CN116257730B - 一种基于fpga实现频偏跟踪的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA实现频偏跟踪的方法，涉及卫星通信信号处理技术领域，将接收IQ数据解析出相位和幅度；将相位存入1024 RAM，利用幅度进行TDMA信号提取和过滤后，从RAM读出相位存入65536深度RAM，存满时，先计算前256点中心位置±8的DFT,找到尖峰位置，将该偏移位置乘以16给到下一级计算4096点中心位置±8的DFT，找到尖峰位置，将该偏移位置乘以16给到下一级计算65536点中心位置±8的DFT，找到频率偏移。本发明通过分3级逐级查找的方式以少量的计算量快速计算出频率偏移，提高了计算速度，并节约更多FPGA资源，同时达到实时跟踪频偏的效果。

Description

一种基于FPGA实现频偏跟踪的方法
技术领域
本发明涉及卫星通信信号处理技术领域，具体的说，是一种基于FPGA实现频偏跟踪的方法。
背景技术
在卫星通信系统中，信号处理部分通常通过现场可编程门阵列FPGA去实现各种功能，由于各种外部环境及硬件系统引入频率偏移，并且随着外部环境和时间的不断变化，所引入的频率偏移也随之变化，迫切需要一种能够实现基于FPGA频偏跟踪的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于FPGA实现频偏跟踪的方法，能够对外部环境及通信系统引入的频率偏移进行快速、实时跟踪，以便于后续系统模块进行实时修正。
本发明通过下述技术方案解决上述问题：
一种基于FPGA实现频偏跟踪的方法，包括：
步骤S100、将接收的同向正交IQ数据解析出相位数据和幅度数据；
步骤S200、将相位数据存入1024深度随机存储器RAM，每1024个幅度数据求和并判断求和结果是否大于输出门限值，若大于，则输出该1024个幅度数据对应的1024个相位数据至65536深度RAM，否则，删除该1024个幅度数据对应的1024个相位数据；
步骤S300、当65536深度RAM中存满时，执行：
步骤S310、从65536深度RAM中取出前256个相位数据，用于计算256个点的离散傅里叶变换DFT，以第k1=0的DFT点为中心，计算该DFT点附近±M1个点的幅度值，k1∈{0~255}，找到这些点的最大幅度值对应的k1值，将k1乘以16得到第二级DFT计算的初始位置；
步骤S320、从65536深度RAM中取出前4096个相位数据，接收第二级DFT计算的初始位置，计算其附近±M1个点的幅度值，找到这些点的最大幅度值对应的k2值，k2∈{0~4095}，即为第二频偏，将k2乘以16得到第三级DFT计算的初始位置；
步骤S330、从65536深度RAM中取出65536个相位数据，接收所述第三级DFT计算的初始位置，计算其附近±M1个点的幅度值，找到这些点的最大幅度值对应的k3值，即为相对于65536个相位数据的频偏位置，k3∈{0~65535}。
本发明通过逐级查找的方式以极少量的计算量快速计算出频率偏移，提高了计算速度，并节约更多FPGA资源，同时达到实时跟踪频偏的效果。
所述步骤S100具体包括：例化坐标旋转数字计算器CORDIC IP核，输入32比特bit的IQ数据，输出16bit幅度值和16bit相位，相位为-1到1的值，其中高1bit为符号位，中2bit为整数位，低13bit为小数位。
所述随机存储器RAM宽度为16bit。
所述步骤S310中计算幅度值的方法包括：
步骤A、分别例化存储余弦cos数值和正弦sin数值的只读存储器ROM，将cos(0~2π)和sin(0~2π)的值分别乘以1024并存入各自ROM；
步骤B、利用相位计算N个点M阶DFT，化简DFT计算公式： （1）
（2）
由式（1）（2）得到：
（3）
M阶DFT：
（4）
化简后得到：
（5）
其中：表示DFT变换的第/>个点，/>∈{0~N-1}；N为DFT点个数；/>为幅度；M为阶数；/>为相角；/>为输入的第/>个IQ数据；/>为第/>个相角；/>为虚部；
步骤C、由公式（5）可知，通过幅度和相位能够算出M阶频谱，的值作为ROM的读地址，读出余弦cos和正弦sin的ROM表中的值分别累加计算，然后分别平方后相加得到第k个点的DFT的幅度值。
所述M1=8或M1=16。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明通过分3级逐级查找的方式以少量的计算量快速计算出频率偏移，提高了计算速度，并节约更多FPGA资源，同时达到实时跟踪频偏的效果。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明中由相位计算幅度值的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
结合图1所示，一种基于FPGA实现频偏跟踪的方法，包括：
步骤S100、信号数据幅度相位提取：首先利用Xilinx CORDIC（CoordinationRotation Digital Computer坐标旋转数字计算器） IP核的Translate（旋转）模式将IQ（同向正交）数据转为相位数据和幅度数据，相位用于后续DFT（Discrete FourierTransformation,离散傅里叶变换）计算，幅度用于TDMA (Time Division MultipleAccess，时分多址)信号提取及过滤；IP核为知识产权核；
步骤S200、时分多址TDMA信号过滤：将相位数据存入1024深度、宽度为16bit的随机存储器RAM，每1024个幅度数据求和并判断求和结果是否大于输出门限值，若大于，则输出该1024个幅度数据对应的1024个相位数据至65536深度RAM，否则，删除该1024个幅度数据对应的1024个相位数据；
步骤S300、当65536深度RAM中存满时，执行：
步骤S310、256点离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform）DFT计算：
从65536深度RAM中取出前256个相位数据，用于计算256个点的离散傅里叶变换DFT，以第k1=0的DFT点为中心，计算该DFT点附近±M1个点的幅度值，k1∈{0~255}，找到这些点的最大幅度值对应的k1值，即第一频偏位置，将k1乘以16得到第二级DFT计算的初始位置；M1取8或16等；
步骤S320、4096点DFT计算：
从65536深度RAM中取出前4096个相位数据，接收第二级DFT计算的初始位置，计算其附近±M1个点的幅度值，找到这些点的最大幅度值对应的k2值，k2∈{0~4095}，即为第二频偏位置，将k2乘以16得到第三级DFT计算的初始位置；
步骤S330、65536点DFT计算：
从65536深度RAM中取出65536个相位数据，接收所述第三级DFT计算的初始位置，计算其附近±M1个点的幅度值，找到这些点的最大幅度值对应的k3值，即为相对于65536个相位数据的频偏位置，k3∈{0~65535}。
所述步骤S100具体包括：例化中文名称CORDIC IP核，输入32比特bit的IQ数据，输出16bit幅度值和16bit相位，相位为-1到1的值，其中高1bit为符号位，中2bit为整数位，低13bit为小数位。
实施例2：
在实施例1的基础上，结合图2所示，所述步骤S310中计算幅度值的方法包括：
步骤A、例化存储余弦cos数值的只读存储器Cos_ROM、例化存储正弦sin数值的只读存储器Sin_ROM，将cos(0~2π)和sin(0~2π)的值分别乘以1024并对应存入各自的只读存储器ROM；
步骤B、利用相位计算N个点M阶DFT，化简DFT计算公式：
（1）
（2）
由式（1）（2）得到：
（3）
M阶DFT：
（4）
化简后得到：
（5）
其中：表示DFT变换的第/>个点，/>∈{0~N-1}；N为DFT点个数；/>为幅度；M为阶数；/>为相角；/>为输入的第/>个IQ数据；/>为第/>个相角；/>为虚部；
步骤C、由公式（5）可知，通过幅度和相位能够算出M阶频谱，的值作为ROM的读地址，读出余弦cos和正弦sin的ROM表中的值分别累加计算，然后分别平方后相加得到第/>个点的DFT的幅度值。
本发明通过逐级查找的方式以极少量的计算量快速计算出频率偏移，提高了计算速度，并节约更多FPGA资源，同时达到实时跟踪频偏的效果。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (5)

1.一种基于FPGA实现频偏跟踪的方法，其特征在于，包括：
步骤S100、将接收的同向正交IQ数据解析出相位数据和幅度数据；
步骤S200、将相位数据存入1024深度随机存储器RAM，每1024个幅度数据求和并判断求和结果是否大于输出门限值，若大于，则输出该1024个幅度数据对应的1024个相位数据至65536深度RAM，否则，删除该1024个幅度数据对应的1024个相位数据；
步骤S300、当65536深度RAM中存满时，执行：
步骤S310、从65536深度RAM中取出前256个相位数据，用于计算256个点的离散傅里叶变换DFT，以第k1=0的DFT点为中心，计算该DFT点附近±M1个点的幅度值，k1∈{0~255}，找到这些点的最大幅度值对应的k1值，将k1乘以16得到第二级DFT计算的初始位置；
步骤S320、从65536深度RAM中取出前4096个相位数据，接收第二级DFT计算的初始位置，计算其附近±M1个点的幅度值，找到这些点的最大幅度值对应的k2值，k2∈{0~4095}，即为第二频偏，将k2乘以16得到第三级DFT计算的初始位置；
步骤S330、从65536深度RAM中取出65536个相位数据，接收所述第三级DFT计算的初始位置，计算其附近±M1个点的幅度值，找到这些点的最大幅度值对应的k3值，即为相对于65536个相位数据的频偏位置，k3∈{0~65535}。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA实现频偏跟踪的方法，其特征在于，包括：所述步骤S100具体包括：例化坐标旋转数字计算器CORDIC IP核，输入32比特bit的IQ数据，输出16bit幅度值和16bit相位，相位为-1到1的值，其中高1bit为符号位，中2bit为整数位，低13bit为小数位。
3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA实现频偏跟踪的方法，其特征在于，所述随机存储器RAM宽度为16bit。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种基于FPGA实现频偏跟踪的方法，其特征在于，所述步骤S310中计算幅度值的方法包括：
步骤A、分别例化存储余弦cos数值和正弦sin数值的只读存储器ROM，将cos(0~2π)和sin(0~2π)的值分别乘以1024并存入各自ROM；
步骤B、利用相位计算N个点M阶DFT，化简DFT计算公式：
；
；
得到：
；
M阶DFT：
；
化简后得到：
；
其中：表示DFT变换的第/>个点，/>∈{0~N-1}；N为DFT点个数；/>为幅度；M为阶数；/>为相角；/>为输入的第/>个IQ数据；/>为第/>个相角；/>为虚部；
步骤C、通过幅度和相位能够算出M阶频谱，的值作为ROM的读地址，读出余弦cos和正弦sin的ROM表中的值分别累加计算，然后分别平方后相加得到第k个点的DFT的幅度值。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种基于FPGA实现频偏跟踪的方法，其特征在于，所述M1=8或M1=16。
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