CN111859265A - 一种基于定点fft相位损失的解决方法及系统 - Google Patents

一种基于定点fft相位损失的解决方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于定点FFT相位损失的解决方法及系统，方法包括：获取待处理时域的输入信号；将待处理时域的输入信号进行快速傅里叶变换，生成N个点数的频域信号，N个点数的频域信号，包括：高频信号、低频信号；基于快速傅里叶变换的频域对称特征，通过深度为N/2个存储单元的数据缓存器，缓存N/2个的高频信号或N/2个的低频信号；将N/2个高频或低频信号的实部信息、虚部信息进行频域对称处理；基于实部信息、虚部信息，利用预设相位计算公式，生成相位信息。本发明基于快速傅里叶变换的频域对称特征，消除定点FFT引入的相位损失，同时降低信号的能量损失。

Description

一种基于定点FFT相位损失的解决方法及系统
技术领域
本发明涉及数字信号处理技术领域，具体涉及一种基于定点FFT相位损失的解决方法及系统。
背景技术
随着科学技术的发展，快速傅里叶算法在雷达信号处理、卫星通信、卫星导航等领域的应用前景越来越广泛，对数字信号处理系统的需求不断提升，因此，对快速傅氏变换(Fast Fourier Transformation，FFT)的性能也提出了更高的要求。工程中FFT的运算主要分为浮点FFT和定点FFT，其中浮点FFT对硬件资源和处理器速度的要求更高。因此，在无特殊需求的情况下采用定点FFT运算，但定点FFT运算精度相对较低并且会引入一定的相位误差。
发明内容
因此，本发明提供的种基于定点FFT相位损失的解决方法及系统，克服了现有技术中定点FFT处理引入的相位误差的缺陷。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种基于定点FFT相位损失的解决方法，包括：
获取待处理时域的输入信号；
将待处理时域的输入信号进行快速傅里叶变换，生成N个点数的频域信号，所述N个点数的频域信号，包括：高频信号、低频信号；
基于快速傅里叶变换的频域对称特征，通过深度为N/2个存储单元的数据缓存器，缓存N/2个的高频信号或N/2个的低频信号；
将N/2个高频或低频信号的实部信息、虚部信息进行频域对称处理；
基于实部信息、虚部信息，利用预设相位计算公式，生成相位信息。
在一实施例中，N＝2n，n为正整数。
在一实施例中，实部信息关于频率N/2-1轴对称，虚部信息关于(N/2-1,0)频点中心对称。
在一实施例中，如果数据缓存器中为低频信号，经频域对称后输出N点数据分别为：
Figure BDA0002599515540000021
Figure BDA0002599515540000022
其中，OUTI缓存实部信息的输出数据，OUTQ缓存虚部信息的输出数据，N为FFT选取的点数，DataBufferI、DataBufferQ均由深度为N/2的存储单元构成，i为FFT选取的点数。
在一实施例中，如果数据缓存器中为高频信号，经频域对称后输出N点数据分别为：
Figure BDA0002599515540000023
Figure BDA0002599515540000024
其中，OUTI缓存实部信息的输出数据，OUTQ缓存虚部信息的输出数据，N为FFT选取的点数，DataBufferI、DataBufferQ均由深度为N/2的存储单元构成，i为FFT选取的点数。
第二方面，本发明实施例提供一种基于定点FFT相位损失的解决系统，包括：
信号获取模块，用于获取待处理时域的输入信号；
频域转换模块，用于将待处理时域的输入信号进行快速傅里叶变换，生成N个点数的频域信号，所述N个点数的频域信号，包括：高频信号、低频信号；
缓存模块，用于基于快速傅里叶变换的频域对称特征，通过深度为N/2个存储单元的数据缓存器，缓存N/2个的高频信号或N/2个的低频信号；
频域对称模块，用于将N/2个高频或低频信号的实部信息、虚部信息进行频域对称处理；
相位计算模块，用于基于实部信息、虚部信息，利用预设相位计算公式，生成相位信息。
第三方面，本发明实施例提供一种终端，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行本发明实施例第一方面所述的基于定点FFT相位损失的解决方法。
第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行本发明实施例第一方面所述的基于定点FFT相位损失的解决方法。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的基于定点FFT相位损失的解决方法及系统，其中，基于快速傅里叶变换的频域对称特征，在针对工程化定点FFT处理引入的相位误差问题，提出了一种存储一半的频域信号并且将其转换为完全对称的频域信号输出的方式，消除定点FFT引入的相位损失，同时降低信号的能量损失。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于定点FFT相位损失的解决方法的一个具体示例的流程图；
图2A为本发明实施例提供的经过频域对称处理后输出数据实部的时域图；
图2B为本发明实施例提供的经过频域对称处理后输出数据虚部的时域图；
图3A为本发明实施例提供的未经过频域对称的输出数据实部的时域图；
图3B为本发明实施例提供的未经过频域对称的输出数据虚部的时域图；
图4为本发明实施例提供的一种基于定点FFT相位损失的解决系统的模块组成图；
图5为本发明实施例提供的一种终端一个具体示例的组成图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供的一种基于定点FFT相位损失的解决方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤S1：获取待处理时域的输入信号。
在本发明实施例中，待处理时域的输入信号包括：音频信号，图片信号，仅以此举例，不以此为限，在实际应用中选择相应的输入信号。
步骤S2：将待处理时域的输入信号进行快速傅里叶变换，生成N个点数的频域信号，所述N个点数的频域信号，包括：高频信号、低频信号。
在本发明实施例中，N＝2n，n为正整数。其中，输入信号为正弦波，选取N＝2048个点数进行快速傅里叶变换，信号幅度为128的实信号，经过快速傅里叶变换将待处理时域的输入信号变为频域信号。
步骤S3：基于快速傅里叶变换的频域对称特征，通过深度为N/2个存储单元的数据缓存器，缓存N/2个的高频信号或N/2个的低频信号。
在本发明实施例中，确定快速傅里叶变换的变换点数N，选取快速傅里叶变换之后的数据，基于快速傅里叶变换的频域对称特征，只缓存低频点数据0～N/2-1点或者高频点数据N/2～N-1点，另外一半数据无需缓存。
步骤S4：将N/2个高频或低频信号的实部信息、虚部信息进行频域对称处理。
在本发明实施例中，数据缓存器缓存信号的实部信息关于频率N/2-1轴对称，虚部信息关于(N/2-1,0)频点中心对称，因此在进行缓存时，只需缓存一半的数据，其它数据根据对称原理获取。
在本发明实施例中，如果数据缓存器中为低频信号，经频域对称后输出N点的数据分别为：
Figure BDA0002599515540000071
Figure BDA0002599515540000072
其中，OUTI缓存实部信息的输出数据，OUTQ缓存虚部信息的输出数据，N为FFT选取的点数，DataBufferI、DataBufferQ均由深度为N/2的存储单元构成，i为FFT选取的点数。
在本发明实施例中，如果数据缓存器中为高频信号，经频域对称后输出N点数据分别为：
Figure BDA0002599515540000073
Figure BDA0002599515540000074
其中，OUTI缓存实部信息的输出数据，OUTQ缓存虚部信息的输出数据，N为FFT选取的点数，DataBufferI、DataBufferQ均由深度为N/2的存储单元构成，i为FFT选取的点数。
实际中，在缓存低频分量时，只需要在DataBufferI和DataBufferQ中缓存0频点到N/2-1频点的数据，高频分量不需要缓存则直接丢弃，存储I支路数据的DataBufferI和存储Q支路数据的DataBufferQ工作方式相同，其中，I支路数据是关于频率N/2-1轴对称的，Q支路数据是关于(N/2-1,0)频点中心对称的，即I支路输出数据OUTI和Q支路输出的数据OUTQ为：
Figure BDA0002599515540000081
Figure BDA0002599515540000082
经过上述发明实施处理之后，如图2所示，对OUTI和OUTQ进行傅里叶逆变换的处理结果；使用该输入数据进行2048点的定点FFT和相同的傅里叶逆变换操作，如图3所示，未经过频域对称模块情况下的输出数据结果。对两者进行比较，得出结论：未经过本发明的定点FFT处理会带来一定的相位损失，经过本发明实施例提供的方法进行处理之后，消除了相位损失。
同时，对上述两种情况下信号的能量进行计算，公式如下：
Figure BDA0002599515540000083
其中，E为信号能量，N为FFT变换点数，x(n)为信号，n为信号选取点数。
输入信号的能量为1.6737e7，经过频域对称处理后能量为1.6691e7，未做相位误差消除操作情况下能量为1.6624e7。对比得出：经过频域对称处理操作后的总能量更接近于输入信号的能量，相比于未做任何处理的数据能量损失更小。
步骤S5：基于实部信息、虚部信息，利用预设相位计算公式，生成相位信息。
实际应用中，利用预设相位计算公式arctan(b/a)，a表示实部，b表示虚部，生成相位信息。
需要说明的是，本发明实施例不限于定点FFT处理方式、不限于定点FFT量化精度、不限于存储结构、不局限于实信号和复信号，使用范围广，具有广泛的应用前景，适用于任何定点FFT的信号处理系统，不仅可以应用于实信号处理，同样适用于复信号处理过程，可拓展性强，并且本实施例提供的方法具有较强移植性，能够移植到任何频域处理过程中。
本发明实施例中提供的基于定点FFT相位损失的解决方法，其中，基于快速傅里叶变换的频域对称特征，针对工程化定点FFT处理引入的相位误差问题，提出了一种存储一半的频域信号并且将其转换为完全对称的频域信号输出的方式，消除定点FFT引入的相位损失，同时降低信号的能量损失。
实施例2
本发明实施例提供一种分类器链标签序列的优化系统，如图4所示，包括：
信号获取模块1，用于获取待处理时域的输入信号；此模块执行实施例1中的步骤S1所描述的方法，在此不再赘述。
频域转换模块2，用于将待处理时域的输入信号进行快速傅里叶变换，生成N个点数的频域信号，所述N个点数的频域信号，包括：高频信号、低频信号；此模块执行实施例1中的步骤S2所描述的方法，在此不再赘述。
缓存模块3，用于基于快速傅里叶变换的频域对称特征，通过深度为N/2个存储单元的数据缓存器，缓存N/2个的高频信号或N/2个的低频信号；此模块执行实施例1中的步骤S3所描述的方法，在此不再赘述。
频域对称模块4，用于将N/2个高频或低频信号的实部信息、虚部信息进行频域对称处理；此模块执行实施例1中的步骤S4所描述的方法，在此不再赘述。
相位计算模块5，用于基于实部信息、虚部信息，利用预设相位计算公式，生成相位信息；此模块执行实施例1中的步骤S5所描述的方法，在此不再赘述。
本发明实施例提供一种基于定点FFT相位损失的解决系统，其中，基于快速傅里叶变换的频域对称特征，针对工程化定点FFT处理引入的相位误差问题，提出了一种存储一半的频域信号并且将其转换为完全对称的频域信号输出的方式，消除定点FFT引入的相位损失，同时降低信号的能量损失。
实施例3
本发明实施例提供一种终端，如图5所示，包括：至少一个处理器401，例如CPU(Central Processing Unit，中央处理器)，至少一个通信接口403，存储器404，至少一个通信总线402。其中，通信总线402用于实现这些组件之间的连接通信。其中，通信接口403可以包括显示屏(Display)、键盘(Keyboard)，可选通信接口403还可以包括标准的有线接口、无线接口。存储器404可以是高速RAM存储器(Random Access Memory，易挥发性随机存取存储器)，也可以是非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器404可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器401的存储装置。其中处理器401可以执行实施例1中的基于定点FFT相位损失的解决方法。存储器404中存储一组程序代码，且处理器401调用存储器404中存储的程序代码，以用于执行实施例1中的基于定点FFT相位损失的解决方法。其中，通信总线402可以是外设部件互连标准(peripheral componentinterconnect，简称PCI)总线或扩展工业标准结构(extended industry standardarchitecture，简称EISA)总线等。通信总线402可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图5中仅用一条线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。其中，存储器404可以包括易失性存储器(英文：volatile memory)，例如随机存取存储器(英文：random-access memory，缩写：RAM)；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatile memory)，例如快闪存储器(英文：flashmemory)，硬盘(英文：hard disk drive，缩写：HDD)或固降硬盘(英文：solid-state drive，缩写：SSD)；存储器404还可以包括上述种类的存储器的组合。其中，处理器401可以是中央处理器(英文：central processingunit，缩写：CPU)，网络处理器(英文：network processor，缩写：NP)或者CPU和NP的组合。
其中，存储器404可以包括易失性存储器(英文：volatile memory)，例如随机存取存储器(英文：random-access memory，缩写：RAM)；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatile memory)，例如快闪存储器(英文：flash memory)，硬盘(英文：hard diskdrive，缩写：HDD)或固态硬盘(英文：solid-state drive，缩写：SSD)；存储器404还可以包括上述种类的存储器的组合。
其中，处理器401可以是中央处理器(英文：central processing unit，缩写：CPU)，网络处理器(英文：network processor，缩写：NP)或者CPU和NP的组合。
其中，处理器401还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路(英文：application-specific integrated circuit，缩写：ASIC)，可编程逻辑器件(英文：programmable logic device，缩写：PLD)或其组合。上述PLD可以是复杂可编程逻辑器件(英文：complex programmable logic device，缩写：CPLD)，现场可编程逻辑门阵列(英文：field-programmable gate array，缩写：FPGA)，通用阵列逻辑(英文：generic arraylogic,缩写：GAL)或其任意组合。
可选地，存储器404还用于存储程序指令。处理器401可以调用程序指令，实现如本申请执行实施例1中的基于定点FFT相位损失的解决方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行实施例1中的基于定点FFT相位损失的解决方法。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard DiskDrive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种基于定点FFT相位损失的解决方法，其特征在于，包括：
获取待处理时域的输入信号；
将待处理时域的输入信号进行快速傅里叶变换，生成N个点数的频域信号，所述N个点数的频域信号，包括：高频信号、低频信号；
基于快速傅里叶变换的频域对称特征，通过深度为N/2个存储单元的数据缓存器，缓存N/2个的高频信号或N/2个的低频信号；
将N/2个高频或低频信号的实部信息、虚部信息进行频域对称处理；
基于实部信息、虚部信息，利用预设相位计算公式，生成相位信息。
2.根据权利要求1所述的基于定点FFT相位损失的解决方法，其特征在于，N＝2n，n为正整数。
3.根据权利要求1或2所述的基于定点FFT相位损失的解决方法，其特征在于，实部信息关于频率N/2-1轴对称，虚部信息关于(N/2-1,0)频点中心对称。
4.根据权利要求3所述的基于定点FFT相位损失的解决方法，其特征在于，如果数据缓存器中为低频信号，经频域对称后输出N点数据分别为：
Figure FDA0002599515530000011
Figure FDA0002599515530000012
其中，OUTI缓存实部信息的输出数据，OUTQ缓存虚部信息的输出数据，N为FFT选取的点数，BataBufferI、BataBufferQ均由深度为N/2的存储单元构成，i为FFT选取的点数。
5.根据权利要求3所述的基于定点FFT相位损失的解决方法，其特征在于，如果数据缓存器中为高频信号，经频域对称后输出N点数据分别为：
Figure FDA0002599515530000021
Figure FDA0002599515530000022
其中，OUTI缓存实部信息的输出数据，OUTQ缓存虚部信息的输出数据，N为FFT选取的点数，BataBufferI、BataBufferQ均由深度为N/2的存储单元构成，i为FFT选取的点数。
6.一种基于定点FFT相位损失的解决系统，其特征在于，包括：
信号获取模块，用于获取待处理时域的输入信号；
频域转换模块，用于将待处理时域的输入信号进行快速傅里叶变换，生成N个点数的频域信号，所述N个点数的频域信号，包括：高频信号、低频信号；
缓存模块，用于基于快速傅里叶变换的频域对称特征，通过深度为N/2个存储单元的数据缓存器，缓存N/2个的高频信号或N/2个的低频信号；
频域对称模块，用于将N/2个高频或低频信号的实部信息、虚部信息进行频域对称处理；
相位计算模块，用于基于实部信息、虚部信息，利用预设相位计算公式，生成相位信息。
7.一种终端，其特征在于，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行权利要求1-5任一所述的基于定点FFT相位损失的解决方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求1-5任一所述的基于定点FFT相位损失的解决方法。
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