CN111786685A - 一种带宽和本振灵活可变的超宽带高速并行采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带宽和本振灵活可变的超宽带高速并行采集方法，根据上位机指令，灵活配置DDC本振和带宽，采集系统由运行在CPU上的采集分析控制界面和运行在FPGA中的并行DDC模块构成，采集分析控制界面完成频谱显示及本振和带宽选择控制功能，DDC模块完成本振信号生成、混频及滤波功能，CPU和FPGA之间通过以太网UDP接口进行通信。本发明实现简单，可根据应用需求的不同而灵活配置，应用更加广泛，既可以5通道同时工作，额可以每个通道单独工作，提高了系统的灵活性，以应对不同的应用需求，可同时检测宽度高达8GHz的频率带宽内的信号，监测范围大，上位机同时实时显示5路信号，实时性强。

Description

一种带宽和本振灵活可变的超宽带高速并行采集方法

技术领域

本发明涉及数字信号领域，涉及一种超宽带高速并行采集方法，采用多相处理结构，在保证高速并行信号处理的前提下，灵活配置数字下变频(DDC)的本振和带宽。

背景技术

软件无线电要求接收机天线接收到的RF信号经前端滤波放大后直接送给宽带ADC进行数字化处理，数字化后的信号经过高速数字信号处理完成数字下变频(DDC)、数字解调、信源恢复等工作(田充足.宽带数字接收机信号处理平台设计[D].西安：西安电子科技大学，2015)。随着技术进步和工艺水平的提高，ADC采集芯片向着大带宽、高采样率方向发展，采样速率可以高达GSps，而相应的进行数字信号处理的FPGA却只能以几百MHz的时钟频率工作(李春娟，蒋德富，苏宇，高杨.基于多相滤波的宽带信号DDC技术[J]，现代雷达，2013(10)：67-69)。为解决高速采样器件和高速数字信号处理器件间处理速度不匹配的问题，基于多相并行滤波的数字下变频技术得到了广泛应用。目前，多相并行采集的实现方法，基本都是为了满足特定频段的采样需求或特定应用场景而设计的，多相并行采集的本振频率、带宽和本振数量都对应于需求而固定，无法改变，扩展性和通用性不高，严重制约了超宽带高速并行采集的通用化和推广应用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种带宽和本振灵活可变的超宽带高速并行采集方法。为解决高速并行采集下本振和带宽的灵活性问题，提高采集方法的通用性，克服传统并行采集方法中DDC本振和带宽配置不灵活等缺点，本发明根据上位机指令，灵活配置DDC本振和带宽。采集系统由运行在CPU上的采集分析控制界面和运行在FPGA中的并行DDC模块构成。采集分析控制界面完成频谱显示及本振和带宽选择控制功能，DDC模块完成本振信号生成、混频及滤波功能。CPU和FPGA之间通过以太网UDP接口进行通信。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1)系统上电运行，默认情况下，显示分析控制界面同时显示5路信号频谱，显示的中心频率为0Hz，频率范围为-800～800MHz，此时DDC本振为0MHz，DDC带宽为全带宽；

(2)在显示分析控制界面上设置通道N的本振f和带宽B，其中，N＝1,2,…5，f∈[-800,800]，单位MHz，B＝1/2/4/8/16/32/64/128/256/512MHz；

(3)显示分析控制软件将设置的参数映射为通道号、频率字、相位字和带宽序号：

3.1)根据输入本振f及系统默认采样率f_s，计算产生并行DDC所需的8相本振信号的频率字Freq_code和相位字Phase_code，计算公式为：

频率字和相位字的位宽均为32bit；

3.2)将带宽B＝1/2/4/8/16/32/64/128/256/512MHz映射为数字num＝1～10，映射关系如表1所示：

表1带宽B与数字num映射关系表

带宽B(MHz)	数字num
		1	1
2	2
		4	3
8	4
		16	5
32	6
		64	7
128	8
		256	9
512	10

3.3)将通道号N，频率字，8个相位字和数字num组成UDP帧，通过以太网发送到FPGA的DDC模块；

(4)DDC模块收到频率字和相位字后，将频率字和8个相位字分别按照{Phase_code(i)，Freq_code}形式进行拼接，得到8个64位位宽的数据D(i)，其中，高32位为对应的相位字，低32位为频率字；

(5)将拼接好的D(i)送入对应的DDS模块的s_axis_config_tdata[63:0]接口中，产生8路对应的本振信号；

(6)8路本振信号与AD采集到的8个并行信号进行复数相乘，进行混频，得到下变频的数据；

(7)不同带宽滤波器的系数事先存储在ROM的不同地址段中，根据num数值，将ROM的读地址映射为对应系数存储的起始地址，并顺序读出；

(8)下变频后的数据与从ROM中读出的系数做卷积，得到滤波后的数据，进行65536点FFT后得到频域数据，送到上位机中进行频谱显示。

本发明的有益效果是：

第一，采用上位机，根据采样率计算8路并行DDC通道频率字，实现简单，可根据应用需求的不同而灵活配置，应用更加广泛。

第二，5通道并行采集，每个通道都可以单独配置，既可以5通道同时工作，额可以每个通道单独工作，提高了系统的灵活性，以应对不同的应用需求。

第三，每个通道可检测1.6GHz频率范围内信号，五路同时工作时，可同时检测宽度高达8GHz的频率带宽内的信号，监测范围大。

第四，上位机同时实时显示5路信号，实时性强。

附图说明

图1是本发明udp帧。

图2是本发明DDC模块中DDS模块。

图3是ROM存储及地址映射示意图。

图4是系统组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明方法的实现步骤如下：

步骤1，系统上电运行，显示分析控制界面同时显示5个通道的实时频谱，每个通道显示的中心频率为0Hz，频率范围为-800～800MHz，此时外部无输入信号，5通道频谱除0MHz处的直流分量外，无其他信号；

步骤2，在显示分析控制界面上设置通道1的本振f＝10MHz，带宽B＝256MHz；

步骤3，显示分析控制软件将设置的参数映射为通道号N、频率字Freq_code、相位字Phase_code(i)，i＝1，2，…8，以及带宽序号num；

3.1)根据输入本振f及系统默认采样率f_s，计算产生并行DDC所需的8相本振信号的频率字Freq_code和相位字Phase_code，计算公式为

频率字和相位字的位宽均为32bit；

3.2)根据表1，将带宽B＝256MHz映射为数字num＝9；

3.3)将通道号N＝1，频率字Freq_code，8个相位字Phase_code(i)和数字num＝9组成UDP帧，通过以太网发送到FPGA的DDC模块；

步骤4，DDC模块收到频率字和相位字后，将频率字和8个相位字分别按照进行拼接，得到8个64位位宽的数据D(i)＝{Phase_code(i)，Freq_code}，其中，高32位为对应的相位字，低32位为频率字；

步骤5，将拼接好的D(i)送入对应的DDS模块的AXI-inter接口中，产生8路对应的本振信号；

步骤6，8路本振信号与AD采集到的8个并行信号进行复数相乘，进行混频，得到下变频的数据；

步骤7，不同带宽滤波器的系数事先存储在ROM的不同地址段中，每一种带宽的存储长度均为64；根据num＝9，将ROM的读地址映射为对应系数存储的起始地址512，并顺序读出地址512到地址575中存储的滤波器系数；

步骤8，下变频后的数据与从ROM中读出的系数做卷积，得到滤波后的数据，FFT后得到频域数据，送到上位机中进行频谱显示。

Claims (1)

1.一种带宽和本振灵活可变的超宽带高速并行采集方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)系统上电运行，默认情况下，显示分析控制界面同时显示5路信号频谱，显示的中心频率为0Hz，频率范围为-800～800MHz，此时DDC本振为0MHz，DDC带宽为全带宽；

(2)在显示分析控制界面上设置通道N的本振f和带宽B，其中，N＝1,2,…5，f∈[-800,800]，单位MHz，B＝1/2/4/8/16/32/64/128/256/512MHz；

(3)显示分析控制软件将设置的参数映射为通道号、频率字、相位字和带宽序号：

3.1)根据输入本振f及系统默认采样率f_s，计算产生并行DDC所需的8相本振信号的频率字Freq_code和相位字Phase_code，计算公式为：

频率字和相位字的位宽均为32bit；

3.2)将带宽B＝1/2/4/8/16/32/64/128/256/512MHz映射为数字num＝1～10，映射关系如表1所示：

表1带宽B与数字num映射关系表

带宽B(MHz) 数字num 1 1 2 2 4 3 8 4 16 5 32 6 64 7 128 8 256 9 512 10

3.3)将通道号N，频率字，8个相位字和数字num组成UDP帧，通过以太网发送到FPGA的DDC模块；

(4)DDC模块收到频率字和相位字后，将频率字和8个相位字分别按照{Phase_code(i)，Freq_code}形式进行拼接，得到8个64位位宽的数据D(i)，其中，高32位为对应的相位字，低32位为频率字；

(5)将拼接好的D(i)送入对应的DDS模块的s_axis_config_tdata[63:0]接口中，产生8路对应的本振信号；

(6)8路本振信号与AD采集到的8个并行信号进行复数相乘，进行混频，得到下变频的数据；

(7)不同带宽滤波器的系数事先存储在ROM的不同地址段中，根据num数值，将ROM的读地址映射为对应系数存储的起始地址，并顺序读出；

(8)下变频后的数据与从ROM中读出的系数做卷积，得到滤波后的数据，进行65536点FFT后得到频域数据，送到上位机中进行频谱显示。

Images