百万通道频谱仪的频点输出信号失真恢复方法与流程

本发明涉及百万通道频谱仪领域，尤其是一种应用于ＦＡＳＴ的百万通道频谱仪的二维级联FFT（Fast Fourier Transform）输出频点信号失真的恢复方法。

背景技术：

接收机系统是射电望远镜的重要组成部分，是决定望远镜性能的关键因素。最近5年，超宽带技术有重要发展，世界各大射电望远镜都在建造或考虑建造超宽带接收机。我国500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,简称FAST ）将于2016年投入使用，届时是已知的70 MHz和3 GHz之间的低频无线电波段中灵敏度最高的单天线射电望远镜。为了使其能够充分发挥其口径大的性能，确保望远镜在世界上的领先，我国自主研发世界一流的超宽带通用型数字后端(China Reconfigurable Analog-Digital backend,简称CRANE)。宽带接收机研制出之后不仅可以直接应用于FAST，而且还用于中国的其他射电望远镜，如上海65 米，新疆110米等。

目前，在整个CRANE开发中，硬件部分――通过与中国科学院自动化研究所的合作，不仅开发了现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，简称FPGA）运算板FDB（FAST Digital Backend），还开发了3Gsps，12bit的宽带高精度模数转换电路板（ADC）芯片（简称FAST3212ADC），并用此实现3GHz带宽的一次性覆盖。此超宽带通用型数字后端同时也包括开发模拟信号前端电路板（Analog Front-end Board，简称AFB）。固件部分，用基于FPGA运算板的多种信号处理算法来实现FDB对于数字信号处理的通用性。在射电望远镜频谱仪中，如果想要获得更高的频谱分辨率，就尽可能的提高 FFT 通道数。现有通用的CASPER组 FFT通道数较少，处理速度不够快，若应用在FDB上，无法充分利用 FAST 所提供的超高性能。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种百万通道频谱仪的频点输出信号失真恢复方法，具体为：

1）搭建二维级联式FFT运算模块，分析获得频谱泄漏的频点上能量的分配比；

2）通过信号相邻通道内泄漏信号叠加方式对输出信号通道进行信号还原。

进一步，搭建所述二维级联式FFT运算模块，具体为：通过级联两个小点数的FFT 来进行实现大点数的FFT，通过直接搭载两片Virtex-6芯片来满足运算要求，每一块芯片分别加载一个子FFT运算单元。

进一步，所述频谱泄漏的频点上能量分配比的分析方法为：向二维级联FFT运算模块中输入单频率原始信号，经过处理，得到失真的信号频率，绘制该失真信号频谱图，得到频谱泄漏后各频点通道内的能量分配情况。

进一步，所述步骤2）具体为：

A）确定能量泄漏在所需频点周围的分配比例，从而确定叠加通道数；

B）将泄漏到临近各个通道频率处的线谱相加，左右各5个通道进行第一次相加；

C）若得到的频率能量不能够增加3dB以上，则再分别在左右增加5个通道进行叠加；

D）直至得到的频率能量增加值为大于等于3dB，从而恢复该频率点处真实的信号能量值。

本发明弥补了级联FFT算法存在天生的不足，提供一种实用的方法来进行信号的恢复，使得该算法在输出频谱时是可行的。

附图说明

图1为本发明流程框架图；

图2为二维FFT考虑通道偏离后频谱泄漏通道情况；

图3为图2中局部放大图；

图4为通道偏离20造成能量泄漏情况下二维FFT 频点处的信号能量恢复值；

图5为图4中局部放大图；

图6为通道偏离32造成能量泄漏情况下二维FFT 频点处的信号能量恢复值；

图7为图6中局部放大图。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

如图1所示，本发明一种百万通道频谱仪的频点输出信号失真恢复方法，具体为：

1）搭建二维级联式FFT运算模块，分析获得频谱泄漏的频点上能量的分配比；

2）通过信号相邻通道内泄漏信号叠加方式对输出信号通道进行信号还原。

本发明优化了FFT，研究级联（cascade） FFT（两个小点数FFT），步骤1）中搭建所述二维级联式FFT运算模块，具体为：通过级联两个小点数的FFT 来进行实现大点数的FFT。FDB 的硬件设计中通过直接搭载两片Virtex-6芯片来满足运算要求，每一块芯片分别加载一个子FFT运算单元。一级FFT运算单元的分辨率可能会造成最终频点输出时信号失真，

本发明通过在Matlab 上进行级联FFT 算法模拟，研究信号失真的情况，解决对于信号失真情况下的信号恢复的问题。

搭建二维级联式FFT运算模块，分析获得频谱泄漏的频点上能量的分配比，通过信号相邻通道内泄漏信号叠加方式对输出信号通道进行信号还原。

1）分析频谱泄漏的频点上能量的分配比：

利用Matlab模拟分析，得出在预期大小的二维级联FFT运算单元处理后，频谱泄漏的频点周围能量的分配情况，决定下一步选择的叠加通道数。

具体为：向二维级联FFT运算模块中输入单频率原始信号，经过处理，得到失真的信号频率，绘制该失真信号频谱图，得到频谱泄漏后各频点通道内的能量分配情况。

图2给出了有信号通道偏离时，频谱泄漏的频点周围能量的分配情况，由黑色加号点给出，它反映出有频谱泄漏的频点上能量的分配比（未归一化），真实的通道能量由对应的蓝色点给出。图3为其局部放大图。

2）选择将泄漏到临近通道频率处的线谱相加，进而恢复该频率点处真实的信号能量值。

该步骤具体为：

A）确定能量泄漏在所需频点周围的各个频点，从而确定叠加通道数；

B）将泄漏到临近各个通道频率处的线谱相加，左右各5个通道进行第一次相加；

C）若得到的频率能量不能够增加3dB以上，则再分别在左右增加5个通道进行叠加；

D）直至得到的频率能量增加值为大于等于3dB，从而恢复该频率点处真实的信号能量值。

例如，我们分别选取了二级级联FFT运算单元处理后，以最近的整数频点起，第20，32个通道处的频率（即通道偏离为20，32）。如图4所示，通道偏离20造成能量泄漏情况下二维FFT 频点处的信号能量恢复值，由最上方粉色点给出。图5为图4的局部放大图，清晰反映出能量恢复后点的位置；如图6所示，通道偏离32造成能量泄漏情况下二维FFT 频点处的信号能量恢复值，由最上方粉色点给出。图7此为图6的局部放大图，清晰反映出能量恢复后点的位置。上述附图分别给出了通道偏离为20，32时，频谱泄漏后的信号恢复分析：图6、图7可以看出，相邻通道内的泄漏能量相加后，信号能量增加了约2dB。理论上应该是增加3dB，我们只取了周围40条信号通道的值进行相加。图中能量值最大的粉色点是恢复后的真实信号强度。通道偏离大于32时，靠近下一个二级FFT运算单元整数频点，所以具有相对称的性质，真实信号通道的能量会向之后的频点泄漏越来越多的能量。

本方法解决了以下关键问题：

1）分析算法在实际应用过程中带来的频谱失真，掌握影响频谱正确输出因素

要实现二维级联FFT算法在频谱仪中真正能够利用，必须先清楚地得到算法对频谱输出正确性的影响。在进行二维级联FFT运算时，信号会因为第一级FFT运算单元输出长度而造成频谱泄漏。此二维级联FFT达到的频谱分辨率为1KHz，大小为N1×N2。在经过第一级FFT运算后，得到的“分辨率”为1K×N1Hz,此时可能会导致一级运算单元输出失真，即一级输出信号位置落在N1的非整数倍，最终会在原有精度上造成一定程度的频谱泄漏。通过Matlab模拟，量化性的得到频谱失真特性，并绘制成图，确定后续进行信号恢复的基础以及信号恢复算法的选定。

2）发展实用的信号恢复方法，以实现二维级联FFT的可行性。

我们最终是需要将二维级联FFT应用到硬件上搭建百万通道频谱仪的，级联FFT算法存在天生的不足，故必须发展出一种实用的方法来进行信号的恢复，使得该算法在输出频谱时是可行的。