-4+2-8+2-10+2-11+2-12。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA芯片计算信号频谱的方法，其特征在于，还包括步骤S400：利用FPGA芯片的ram资源存储一帧或者多帧数据的功率谱，求取平均值和/或最大值。
3.一种基于FPGA芯片计算信号频谱的系统，其特征在于，包括控制模块、加窗模块、FFT变换模块和功率谱计算模块，其中：
控制模块，用于设置FFT变换模块中FFT点数和加窗模块中的窗函数点数以及控制系统工作使能；
加窗模块，用于在控制模块的使能信号到来时，对输入信号执行加窗操作；
FFT变换模块，用于对加窗模块输出的数据进行FFT变换；
功率谱计算模块，对FFT变换模块输出的信号求功率谱；
所述功率谱计算模块包括连接的求平方和模块和二分法查找数据最高位位数模块，所述二分法查找数据最高位位数模块的输出端分别连接加1模块和反双曲函数cordic，所述加1模块依次连接乘ln(2)模块和缓存模块后与所述反双曲函数cordic在加法模块相加后输入乘log10(e)模块。
4.根据权利要求3所述的一种基于FPGA芯片计算信号频谱的系统，其特征在于，还包括与所述功率谱计算模块连接的平均值计算模块和/或最大值计算模块，所述平均值计算模块用于对功率谱计算模块输出的功率谱求平均值；所述最大值计算模块用于对功率谱计算模块输出的功率谱求最大值。
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