CN114970644A - 一种基于MonoFFT切换的单比特信号处理方法 - Google Patents

一种基于MonoFFT切换的单比特信号处理方法 Download PDF

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CN114970644A CN202210875717.5A CN202210875717A CN114970644A CN 114970644 A CN114970644 A CN 114970644A CN 202210875717 A CN202210875717 A CN 202210875717A CN 114970644 A CN114970644 A CN 114970644A
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fft
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Abstract

本发明公开了一种基于MonoFFT切换的单比特信号处理方法，包括频域MonoFFT变化，将傅里叶变换中的旋转因子进行简化，从而降低超高速单比特数据对处理资源的需求；频率精测，对MonoFFT变化后的FFT谱线的频率进行测量。本发明通过FFT的方式划分了信道，因此即使在检测信号中存在数个功率接近的信号，经过FFT后划分到不同的信道中，不会对测频精度造成影响。

Description

一种基于MonoFFT切换的单比特信号处理方法
技术领域
本发明涉及单比特测频领域，尤其涉及一种基于MonoFFT切换的单比特信号处理方法。
背景技术
MONOFFT算法是在上世纪90年底由美国空军实验室TSUI提出的一种用于单比特接收机的简化傅里叶变换算法，其核心思想就是将傅里叶变换中的旋转因子进行简化，从而降低超高速单比特数据对处理资源的需求。现有的FFT变换后每个FFT谱线的频率精度，还不能达到设计要求的1MHz检测精度，需要一种精确测量的方法。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于MonoFFT切换的单比特信号处理方法。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于MonoFFT切换的单比特信号处理方法，包括以下步骤：
S1. 超高速单比特采样；
S2. 频域MonoFFT变化，将傅里叶变换中的旋转因子进行简化，从而降低超高速单比特数据对处理资源的需求；
S3. 频率精测，对MonoFFT变化后的FFT谱线的频率进行测量；
S4. 编码输出；
其中，所述频域MonoFFT变化采用八旋转因子简化来进行MONOFFT运算。
进一步的，所述八旋转因子包括1、j、-1、-j、 1+j、-1+j、-1-j、1-j共八个旋转因子。
进一步的，所述频率精测具体包括以下子步骤：
S301. 计算FFT变换过程中的窗函数；
S302. 根据窗函数中频域的幅度值确定最大值的真实位置。
进一步的，所述FFT变换过程中的窗函数具体为：
Figure 682251DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 179485DEST_PATH_IMAGE002
表示窗函数中矩形窗的频域傅里叶变换，所述
Figure 83856DEST_PATH_IMAGE003
表示频率，所述
Figure 823273DEST_PATH_IMAGE002
的峰值位于
Figure 683650DEST_PATH_IMAGE004
处，其中峰值出现在
Figure 568430DEST_PATH_IMAGE005
位置，所述T表示窗函数中矩形窗的宽。
进一步的，所述根据窗函数中频域的幅度值确定最大值的真实位置具体步骤为：
将相邻频率分量之间的距离
Figure 445250DEST_PATH_IMAGE005
作为单位距离，并将
Figure 706467DEST_PATH_IMAGE006
作为最大的幅度值，则
Figure 158702DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 27432DEST_PATH_IMAGE008
分别位于
Figure 47340DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 892674DEST_PATH_IMAGE010
处，对应的幅度值为：
Figure 212797DEST_PATH_IMAGE011
Figure 455691DEST_PATH_IMAGE012
Figure 759633DEST_PATH_IMAGE013
；
其中，所述k表示真实峰值，所述
Figure 337552DEST_PATH_IMAGE007
表示第二大幅度值，所述
Figure 43340DEST_PATH_IMAGE008
表示第三大幅度值；
进一步，计算k值：
Figure 988293DEST_PATH_IMAGE014
；
Figure 779532DEST_PATH_IMAGE015
；
通过求出的k值，计算中心频率：
Figure 373193DEST_PATH_IMAGE017
；
当
Figure 730225DEST_PATH_IMAGE018
，则结果为正，当
Figure 783763DEST_PATH_IMAGE019
，则结果为负；
其中，所述
Figure 111232DEST_PATH_IMAGE020
表示中心频率，所述
Figure 56055DEST_PATH_IMAGE021
表示
Figure 956009DEST_PATH_IMAGE006
对应的频率，所述
Figure 960874DEST_PATH_IMAGE022
表示
Figure 507130DEST_PATH_IMAGE007
对应的频率。
进一步的，还包括步骤S303：通过Matlab仿真形式对测频精度进行仿真分析，得到测试结果。
进一步的，所述步骤S1具体为接收8路2GHz~10GHz中频信号，分别完成超高速单比特采集量化送入到FPGA中进行数字信号处理。
本发明的有益效果：
本发明通过FFT的方式划分了信道，因此即使在检测信号中存在数个功率接近的信号，经过FFT后划分到不同的信道中，不会对测频精度造成影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提出的一种基于MonoFFT切换的单比特信号处理的单比特处理流程图；
图2为本发明实施例提出的种基于MonoFFT切换的单比特信号处理的四旋转因子简化示意图；
图3为本发明实施例提出的种基于MonoFFT切换的单比特信号处理的八旋转因子简化示意图；
图4为本发明实施例提出的种基于MonoFFT切换的单比特信号处理的1024点MonoFFT设计框图；
图5为本发明实施例提出的种基于MonoFFT切换的单比特信号处理的矩形窗时域图；
图6为本发明实施例提出的种基于MonoFFT切换的单比特信号处理的矩形窗频域图；
图7为本发明实施例提出的种基于MonoFFT切换的单比特信号处理的采用矩形窗的FFT的频率分量图；
图8为本发明实施例提出的种基于MonoFFT切换的单比特信号处理的频率测量精度图；
图9为本发明实施例提出一种基于MonoFFT切换的单比特信号处理的终端设备的结构示意图；
图10为本发明实施例提出的一种基于MonoFFT切换的单比特信号处理方法的计算机可读存储介质结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1，本实施例提出一种基于MonoFFT切换的单比特信号处理方法，包括以下步骤：
S1. 超高速单比特采样；
S2. 频域MonoFFT变化，将傅里叶变换中的旋转因子进行简化，从而降低超高速单比特数据对处理资源的需求；
S3. 频率精测，对MonoFFT变化后的FFT谱线的频率进行测量；
S4. 编码输出；
其中，所述频域MonoFFT变化采用八旋转因子简化来进行MONOFFT运算。
进一步的，所述八旋转因子包括1、j、-1、-j、 1+j、-1+j、-1-j、1-j共八个旋转因子。
进一步的，所述频率精测具体包括以下子步骤：
S301. 计算FFT变换过程中的窗函数；
S302. 根据窗函数中频域的幅度值确定最大值的真实位置。
进一步的，所述FFT变换过程中的窗函数具体为：
Figure 990064DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 275683DEST_PATH_IMAGE002
表示窗函数中矩形窗的频域傅里叶变换，所述
Figure 185871DEST_PATH_IMAGE003
表示频率，所述
Figure 160036DEST_PATH_IMAGE002
的峰值位于
Figure 446661DEST_PATH_IMAGE004
处，其中峰值出现在
Figure 586786DEST_PATH_IMAGE005
位置，所述T表示窗函数中矩形窗的宽。
进一步的，所述根据窗函数中频域的幅度值确定最大值的真实位置具体步骤为：
将相邻频率分量之间的距离
Figure 933454DEST_PATH_IMAGE005
作为单位距离，并将
Figure 188724DEST_PATH_IMAGE006
作为最大的幅度值，则
Figure 826510DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 384923DEST_PATH_IMAGE008
分别位于
Figure 981121DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 458108DEST_PATH_IMAGE010
处，对应的幅度值为：
Figure 696322DEST_PATH_IMAGE011
Figure 120961DEST_PATH_IMAGE012
Figure 91322DEST_PATH_IMAGE013
；
其中，所述k表示真实峰值，所述
Figure 55605DEST_PATH_IMAGE007
表示第二大幅度值，所述
Figure 300772DEST_PATH_IMAGE008
表示第三大幅度值；
进一步，计算k值：
Figure 784843DEST_PATH_IMAGE014
；
Figure 224308DEST_PATH_IMAGE015
；
通过求出的k值，计算中心频率：
Figure 911773DEST_PATH_IMAGE023
；
当
Figure 928008DEST_PATH_IMAGE018
，则结果为正，当
Figure 282897DEST_PATH_IMAGE019
，则结果为负；
其中，所述
Figure 893263DEST_PATH_IMAGE020
表示中心频率，所述
Figure 582871DEST_PATH_IMAGE021
表示
Figure 373103DEST_PATH_IMAGE006
对应的频率，所述
Figure 877772DEST_PATH_IMAGE022
表示
Figure 360837DEST_PATH_IMAGE007
对应的频率。
进一步的，还包括步骤S303：通过Matlab仿真形式对测频精度进行仿真分析，得到测试结果。
进一步的，所述步骤S1具体为接收8路2GHz~10GHz中频信号，分别完成超高速单比特采集量化送入到FPGA中进行数字信号处理。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例进一步提出MONOFFT变换的具体实施方式，其中，一般常用的简化包括主要有四旋转因子算法和八旋转因子算法，主要差别就是选取的旋转因子数量。其中四旋转因子采用1，j，-1，-j四个旋转因子来与单比特数据进行FFT变换，其简化示意图如图2所示；而八旋转因子简化方案是在1，j，-1，-j四个旋转因子以外，增加1+j、-1+j、-1-j、1-j四个旋转因子，简化示意图如图3所示。
通过上述实施方式可以示出，采用八旋转因子将提高计算的复杂度，但在处理结果方面的稳定性和多信号影响方面具有一定优势，在本具体实施例中，为了获得更好的性能，将采用八旋转因子简化来进行MONOFFT运算。
在MonoFFT实现过程中，考虑到的灵敏度需求，采用1024点长度的MonoFFT进行运算，其实现框图如图4所示。
从通过上述实施方式可以示出，整个MonoFFT采用的是基4旋转因子的MonoFFT算法，相比基2旋转因子，资源的需求会更少。
假设采样率
Figure 55517DEST_PATH_IMAGE024
，FFT变换长度为1024点，此时的FFT变换积累时间为40.96ns，每个FFT谱线的频率精度，并不能达到设计要求的1MHz检测精度，对此，本实施例需要对频率进行精确测量，重心法进行频率估计与FFT变换过程中的窗函数直接相关，则假设采用矩形窗函数，等效于时域上幅度为1，宽度为T的矩形窗，如图5所示。
进一步的，矩形窗的频域傅里叶变换是一个辛格函数
Figure 915020DEST_PATH_IMAGE025
，峰值位于
Figure 228189DEST_PATH_IMAGE004
处，第一个峰值出现在
Figure 646270DEST_PATH_IMAGE005
位置，如图6所示。
进一步的，当输出FFT，那么频谱分量是离散的，并且以辛格函数为轮廓，如图7所示，该图中功率谱最大的频谱分量与辛格函数的最大值并不一致，因此需要根据这些幅度值确定最大值的真实位置。最大的幅度值用
Figure 592360DEST_PATH_IMAGE026
表示，次大的用
Figure 479721DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 116239DEST_PATH_IMAGE028
为次次大值。其中
Figure 941106DEST_PATH_IMAGE027
和
Figure 545132DEST_PATH_IMAGE027
位于主瓣内，
Figure 277596DEST_PATH_IMAGE028
位于旁瓣。
假设k是真实峰值与
Figure 830937DEST_PATH_IMAGE006
之间的距离，由于相邻频率分量之间的距离为
Figure 531433DEST_PATH_IMAGE029
，所以把这一距离当做单位距离。
Figure 717695DEST_PATH_IMAGE027
和
Figure 690068DEST_PATH_IMAGE028
分别位于
Figure 832336DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 264585DEST_PATH_IMAGE010
处，对应的幅度值为：
Figure 174029DEST_PATH_IMAGE030
Figure 982716DEST_PATH_IMAGE031
Figure 697600DEST_PATH_IMAGE013
；
进一步的，计算k值：
Figure 550018DEST_PATH_IMAGE032
或者
Figure 382976DEST_PATH_IMAGE033
；
当对应于
Figure 231240DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 364412DEST_PATH_IMAGE007
的频率分别为
Figure 122153DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 675363DEST_PATH_IMAGE022
，则求出k，就可认为中心频率为：
Figure 294694DEST_PATH_IMAGE034
；
当
Figure 266061DEST_PATH_IMAGE018
用正号，当
Figure 193040DEST_PATH_IMAGE019
，用负号。
通过Matlab仿真形式对测频精度进行仿真分析，得到结果如图8所示。
通过本实施例，从单比特数字测频的处理算法来看，通过FFT的方式划分了信道，因此即使在检测信号中存在数个功率接近的信号，经过FFT后划分到不同的信道中，不会对测频精度造成影响。
实施例3
在实施例1的基础上，本实施例进一步提出一种基于MonoFFT切换的单比特信号处理的FPGA电路，其中，根据数字电路的基本组成，需要完成8路MonoFFT的信号处理，对FPGA资源需求大，根据资源需求FPGA芯片选型采用XILINX公司的Virtex®-7 FPGA 系列FPGA中的XC7VX690T-2FFG1927I，该其内部资源主要包括693,120个逻辑单元，3600个DSP模块，DSP模块处理能力为5,335 GMAC/s，52,920Kb BLOCK RAM。 其主要外围设计如下：
a)XC7VX690T外扩2GB DDR3 SDRAM，最高读写速率可达1600MT/s；
b)XC7VX690T采用16位1Gb BPI FLASH，程序加载时间≤1s；
c)光纤接口：实现1路QSFP光纤接口；
d)网口：实现1路1000M网口；
e)RS232总线：共实现2路RS232总线，用于调试，RS232接口通过插针引出；
f)板载温控保护。
该FPGA目前国内已有复旦微、国微的相应替代国产化型号。
根据模块内部主要结构分配情况，以及数字电路部分的内部布局如所示。25Gsps的采样率使得时钟和信号分布路径的走线不能再按照集总参数电路的方法来处理，而应该考虑到其传输线效应、时钟和信号分布电路相互之间的干扰以及其与其它片上关键信号路径之间的干扰，即信号完整性问题。超高速采样技术必须在有效的电磁仿真和实测数据联合仿真分析的前提下进行。
实施例4
如图9，在实施例1的基础上，本实施例提出一种基于MonoFFT切换的单比特信号处理的终端设备，终端设备200包括至少一个存储器210、至少一个处理器220以及连接不同平台系统的总线230。
存储器210可以包括易失性存储器形式的可读介质，例如随机存取存储器(RAM)211和/或高速缓存存储器212，还可以进一步包括只读存储器(ROM)213。
其中，存储器210还存储有计算机程序，计算机程序可以被处理器220执行，使得处理器220执行本申请实施例中上述任一项一种基于MonoFFT切换的单比特信号处理方法，其具体实现方式与上述方法的实施例中记载的实施方式、所达到的技术效果一致，部分内容不再赘述。存储器210还可以包括具有一组(至少一个)程序模块215的程序/实用工具214，这样的程序模块包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。
相应的，处理器220可以执行上述计算机程序，以及可以执行程序/实用工具214。
总线230可以为表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器、外围总线、图形加速端口、处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。
终端设备200也可以与一个或多个外部设备240例如键盘、指向设备、蓝牙设备等通信，还可与一个或者多个能够与该终端设备200交互的设备通信，和/或与使得该终端设备200能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如路由器、调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口250进行。并且，终端设备200还可以通过网络适配器260与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。网络适配器260可以通过总线230与终端设备200的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合终端设备200使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理器、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储平台等。
实施例5
在实施例1的基础上，本实施例提出一种基于MonoFFT切换的单比特信号处理的计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，该指令被处理器执行时实现上述任一的一种基于MonoFFT切换的单比特信号处理方法。其具体实现方式与上述方法的实施例中记载的实施方式、所达到的技术效果一致，部分内容不再赘述。
图10示出了本实施例提供的用于实现上述方法的程序产品300，其可以采用便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)并包括程序代码，并可以在终端设备，例如个人电脑上运行。然而，本发明的程序产品300不限于此，在本实施例件中，可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。程序产品300可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
计算机可读存储介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了可读程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。可读存储介质还可以是可读存储介质以外的任何可读介质，该可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。可读存储介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、有线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明操作的程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于MonoFFT切换的单比特信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 超高速单比特采样；
S2. 频域MonoFFT变化，将傅里叶变换中的旋转因子进行简化，从而降低超高速单比特数据对处理资源的需求；
S3. 频率精测，对MonoFFT变化后的FFT谱线的频率进行测量；
S4. 编码输出；
其中，所述频域MonoFFT变化采用八旋转因子简化来进行MONOFFT运算。
2.根据权利要求1所述的一种基于MonoFFT切换的单比特信号处理方法，其特征在于，所述八旋转因子包括1、j、-1、-j、 1+j、-1+j、-1-j、1-j共八个旋转因子。
3.根据权利要求1所述的一种基于MonoFFT切换的单比特信号处理方法，其特征在于，所述频率精测具体包括以下子步骤：
S301. 计算FFT变换过程中的窗函数；
S302. 根据窗函数中频域的幅度值确定最大值的真实位置。
4.根据权利要求3所述的一种基于MonoFFT切换的单比特信号处理方法，其特征在于，所述FFT变换过程中的窗函数具体为：
Figure 112301DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，
Figure 343956DEST_PATH_IMAGE004
表示窗函数中矩形窗的频域傅里叶变换，所述
Figure 451589DEST_PATH_IMAGE006
表示频率，所述
Figure 191006DEST_PATH_IMAGE004
的峰值位于
Figure 582542DEST_PATH_IMAGE008
处，其中峰值出现在
Figure 467321DEST_PATH_IMAGE010
位置，所述T表示窗函数中矩形窗的宽。
5.根据权利要求4所述的一种基于MonoFFT切换的单比特信号处理方法，其特征在于，所述根据窗函数中频域的幅度值确定最大值的真实位置具体步骤为：
将相邻频率分量之间的距离
Figure 547404DEST_PATH_IMAGE010
作为单位距离，并将
Figure 74200DEST_PATH_IMAGE012
作为最大的幅度值，则
Figure 323172DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 378853DEST_PATH_IMAGE016
分别位于
Figure 211811DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 260407DEST_PATH_IMAGE020
处，对应的幅度值为：
Figure DEST_PATH_IMAGE022AA
Figure DEST_PATH_IMAGE024AA
Figure 239252DEST_PATH_IMAGE026
；
其中，所述k表示真实峰值，所述
Figure 511839DEST_PATH_IMAGE014
表示第二大幅度值，所述
Figure 832093DEST_PATH_IMAGE016
表示第三大幅度值；
进一步，计算k值：
Figure 700692DEST_PATH_IMAGE028
；
Figure 748475DEST_PATH_IMAGE030
；
通过求出的
Figure 427849DEST_PATH_IMAGE032
值，计算中心频率：
Figure 484667DEST_PATH_IMAGE034
；
当
Figure 140645DEST_PATH_IMAGE036
，则结果为正，当
Figure 717251DEST_PATH_IMAGE038
，则结果为负；
其中，所述
Figure 551215DEST_PATH_IMAGE040
表示中心频率，所述
Figure 816368DEST_PATH_IMAGE042
表示
Figure 292348DEST_PATH_IMAGE012
对应的频率，所述
Figure 723461DEST_PATH_IMAGE044
表示
Figure 728326DEST_PATH_IMAGE014
对应的频率。
6.根据权利要求3所述的一种基于MonoFFT切换的单比特信号处理方法，其特征在于，还包括步骤S303：通过Matlab仿真形式对测频精度进行仿真分析，得到测试结果。
7.根据权利要求1所述的一种基于MonoFFT切换的单比特信号处理方法，其特征在于，所述步骤S1具体为接收8路2GHz~10GHz中频信号，分别完成超高速单比特采集量化送入到FPGA中进行数字信号处理。
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