一种基于fpga的无缝采集及实时频谱监测的实现方法
【专利摘要】一种基于FPGA的无缝采集及实时频谱监测的实现方法，包括：中频数据经过带通的抗混叠滤波器滤波、A/D采样，通过低压差分信号传给FPGA；FPGA根据GPS提供的秒脉冲和125MHz的时钟为所述中频数据打上精确的时间戳；所述中频数据经过数字下变频之后，变成正交的I/Q两路信号，所述I/Q数据经过低通抽取滤波器的抽取和滤波，得到可变带宽、可变采样率的I/Q数据；所述最终得到的I/Q数据可做可变点的快速傅立叶变换得到最终的频谱数据。所述的最终的I/Q数据和频谱数据需由嵌入式CPU利用网络传送到远程服务器做后续处理和分析，受限于CPU的读取速度和网络传输速度的不确定性，利用第三代双倍数据率同步动态随机存取存储器进行缓存。
【专利说明】-种基于FPGA的无缝采集及实时频谱监测的实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线电监测【技术领域】，尤其涉及一种基于FPGA的无缝采集及实时频 谱监测的实现方法。
【背景技术】
[0002] 无线电监测需要监测无线环境中的频谱，以侦测已知和未知的信号，这些信号可 能是间歇性的、持续时间较短，这就需要对短期内偶然出现的信号进行监测。
[0003] 监测系统需要快速捕获、识别并尽可能定位远距离的非合作信号。因此我们需要 一种低成本方案，可以在一定区域密集布置，形成网格化的监测。尽量靠近覆盖区域内发射 机前端的接收机应该具备成本低、功耗低、体积小、适应复杂环境的特点，并可以满足基本 监测功能要求，所完成的任务有别于传统的分析仪，其中的中频处理部分是提供后续分析 数据和实现实时监测的关键。
[0004] 现有产品中频处理部分基本采用纯模拟中频方案或基于FPGA+DSP的数字中频处 理方案，其共同的缺点是体积功耗较大，实时性差，无时间信息，不适合小型化的频谱监测 设备的要求。具体表现在：
[0005] 成本高、体积大、不适应复杂环境：一些能满足实时频谱分析的仪器则采用FPGA 和DSP来完成实时监测，FPGA进行抽取滤波，DSP进行快速傅立叶变换计算，这样的仪器体 积大，成本较高，不合适在无人值守室外放置。。
[0006] 带宽小和实时性差：一些体积较小、成本较低的仪器采用嵌入式CPU来实现快速 傅立叶变换计算，远低于FPGA计算的速度。对于一些带宽较大、采样率较高的数据，嵌入式 CPU则无能为力。CPU只能处理一些带宽较窄、采样率较低的信号，通常用在来实现分辨率 较小测量情况下提高扫描速度的频谱分析仪中。
[0007] 不灵活：一些固定点数的快速傅立叶变换计算在FPGA里面实现，因此只能通过改 变采样率，来监测不同分辨率的信号，这样为了获得较高频率分辨率信号只能牺牲信号的 时间分辨率。
[0008] 无时间信息，对采集到的数据没有添加时间信息，不便于后续对这些数据的分析 和处理。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的就是针对现有无线电监测所产品由于中频处理方案的不同存在成 本高、体积大、不适应复杂环境、灵活性低的不足，根据小型化的无线电监测特点采用一片 低成本的FPGA来实现数字中频的处理，提出了一种基于FPGA的无缝采集及实时频谱监测 的实现方法。
[0010] 本发明采用如下技术方案：
[0011] 一种基于FPGA的无缝采集及实时频谱监测的实现方法，包括：
[0012] 步骤1 :中频数据经过带通的抗混叠滤波器滤波、A/D采样，通过低压差分信号传 给 FPGA ;
[0013] 步骤2 :FPGA根据GPS模块提供的秒脉冲和125MHz的时钟为所述中频数据打上精 确地时间戳；
[0014] 步骤3 :所述中频数据经过数字下变频之后，变成正交的I/Q两路信号，所述I/Q 数据经过低通抽取滤波器的抽取和滤波，得到可变带宽、可变采样率的I/Q数据；
[0015] 步骤4 :所述步骤3得到的I/Q数据存储在第三代双倍数据率同步动态随机存取 存储器中，或者经可变点的快速傅立叶变换得到频谱数据后再送到第三代双倍数据率同步 动态随机存取存储器中。
[0016] 优选地，所述GPS提供的秒脉冲和125MHz的时钟为所述中频数据打上精度为8ns 的时间戳。
[0017] 优选地，所述低通抽取滤波器由5级积分梳状滤波器滤波器、4级半带滤波器、1级 有限冲激响应滤波器组成。
[0018] 优选地，所述FPGA实现可变点的快速傅立叶变换的时间小于数据采集的时间。
[0019] 优选地，在所述第三代双倍数据率同步动态随机存取存储器存储前采用一级先入 先出存储器进行数据暂存和位宽转换实现跨时钟域的数据转换；在所述第三代双倍数据率 同步动态随机存取存储器读取后采用两级先入先出存储器进行位宽转换和数据存储满足 与CPU的数据交换。
[0020] 优选地，所述积分梳状滤波器可以实现8-2048倍的抽取，四级半带滤波器实现 2-16倍的抽取，有限冲激响应滤波器在用于对通带的补偿和增加对阻带的衰减的同时还能 实现2倍抽取。
[0021] 优选地，在所述FPGA里面实现可变点的快速傅立叶变换，然后利用坐标旋转数字 计算算法得到了各个频率点的幅度信息。
[0022] 本发明具有以下有益效果：
[0023] 1、FPGA能够利用GPS提供的信号为数据打上精确的时间戳，便于后续对数据进行 分析、处理、应用；
[0024] 2、FPGA实现了抽取滤波和快速傅立叶变换计算，在节约成本、减小体积的同时，还 能满足无线电实时监测的需求。
[0025] 3、可变采样率和可变点快速傅立叶变换，可以灵活的调整采样率或者快速傅立叶 变换点数满足对不同分辨率带宽信号的监测。
[0026] 4、在FPGA里面实现快速傅立叶变换的计算速度远高于嵌入式CPU的速度，可以满 足大带宽数据的实时计算。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1为基于FPGA实现无缝采集和实时监测的结构示意图；
[0028] 图2为抽取滤波器的组成结构示意图；
[0029] 图3为快速傅立叶变换实现的结构示意图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图和具体实施例对本发明的【具体实施方式】做进一步说明：
[0031] 专用名词介绍：
[0032] FPGA:现场可编程门阵列，DSP :数字信号处理器。
[0033] 如图1所示，一种基于FPGA的无缝采集及实时频谱监测的实现方法，包括：
[0034] 中频数据经过带通的抗混叠滤波器滤波、A/D采样，通过低压差分信号传给FPGA， 并在FPGA内部实现100 Ω的阻抗匹配，有效提高中频信号的信噪比。
[0035] A/D的采样速率应满足带通采样定理，采样速率应大于等于中频信号带宽的两倍： fs> = 2B，并且满足仁=(4&)八211+1)，其中fs为采样速率、B为中频信号的带宽、&为中 频频率。
[0036] 所述中频数据经过数字下变频之后，将数字中频下变频到零中频（基带信号），得 到正交的I/Q数据，以方便后续的基带信号处理。
[0037] 数字下变频（DDC)主要由正交变换和低通抽取滤波器组成，中 频数据与数控振荡器产生的两路正交的本振信号相乘，形成与原信号相 位相同和正交的两路信号，经过低通滤波得后到零中频信号（基带信 号）。经A/D采样后中频信号可表示为：f[η] = （其 中 ω。= 2JifQ/fs)与数控振荡器（NC0)产生的 C〇S(c〇QnTs)、Sin(c〇QnT s)分 别混频得到
【权利要求】
1. 一种基于FPGA的无缝采集及实时频谱监测的实现方法，其特征在于，包括： 步骤1 :中频数据经过带通的抗混叠滤波器滤波、A/D采样，通过低压差分信号传给 FPGA ； 步骤2 :FPGA利用GPS模块提供的秒脉冲和125MHz的时钟为所述中频数据打上精确的 时间戳； 步骤3 :所述中频数据经过数字下变频之后，变成正交的I/Q两路信号，所述I/Q数据 经过低通抽取滤波器的抽取和滤波，得到可变带宽、可变采样率的I/Q数据； 步骤4 :所述步骤3得到的I/Q数据直接存储在第三代双倍数据率同步动态随机存取 存储器中，或者经可变点的快速傅立叶变换将得到频谱数据送到第三代双倍数据率同步动 态随机存取存储器中。
2. 如权利要求1所述的一种基于FPGA的无缝采集及实时频谱监测的实现方法，其特征 在于，所述GPS提供的秒脉冲和125MHz的时钟为所述中频数据打上精度为8ns的时间戳。
3. 如权利要求1所述的一种基于FPGA的无缝采集及实时频谱监测的实现方法，其特征 在于，所述低通抽取滤波器由5级积分梳状滤波器、4级半带滤波器、1级有限冲激响应滤波 器组成。
4. 如权利要求1所述的一种基于FPGA的无缝采集及实时频谱监测的实现方法，其特征 在于，所述FPGA实现可变点的快速傅立叶变换的时间小于数据采集的时间。
5. 如权利要求1所述的一种基于FPGA的无缝采集及实时频谱监测的实现方法，其特征 在于，在所述第三代双倍数据率同步动态随机存取存储器存储前采用一级先入先出存储器 进行数据暂存和位宽转换实现跨时钟域的数据转换；在所述第三代双倍数据率同步动态随 机存取存储器读取后采用两级先入先出存储器进行位宽转换和数据存储满足FPGA与CPU 之间的数据交换。
6. 如权利要求1所述的一种基于FPGA的无缝采集及实时频谱监测的实现方法，其特征 在于，所述积分梳状滤波器实现8-2048倍的抽取，4级半带滤波器实现2-16倍的抽取，有限 冲激响应滤波器在用于对通带的补偿和增加对阻带的衰减的同时还能实现2倍抽取。
7. 如权利要求4所述的一种基于FPGA的无缝采集及实时频谱监测的实现方法，其特征 在于，在所述FPGA里面实现可变点的快速傅立叶变换，然后利用坐标旋转数字计算算法得 到了各个频率点的幅度信息。
【文档编号】H04B17/30GK104301052SQ201410557953
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】孙发力, 何鹏, 牛大胜 申请人:中国电子科技集团公司第四十一研究所