CN112198365A - 一种实时频谱监测设备的实现方法 - Google Patents

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吕晨阳
王�琦
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Abstract

本发明提出了一种实时频谱监测设备的实现方法。设备包含信号处理板和x86计算机二个部分，信号处理板和X86计算机之间通过万兆网相连。信号处理板对输入的信号进行多路FFT并行运算得到信号频谱，并计算信号频谱平均功率、最大功率及相应的时域参数，x86计算机接收频谱数据，完成信号瀑布图和频谱概率密度图的统计和显示。

Description

一种实时频谱监测设备的实现方法
技术领域
本发明涉及属于电子信号侦测实时频谱监测技术领域。
背景技术
安捷伦、泰克等仪表厂商生产的实时频谱仪设备，为独立台式仪表，仪表内部集成AD、处理器和显示器，采用单台仪器即可完成实时频谱的测量和显示。在电子信号侦测领域，装备中需要集成实时频谱监测功能，如采用频谱仪仪表设备，可满足非实时的频谱监测需求，但存在100％截获概率最低信号持续时间地要求，如泰克的型号为2us信号持续时间100％截获，不能满足连续实时对信号截获处理的要求；另外实时频谱仪仪表提供的瀑布图和概率密度统计余晖图，提供了一定的实时性，但对信号的时间维度的测量指标达不到电子信号侦察的需求。
发明内容
本发明针对实时频谱分离设计易于集成和无条件100％截获概率和强实时性需求，提出一种实时频谱监测设备的实现方法。
本发明是通过以下技术实现的：
一种实时频谱监测设备的实现方法，包括信号处理板和X86显示计算机，信号处理板和X86计算机通过万兆网络相连。信号处理板包含信号处理的FPGA信号和高速AD芯片，高速AD芯片将模拟信号数字化后输出至FPGA信号处理，信号处理通过多路并行FFT核对信号频谱进行测量，并利用累计处理算法对信号进行处理，输出频谱数据。
进一步的，利用FPGA完成频谱的最大值和平均值的累积运算，对每一个频点存储最大值的时间戳保持频谱信息的实时性，同时降低数据的传输量和后端显示处理软件的处理量。；
进一步的，利用多路FFT模块并行运算，保证信号处理在时间上面是连续的，实现对信号的100％截获概率；
进一步的，频谱信息输出利用FPGA直接驱动万兆网接口，FPGA内利用HDL实现IP/UDP/ARP协议完成数据传输。
本发明的优点为：
1、将实时频谱仪分解成两个在物理上面分离但又易于连接的两个部分，可以按照现有的装备中的标准基于背板的结构中，同时利用万兆网络连接，处理计算机可为实体的计算机也可以为云上的虚拟主机；
2、本发明针保留了传统实时频谱的功能外对频谱的实时性进行了优化设计，可以在多帧的平滑处理后保留原始的时域精度；
3、本发明实现的对信号的无条件的100％截获概率，对短时突发信号具有全截获的优点。
附图说明
图1为设备整体实现的原理框图；
图2为实时频谱中实现高实时性的峰值时间戳的实现方法。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实现过程作进一步的解释说明。
如图1所示，中频信号经过AD转换成数字信号输入到FPGA，因FPGA内部逻辑时钟达不到AD转换的数据速率，需要对AD数据进行多路的并行传输和处理。将AD数据在时间上面进行交织，进行并行传输。FPGA内利用FFT运算进行实时频谱的生成，FFT运算需要在时间上连续的数据流，同时为保持100％的截获概率和对FPGA与AD速率的差值进行匹配，设置多路并行的FFT模块，共同完成实时频谱的生成。数据的变换首先根据数据速率和FPGA处理速率差进行数据多路交织的计算。本发明实施中采用的AD采样率为1600MHz，FPGA的处理时钟速率为200MHz，计算得到数据传输需要进行8路并行交织，同时需要8路FFT模块并行的进行频谱计算，本发明在实现过程中采用的FFT点数为1024点，利用数据选择器和8路FIFO存储器分别顺序的将1024个点存入8路FIFO中，此时的FIFO内的数据为并行模式，利用并串转换将数据输出成顺序格式。
对频谱信号的平滑处理方法如图2所示，FFT模块会在时钟的作用下顺序地输出频谱数据，为降低资源消耗，采用多路FFT输出数据同步统计的方式，共享同一统计空间，利用FIFO对多路FFT输出结果进行对齐。对频谱进行的预处理包括对统计时间间隔内的频谱平均值的计算和频谱峰值的计算，将FFT模块输出的复数信号首先转换成包络信号，平均值和峰值运算对每一个频谱内1024点的每一个点进行，利用一个1024点的RAM存储器，每次频谱输出的结果和存储器中的数据进行运算，并将运算结果存回RAM存储器。平均值运算将多路FFT输出的结果进行累计并与RAM中读出的相同频点的数据进行累计并存入RAM中。峰值运算首先确定多路FFT输出的频谱值的最大值，并将该值与RAM中同样频点位置的值进行比较，如最新的频率处幅度值大于RAM内存储的值，即更新RAM中的最大值，同时将当前的时间戳写入RAM中时间戳存储位置中。
在到达了设置的频谱预先处理时间后，读出当前的RAM中的结果，并写入另外一个缓冲区中。利用FPGA中的万兆网，通过UDP协议将数据输出给X86计算机进行处理。
X86计算机完成实时频谱数据的接收和显示，利用频谱峰值实现信号统计和瀑布图显示，将每一次统计结果中的最大值通过颜色在水平方向显示为一条线，同时在时间上面至上而下在最上面进行更新。瀑布图在水平方向为频率，垂直方向为时间，颜色为频率对应的信号强度，同时可显示频谱的时域信息；利用平均值进行概率密度值的统计，将每一个频谱显示为二维的曲线，将二维的曲线进行叠加得到频谱的概率密度图。

Claims (4)

1.一种实时频谱监测设备的实现方法，其特征在于：所述设备包括信号处理板和X86计算机，信号处理板和X86计算机通过万兆网络相连；其中所述信号处理板包含信号处理的FPGA信号和高速AD芯片，高速AD芯片将模拟信号数字化后输出至FPGA进行信号处理，通过多路并行FFT核对信号频谱进行测量并输出频谱数据。
2.根据权利要求1所述的一种实时频谱监测设备的实现方法，其特征在于：利用FPGA完成信号频谱功率的最大值和平均值的累积运算，对每一个频点存储最大值的时间戳保持频谱信息的实时性，同时降低数据的传输量和后端显示处理软件的处理量。
3.根据权利要求1所述的一种实时频谱监测设备的实现方法，其特征在于：利用多路FFT模块并行运算，保证在时域上对信号连续处理。
4.根据权利要求1所述的一种实时频谱监测设备的实现方法，其特征在于：频谱信息输出利用FPGA直接驱动万兆网络接口，FPGA内利用HDL实现IP/UDP/ARP协议完成数据传输。
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