CN111931669B - 一种太阳射电观测系统的信号自适应截位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳射电观测系统的信号自适应截位方法及系统，包括：根据宁静太阳射电时的观测信号设置初始截位和比较阈值；将太阳射电爆发时间段的观测信号经最大绝对值累积平均处理后的平均值作为当前时间段的太阳能量上限值；根据太阳能量上限值与比较阈值的比较结果，对当前截位的位数进行调整，得到太阳射电观测系统所需的有效数据位，以此对太阳射电进行观测。根据太阳射电观测系统所观测到的在宁静太阳射电和太阳射电爆发两个状态时的能量差异，通过当前时间段的太阳能量上限值与阈值的比较，控制截位变化实现对不同强度太阳信号的高精度观测。

Description

一种太阳射电观测系统的信号自适应截位方法及系统

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，特别是涉及一种太阳射电观测系统的信号自适应截位方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

FPGA内部的截位方法主要有直接截位、补偿截位以及自适应截位法三种。直接截位即直接保留所需有效数据位，对其余数据位直接舍弃，该方式占用资源最少，实现简单，是FPGA进行数字信号处理时最常用的截位方式；但该方式会产生截位误差，数字信号处理中的数据截位误差是由于截位后的近似方法导致，对于正数和负数来说，截位所做的近似是向下取整，导致出现直流偏置。

目前，有文献考虑到对误差的抑制程度，以及方法的复杂度和实时性等因素，提出一种在截位前先对信号进行补偿，再进行直接截位的方法，来抑制截位误差；具体实验步骤：假定截位位数为N，先判断数据的符号，若为正，则将数据加上2^n-1，若为负，则将数据加上2^n-1-1，最后截掉数据的低N位；通过对数据进行补偿，降低了截位误差，该方法截位位数固定，在一定程度上减少了截位误差。

现有技术中还公开了应用于直接序列扩频通信系统的基于最大绝对值累积平均和栅格比较的自适应截位方法，该方法将需要处理的连续信号进行分段；对每段数据求绝对值，找出最大的绝对值，并求最大绝对值的累积平均值，这种计算方法可以节省大量的资源；根据需要截取的位数，设计栅格比较器，通过利用栅格比较器对累计平均值的判断得到截位方式；对数据进行截位，然后拼接，送到下一级处理；该方法不需要存储每一段数据的最大绝对值，因此节省了大量的资源，采用近似方法求累计平均值，一定程度上减少了计算量，利用栅格比较器可以有效提高截位的灵敏度和精度，可适用各种数据类型，适合实时处理通信系统的要求。

还有文献提出高数据位宽的截位是一个高量化精度向低量化精度转换的过程，转换过程中由于量化阶的减少，描述相邻两个样点之间信号细节的信息也随之减少，导致高量化精度信号多个采样点代表的连续变化信息变为一级没有变化的阶梯，导致明显的谐波失真，引入尖峰噪声，降低转换后信号的SFDR；文中指出在高量化精度信号中加入Dither信号后再截位可以有效降低直接截位误差中的谐波失真，并对这一现象进行了理论分析和MATLAB仿真，仿真结果表明加入Dither信号后再进行截位，可以提高低量化精度信号的动态范围。

当前，在太阳射电观测系统中，高速高精度ADC采集卡的应用使得采集的数据量极大增加，而FPGA内部资源有限，在FPGA有限资源内对信号实现数字信号处理，并得到较为准确的结果，就必须对数据进行截位。

但是，发明人发现，在现有的截位方式中，直接截位会产生较大的截位误差；补偿截位方式截取位数固定，因此在可观测功率范围方面具有限制性；而基于最大绝对值累积平均和栅格比较的自适应截位方法则可以实现观测功率的范围的变化，但该方式需要所观测信号具有一定的特性，并且分段进行不同截位，不利于太阳射电观测系统对观测信号数值的标定，影响频谱数据的后期分析；引入Dither信号后再进行截位，增加了观测信号的噪声来源，增加了太阳射电观测系统后期数据处理的难度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种太阳射电观测系统的信号自适应截位方法及系统，根据太阳射电观测系统所观测到的在宁静太阳射电和太阳射电爆发两个状态时的能量差异，通过当前时间段的太阳能量上限值与阈值的比较，控制截位变化实现对不同强度太阳信号的高精度观测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种太阳射电观测系统的信号自适应截位方法，包括：

根据宁静太阳射电时的观测信号设置初始截位和比较阈值；

将太阳射电爆发时间段的观测信号经最大绝对值累积平均处理后的平均值作为当前时间段的太阳能量上限值；

根据太阳能量上限值与比较阈值的比较结果，对当前截位的位数进行调整，得到太阳射电观测系统所需的有效数据位，以此对太阳射电进行观测。

第二方面，本发明提供一种太阳射电观测系统的信号自适应截位系统，包括：

初始模块，用于根据宁静太阳射电时的观测信号设置初始截位和比较阈值；

处理模块，用于将太阳射电爆发时间段的观测信号经最大绝对值累积平均处理后的平均值作为当前时间段的太阳能量上限值；

调整模块，用于根据太阳能量上限值与比较阈值的比较结果，对当前截位的位数进行调整，得到太阳射电观测系统所需的有效数据位，以此对太阳射电进行观测。

第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述的方法。

第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明根据太阳射电观测系统所观测到的在宁静太阳射电和太阳射电爆发两个状态时的能量差异，改进FPGA内部截位方法，针对性的解决太阳射电观测中因截位误差产生的影响，提高太阳射电观测系统的灵敏度和测量精度。

本发明的自适应截位方法，涉及太阳在平静与爆发状态以及两者之间的转换过程，在上位机与FPGA之间添加反馈判断机制，在FPGA内部通过自检模块实现对FPGA内部的截位情况的修改，以实现在对不同能量级别太阳信号的观测时，FPGA内部进行自适应截位。

本发明的反馈判断机制通过当前时间段的太阳能量上限值与阈值的比较控制FPGA自检模块的工作来实现的，通过控制截位变化实现对不同强度太阳信号的高精度观测，提高测量的灵敏度。

本发明中针对太阳射电观测系统中数字信号处理后的频谱数据进行处理，仅考虑输出幅度数值时的截位情况，由于进行了平方和运算，因此无需考虑截位影响的极性改变情况。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为传统太阳射电观测系统信号处理流程示意图；

图2为本发明实施例1提供的太阳射电观测系统的信号自适应截位方法流程示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

太阳射电观测系统是通过对太阳频谱数据的观测分析，来对太阳活动现象进行研究，太阳射电包括三种状态，即宁静太阳射电、太阳缓变射电和太阳射电爆发，太阳射电爆发与宁静太阳射电两种状态下的能量是不同的，不同频率、不同爆发类型，其能量与平静状态相比增大的倍数也不同，例如Ⅱ型爆发具有很高的强度，通常超过宁静太阳射电辐射100～1000倍。

如图1所示为传统的太阳射电观测系统信号处理流程，包括：天线接收太阳射电观测信号后，经模拟前端进行放大滤波混频等处理，然后由ADC将处理后的模拟信号转换成数字信号传输到FPGA中，在FPGA中完成加窗以及FFT等各种数字信号处理，最后将所得的频谱数据上传到上位机中显示并进行下一步处理。

而如上述所述，太阳在爆发和平静时存在很大的能量差异，故，在本实施例中，基于太阳在爆发与平静时的能量差异，提出一种太阳射电观测系统的信号自适应截位方法，如图2所示，在太阳平静与爆发状态时实现两者之间的转换，通过改善FPGA内部截位方法，提高太阳射电观测系统的灵敏度和测量精度，具体包括：

S1：根据宁静太阳射电时的观测信号设置初始截位和比较阈值；

S2：将太阳射电爆发时间段的观测信号经最大绝对值累积平均处理后的平均值作为当前时间段的太阳能量上限值；

S3：根据太阳能量上限值与比较阈值的比较结果，对当前截位的位数进行调整，得到太阳射电观测系统所需的有效数据位，以此对太阳射电进行观测。

所述步骤S1中，在宁静太阳射电状态时，接收当前太阳能量的观测信号，在FPGA内部设置初始截位，使其可以较好观测平静状态下的太阳活动。

所述步骤S1中，所述比较阈值的设定包括：在初始截位下，接收机观测当前太阳能量的上限，取该上限能量的一半作为比较阈值。

所述步骤S2中，所述最大绝对值累积平均处理包括：

在FPGA中，对太阳射电爆发时间段的观测信号经过加窗以及FFT等数字信号处理后，将所得的频谱数据以数据帧结构的形式上传到上位机中；

在上位机中对每一帧的数据进行统计，求出每一帧数据的最大绝对值；

随机抽取一定时间内的数据帧，并将每一帧内的最大值累加求平均，将该平均值作为当前时间内太阳能量上限值。

所述步骤S3中，将太阳能量上限值与比较阈值进行比较，若前者小于后者，则保持当前截位；

否则，则表明检测到的太阳能量接近或超过接收机当前截位情况下可测量太阳能量的上限值，上位机发送标志位0到FPGA的自检模块，启动自检模式。

所述步骤S3中，所述自检模式包括：

对观测信号的每一组频谱数据进行校验，对每一个频谱数据的当前有效数据位的最高4位进行校验，当检测到频谱数据的有效数据位中最高4位均为1时，则表明当前截位不满足要求，此时在保留位宽不变的基础上舍弃当前有效数据位的低3位，而向高位多取3位，操作结束后向上位机发送截位改变的标志位1，表明数据位数向高位多取3位完成，便于后期数据统计以及有效性的判断；

若检测到前4位均为0的情况，则表明当前截位舍去低位过多，此时在保留位宽不变的基础上向低位多取3位，舍弃高3位，并发送标志位2，表明数据位数向低位多取3位完成，便于上位机数据统计及后期数据整理；

当检测到前4位不全为1也不全为0时，则保留当前截位情况，向上位机发送标志位3，表明截位情况未改变。

本实施例针对太阳射电观测系统中的截位方法的改进，通过在上位机与FPGA之间添加反馈判断机制，实现对信号观测时FPGA内部的自适应截位，得到太阳射电观测系统所需的截位数据，根据截位数据得到太阳所处状态，或在太阳射电爆发状态时的爆发类型，实现不同能量级别、不同强度的太阳信号的高精度观测。

实施例2

本实施例提供一种太阳射电观测系统的信号自适应截位系统，包括：

初始模块，用于根据宁静太阳射电时的观测信号设置初始截位和比较阈值；

处理模块，用于将太阳射电爆发时间段的观测信号经最大绝对值累积平均处理后的平均值作为当前时间段的太阳能量上限值；

调整模块，用于根据太阳能量上限值与比较阈值的比较结果，对当前截位的位数进行调整，得到太阳射电观测系统所需的有效数据位，以此对太阳射电进行观测。

此处需要说明的是，上述模块对应于实施例1中的步骤S1至S3，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。

在更多实施例中，还提供：

一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器优先选择现场可编程逻辑门阵列FPGA，可以理解的，还可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1中所述的方法。

实施例1中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明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发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种太阳射电观测系统的信号自适应截位方法，其特征在于，包括：

根据宁静太阳射电时的观测信号设置初始截位和比较阈值；其中，设置初始截位用于观测平静状态下的太阳活动；所述比较阈值为在初始截位下，根据宁静太阳射电时的上限能量，取该上限能量的一半作为比较阈值；

将太阳射电爆发时间段的观测信号经最大绝对值累积平均处理后的平均值作为当前时间段的太阳能量上限值；所述最大绝对值累积平均处理包括：对太阳射电爆发时间段的观测信号的每一帧数据进行统计，得到每一帧数据的最大绝对值；将每一帧数据的最大值绝对值累加求平均后，将得到的平均值作为当前时间段的太阳能量上限值；

根据太阳能量上限值与比较阈值的比较结果，对当前截位的位数进行调整，得到太阳射电观测系统所需的有效数据位，以此对太阳射电进行观测；

所述根据太阳能量上限值与比较阈值的比较结果包括：将太阳能量上限值与比较阈值进行比较，若前者小于后者，则保持当前截位；否则，启动自检模式；

所述自检模式包括：对太阳射电爆发时间段的观测信号的频谱数据进行校验，对频谱数据的高4位进行校验，若高4位均为1时，则在保留位宽不变的基础上舍弃原有效数据位的低3位，向高位多取3位；若高4位均为0时，则在保留位宽不变的基础上向低位多取3位，舍弃高3位；若高4位不全为1也不全为0时，则保留当前截位。

2.一种太阳射电观测系统的信号自适应截位系统，其特征在于，包括：

初始模块，用于根据宁静太阳射电时的观测信号设置初始截位和比较阈值；其中，设置初始截位用于观测平静状态下的太阳活动；所述比较阈值为在初始截位下，根据宁静太阳射电时的上限能量，取该上限能量的一半作为比较阈值；

处理模块，用于将太阳射电爆发时间段的观测信号经最大绝对值累积平均处理后的平均值作为当前时间段的太阳能量上限值；所述最大绝对值累积平均处理包括：对太阳射电爆发时间段的观测信号的每一帧数据进行统计，得到每一帧数据的最大绝对值；将每一帧数据的最大值绝对值累加求平均后，将得到的平均值作为当前时间段的太阳能量上限值；

调整模块，用于根据太阳能量上限值与比较阈值的比较结果，对当前截位的位数进行调整，得到太阳射电观测系统所需的有效数据位，以此对太阳射电进行观测；

所述根据太阳能量上限值与比较阈值的比较结果包括：将太阳能量上限值与比较阈值进行比较，若前者小于后者，则保持当前截位；否则，启动自检模式；

所述自检模式包括：对太阳射电爆发时间段的观测信号的频谱数据进行校验，对频谱数据的高4位进行校验，若高4位均为1时，则在保留位宽不变的基础上舍弃原有效数据位的低3位，向高位多取3位；若高4位均为0时，则在保留位宽不变的基础上向低位多取3位，舍弃高3位；若高4位不全为1也不全为0时，则保留当前截位。

3.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1所述的方法。

4.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1所述的方法。

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