CN113438043A - 基于fpga实现的宽带频谱监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FPGA实现的宽带频谱监测系统及系统，该系统包括时钟管理模块、AD转换模块、数据处理频谱监测模块、上位机；所述时钟管理模块分别与AD转换模块、数据处理频谱监测模块连接，用于提供工作时钟；所述AD转换模块与数据处理频谱监测模块连接，用于将接收到的宽带模拟信号转换为离散数字信号，并送入数据处理频谱监测模块；所述数据处理频谱监测模块与上位机连接，用于将采样后的离散数字信号进行宽带频谱监测处理，并将处理后的数据组成信息帧格式通过网口传送至上位机。本发明能够以提高系统的分辨率和灵敏度，减小硬件资源消耗，在宽带数字信道化技术下实现宽带频谱感知，提高系统的处理能力，大大降低了计算量。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于FPGA实现的宽带频谱监测系统及方法。
背景技术
现代通信接收侦查设备所监测的环境越来越复杂，用于军事用途的通信设备，其所在的工作环境复杂特殊，传统的接收系统已经不能满足要求，其特殊的通信环境对通信设备提出了更高的要求,在抗干扰通信中设备要能全时刻全频段监测信道，并且确定某一频段是否存在干扰。对于宽带频谱监测系统最关键的就是接收机，数字接收机系统成为了传统接收系统的替换者，而信道化技术是数字接收机的关键技术之一，理想宽带侦查接收机必须在监测频段内快速精确的侦察到各种信号，并能达到实时处理。
常规的宽带侦察接收机不能同时满足上述性能要求。晶体视频接收机灵敏度通常很低，动态范围低，超外差接收机随着带宽的增加其测量精度、灵敏度等都会大幅的降低，瞬时信号测量接收机在宽带接受中灵敏度低而且不能适应多信号，宽带数字信道化接收机能够实现以上要求，具有高分辨率、瞬时检测带宽宽、高灵敏度和多信号处理能力等优势，因此宽带信道化数字接收机技术在近几年的市场上发展迅猛。
随着数字无线电通信侦查设备日益增多，通信接收侦查设备工作要达到的要求测量精度越来越高。国外的宽带数字信道化技术相对比较成熟，一些性能比较优越的数字信道化接收机已经得到应用。例如，WPM2数字接收机，该接收机的主要硬件结构为六片数字下变频芯片，具有四个70MSPS/14bit的数据输入端口，码元速率达到2.188Mbps，同时处理24个子信道。还有ECDR—GC812接收机，最大处理带宽为250MHz。相比之下，国内的信道化处理技术的发展落后，技术指标相对较低。国内的宽带数字信道化处理方法主要有两种：一种是采用高性能的下变频芯片来实现，另一种是在FPGA或DSP硬件平台上构建接收机系统。如北理工研发的信道化接收系统，其最高处理频率为25MHz中频信号，硬件主要芯片就是使用了HSP50216芯片。中国电科38所利用FPGA硬件平台开发了一套数字接收系统，该系统能同时处理5个子信道。国内数字接收机研发处于初始阶段，技术指标不高，系统参数可变性差，工艺水平落后于国外。传统的信道化方法存在一些弊端，如抽取操作是在滤波之后，对减少计算量没有贡献。每个子信道都是同等阶数的低通滤波器，硬件实现资源利用率不高，而且当划分的信道数很多时，低通滤波器的阶数将会变大，工程上将难以实现。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供一种基于FPGA实现的宽带频谱监测系统，该系统包括时钟管理模块、AD转换模块、数据处理频谱监测模块、上位机；
所述时钟管理模块分别与AD转换模块、数据处理频谱监测模块连接，用于提供工作时钟；
所述AD转换模块与数据处理频谱监测模块连接，用于将接收到的宽带模拟信号转换为离散数字信号，并送入数据处理频谱监测模块；
所述数据处理频谱监测模块与上位机连接，用于将采样后的离散数字信号进行宽带频谱监测处理，并将处理后的数据组成信息帧格式通过网口传送至上位机。
上述方案中，所述数据处理频谱监测模块包括数据预处理模块、数字化信道模块、功率谱计算模块、数据上传模块；
所述数据预处理模块与数字化信道模块连接，用于对AD转换模块获得的离散数字信号进行降速和分路处理获得宽带信号，并将所述宽带信号送入数字信道化模块；
所述数字信道化模块与功率谱计算模块连接，用于将获得的宽带信号进行多相滤波，获得16路的多相时域数据并且输出到功率计算模块；
所述功率计算模块与数据上传模块连接，用于将16路的多相时域数据进行功率谱计算，并将计算得到的功率谱结果进行多次融合，将融合后的数据送至数据上传模块；
所述数据上传模块与上位机连接，用于将融合后的数据重新组成感知信息帧，在收到上位机下发的命令后，通过网口将含有数据的感知信息帧上传至上位机得到频谱监测的实时显示。
上述方案中，所述数据预处理模块，具体用于将高速数据通过LVDS变成低速数据，将数据分成16路低速宽带信号。
上述方案中，所述数字信道化模块，具体用于将路低速宽带信号进行信道化划分，并基于多相滤波结构实现数字信道化，把整个采样带宽0～Fs/2均匀的划分为若干信道输出。
上述方案中，所述数字信道化模块，具体用于采用实信号的单边谱进行50％重叠的信道划分，输出的D个信道化信号都是正交的复时域信号。
本发明实施例还提供一种基于FPGA实现的宽带频谱监测方法，该方法为：
将收到的宽带模拟信号转换为离散数字信号；
对所述离散数字信号进行宽带频谱监测处理，并将处理后的数据组成信息帧格式。
上述方案中，所述对所述离散数字信号进行宽带频谱监测处理，并将处理后的数据组成信息帧格式，具体为：将高速数据通过LVDS变成低速数据，将数据分成16路低速宽带信号，将16路低速宽带信号进行信道化划分，并基于多相滤波结构实现数字信道化，把整个采样带宽0～Fs/2均匀的划分为若干信道输出；采用实信号的单边谱进行50％重叠的信道划分，获得16路的多相时域数据；将16路的多相时域数据进行功率谱计算，并将计算得到的功率谱结果进行多次融合，将融合后的数据重新组成感知信息帧，在收到上位机下发的命令后，通过网口将含有数据的感知信息帧上传至上位机得到频谱监测的实时显示。
上述方案中，所述基于多相滤波结构实现数字信道化，具体为：利用低通滤波器组实现，hLP(n)原型低通滤波器的频率响应为：
本振角频率
把第K个子信道的输入信号进行混频，并将该信道内的中频信号搬移至零频，然后通过低通滤波器滤出对应信道的基带信号；
第K路信道的输出为：
令
其中
把
带入可得：
则有
把
带入上式可得：
式中，
DFT表示离散傅里叶变换，通过16点蝶型运算来实现该离散傅里叶变换，获得输出D路的实信号的多相滤波信道化接收机的结构模型。
上述方案中，该方法还包括对噪声进行功率谱进行均值计算得到门限值γ，然后对收到的信号和噪声进行能量统计得到信号加噪声的能量T，得到如果T>γ，则判断为有信号，否则判断没有信号。
与现有技术相比，本发明能够以提高系统的分辨率和灵敏度，减小硬件资源消耗，在宽带数字信道化技术下实现宽带频谱感知，提高系统的处理能力，大大降低了计算量。
附图说明
此处所说明的附图用来公开对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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。在附图中：
图1是本发明的系统框图；
图2是本发明中的实信号滤波器组的低通实现结构图；
图3本发明中的50％重叠的信道化分方式原理图；
图4本发明中的多相滤波结构原理图；
图5是本发明中的宽带频谱监测的上位机显示结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
本发明实施例提供一种基于FPGA实现的宽带频谱监测系统，如图1所示，该系统包括时钟管理模块1、AD转换模块2、数据处理频谱监测模块3、上位机4；
所述时钟管理模块1分别与AD转换模块2、数据处理频谱监测模块3连接，用于提供工作时钟；
所述AD转换模块2与数据处理频谱监测模块3连接，用于将接收到的宽带模拟信号转换为离散数字信号，并送入数据处理频谱监测模块3；
所述数据处理频谱监测模块3与上位机4连接，用于将采样后的离散数字信号进行宽带频谱监测处理，并将处理后的数据组成信息帧格式通过网口传送至上位机4。
所述数据处理频谱监测模块3包括数据预处理模块31、数字化信道模块32、功率谱计算模块33、数据上传模块34；
所述数据预处理模块31与数字化信道模块32连接，用于对AD转换模块2获得的离散数字信号进行降速和分路处理获得宽带信号，并将所述宽带信号送入数字信道化模块32；
所述数字信道化模块32与功率谱计算模块33连接，用于将获得的宽带信号进行多相滤波，获得16路的多相时域数据并且输出到功率计算模块33；
所述功率计算模块33与数据上传模块34连接，用于将16路的多相时域数据进行功率谱计算，并将计算得到的功率谱结果进行多次融合，将融合后的数据送至数据上传模块34；
所述数据上传模块34与上位机4连接，用于将融合后的数据重新组成感知信息帧，在收到上位机4下发的命令后，通过网口将含有数据的感知信息帧上传至上位机4得到频谱监测的实时显示。
所述数据预处理模块31，具体用于将高速数据通过LVDS变成低速数据，将数据分成16路低速宽带信号。
所述数字信道化模块32，具体用于将16路低速宽带信号进行信道化划分，并基于多相滤波结构实现数字信道化，把整个采样带宽0～Fs/2均匀的划分为若干信道输出。
实信号多相滤波结构的实现如下：
参照图2，在实信号的信道化划分是利用低通滤波器组实现的，图中hLP(n)原型低通滤波器的频率响应为：
图中的本振角频率
实现把第K个子信道的输入信号进行混频，并将该信道内的中频信号搬移至零频，然后通过低通滤波器滤出对应信道的基带信号。
由图2所示的第K路信道的输出为(推导式中h(n)代表hLP(n))：
令
其中
把
带入可得：
则有
把
带入上式可得：
式中，
DFT表示离散傅里叶变换，可用FFT快速实现。在此利用16点蝶型运算来实现该离散傅里叶变换。根据以上第K路输出数学公式推导过程，可以得到输出D路的实信号的多相滤波信道化接收机的结构模型。
在实信号进行信道划分时，只使用实信号的单边谱来划分信道，参考图3实现50％重叠的信道划分方法，可以实现在工作的较宽的频带内实现全概率的频谱监测。实信号信道化接收机最终输出的D个信道化信号都是正交的复时域信号。实信号信道化分时采用的是50％信道重叠的，而且一个子信道滤波器的通带和过渡带带宽一样，也就是信道滤波器的矩形系数为2，通带带宽为
则过渡带带宽也为
信号带宽为
所以进行D倍的抽取，改进后的实信号多相滤波结构的信道化接收机结构模型如图4所示。
所述数字信道化模块32，具体用于采用实信号的单边谱进行50％重叠的信道划分，输出的D个信道化信号都是正交的复时域信号。
所述的功率谱计算模块33用于将经过数字信道化模块输出的时域数据进行2048点FFT计算得到频域数据，为了实现16个信道中的每个信道的数据能够不重复，不漏传，在进行完2048点FFT计算后要在相应未上传的时间等待，并在此期间进行数据的融合平均。在收到上位机模块的上传命令后将融合平均得到的频域数据进行送至数据上传模块34。
所述的数据上传模块34用于对要上传的数据进行组帧，并将数据上传至上位机4中，完成宽带频谱监测系统。根据感知信息帧的结构，除去规定部分外，数据部分共有1030bit，并且在频域数据上传过程中每个信道会发送2帧数据，分别对应编号为0和1。完成组帧后，将信息发送至上位机4最终完成频谱监测。
本发明实施例还提供一种基于FPGA实现的宽带频谱监测方法，该方法为：
将收到的宽带模拟信号转换为离散数字信号；
对所述离散数字信号进行宽带频谱监测处理，并将处理后的数据组成信息帧格式。
具体地，将高速数据通过LVDS变成低速数据，将数据分成16路低速宽带信号，将16路低速宽带信号进行信道化划分，并基于多相滤波结构实现数字信道化，把整个采样带宽0～Fs/2均匀的划分为若干信道输出；采用实信号的单边谱进行50％重叠的信道划分，获得16路的多相时域数据；将16路的多相时域数据进行功率谱计算，并将计算得到的功率谱结果进行多次融合，将融合后的数据重新组成感知信息帧，在收到上位机4下发的命令后，通过网口将含有数据的感知信息帧上传至上位机4得到频谱监测的实时显示。
所述基于多相滤波结构实现数字信道化，具体为：利用低通滤波器组实现，hLP(n)原型低通滤波器的频率响应为：
本振角频率
把第K个子信道的输入信号进行混频，并将该信道内的中频信号搬移至零频，然后通过低通滤波器滤出对应信道的基带信号；
第K路信道的输出为：
令
其中
把
带入可得：
则有
把
带入上式可得：
式中，
DFT表示离散傅里叶变换，通过16点蝶型运算来实现该离散傅里叶变换，获得输出D路的实信号的多相滤波信道化接收机的结构模型。
该方法还包括对噪声进行功率谱进行均值计算得到门限值γ，然后对收到的信号和噪声进行能量统计得到信号加噪声的能量T，得到如果T>γ，则判断为有信号，否则判断没有信号。
本发明的效果可通过以下系统的上位机监测结果进一步说明：
1、设置条件
设当前的信号为29425MHz，信号带宽为20MHz，信号大小为-5dB。
2、上位机监测结果
仿真1，在上述条件下通过上位机显示当前信号的感知情况，根据分析可知当前信号应该在第一信道，结果如图5所示。从图5可见，在此条件下，本发明系统可以实现宽带频谱的正确感知。
上述仿真结果表明，本发明系统可以实现宽带频谱的监测功能。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于FPGA实现的宽带频谱监测系统，其特征在于，该系统包括时钟管理模块、AD转换模块、数据处理频谱监测模块、上位机；
所述时钟管理模块分别与AD转换模块、数据处理频谱监测模块连接，用于提供工作时钟；
所述AD转换模块与数据处理频谱监测模块连接，用于将接收到的宽带模拟信号转换为离散数字信号，并送入数据处理频谱监测模块；
所述数据处理频谱监测模块与上位机连接，用于将采样后的离散数字信号进行宽带频谱监测处理，并将处理后的数据组成信息帧格式通过网口传送至上位机。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA实现的宽带频谱监测系统，其特征在于，所述数据处理频谱监测模块包括数据预处理模块、数字化信道模块、功率谱计算模块、数据上传模块；
所述数据预处理模块与数字化信道模块连接，用于对AD转换模块获得的离散数字信号进行降速和分路处理获得宽带信号，并将所述宽带信号送入数字信道化模块；
所述数字信道化模块与功率谱计算模块连接，用于将获得的宽带信号进行多相滤波，获得16路的多相时域数据并且输出到功率计算模块；
所述功率计算模块与数据上传模块连接，用于将16路的多相时域数据进行功率谱计算，并将计算得到的功率谱结果进行多次融合，将融合后的数据送至数据上传模块；
所述数据上传模块与上位机连接，用于将融合后的数据重新组成感知信息帧，在收到上位机下发的命令后，通过网口将含有数据的感知信息帧上传至上位机得到频谱监测的实时显示。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA实现的宽带频谱监测系统，其特征在于，所述数据预处理模块，具体用于将高速数据通过LVDS变成低速数据，将数据分成16路低速宽带信号。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA实现的宽带频谱监测系统，其特征在于，所述数字信道化模块，具体用于将路低速宽带信号进行信道化划分，并基于多相滤波结构实现数字信道化，把整个采样带宽0～Fs/2均匀的划分为若干信道输出。
5.根据权利要求4所述的基于FPGA实现的宽带频谱监测系统，其特征在于，所述数字信道化模块，具体用于采用实信号的单边谱进行50％重叠的信道划分，输出的D个信道化信号都是正交的复时域信号。
6.一种基于FPGA实现的宽带频谱监测方法，其特征在于，该方法为：
将收到的宽带模拟信号转换为离散数字信号；
对所述离散数字信号进行宽带频谱监测处理，并将处理后的数据组成信息帧格式。
7.根据权利要求6所述的基于FPGA实现的宽带频谱监测方法，其特征在于，所述对所述离散数字信号进行宽带频谱监测处理，并将处理后的数据组成信息帧格式，具体为：将高速数据通过LVDS变成低速数据，将数据分成16路低速宽带信号，将16路低速宽带信号进行信道化划分，并基于多相滤波结构实现数字信道化，把整个采样带宽0～Fs/2均匀的划分为若干信道输出；采用实信号的单边谱进行50％重叠的信道划分，获得16路的多相时域数据；将16路的多相时域数据进行功率谱计算，并将计算得到的功率谱结果进行多次融合，将融合后的数据重新组成感知信息帧，在收到上位机下发的命令后，通过网口将含有数据的感知信息帧上传至上位机得到频谱监测的实时显示。
8.根据权利要求7所述的基于FPGA实现的宽带频谱监测方法，其特征在于，所述基于多相滤波结构实现数字信道化，具体为：利用低通滤波器组实现，hLP(n)原型低通滤波器的频率响应为：
本振角频率
把第K个子信道的输入信号进行混频，并将该信道内的中频信号搬移至零频，然后通过低通滤波器滤出对应信道的基带信号；
第K路信道的输出为：
令
其中
把
带入可得：
则有
把
带入上式可得：
式中，
DFT表示离散傅里叶变换，通过16点蝶型运算来实现该离散傅里叶变换，获得输出D路的实信号的多相滤波信道化接收机的结构模型。
9.根据权利要求8所述的基于FPGA实现的宽带频谱监测方法，其特征在于，该方法还包括对噪声进行功率谱进行均值计算得到门限值γ，然后对收到的信号和噪声进行能量统计得到信号加噪声的能量T，得到如果T>γ，则判断为有信号，否则判断没有信号。
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