一种基于接收机的流水线式全景扫描方法及设备

技术领域

本发明涉及信号传输技术领域，更具体地说，涉及一种基于接收机的流水线式全景扫描方法及设备。

背景技术

接收机又叫信号接收仪，接收电波等信号，并将信号转换成为人类能够识别的声波图像等信号，如平时我们所使用的收音机，用于接收电台广播的电信号，并将其转换为声音传出，供人们收听。

目前的全景扫描仪都是由上位机，也即单片机进行控制，将信号发送给接收机，再由接收机对需扫描的物体进行扫描。但是由于单片机只能线性进行控制，不能够并行执行控制，一般都是先控制射频信号，之后再对扫描获取的信号进行傅里叶变化，之后再对信号进行校准等处理，随后再控制射频部分做下一次扫频步进，然后依次进行上述的扫描操作，均是一步一步线性的进行。但是这样的扫频速率非常的低，无法完成性能上的提升，浪费了大量的时间，亟需对其进行改进以提升扫频速率。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

鉴于现有的全景扫描仪只能进行线性处理，不能同时处理多个步骤，导致扫频速率低，无法提升性能的问题，本发明提供了一种基于接收机的流水线式全景扫描方法及设备，同时处理扫频的多个步骤，提升了扫频速率，使得全景扫描设备得到性能上的提升。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明一种基于接收机的流水线式全景扫描方法，其步骤为：

步骤一、在上位机设置起始频率a、终止频率b和扫频频率步进d；

步骤二、根据步骤一所设置的参数计算射频步进次数N；

步骤三、通过调谐方程计算射频端整数控制和射频小数控制，并通过FPGA串行输出；随后根据计算的控制参数控制扫描仪进行全景扫描；

步骤四、对步骤三的数据进行CIC滤波和FIR滤波后存入BUFFER，待BUFFER数据量足够后重新计算调谐方程改变中心频点；

步骤五、将存入BUFFER的数据通过傅里叶转换存入DDR3；

步骤六、上位机从DDR3获取数据，并显示全景扫频频谱图。

更进一步地，所述的步骤二中，根据

更进一步地，所述的步骤三中，通过调谐方程

更进一步地，所述的步骤四中，先对数据进行CIC抽取滤波，将数据速率降速为FFT的采样速率，再对数据进行CIC补偿滤波，对CIC过渡带的幅度进行补偿。

更进一步地，所述的步骤四中，将经过CIC抽取补偿后的数据进行用FIR滤波，对抽取后的带外信号进行抑制。

本发明使用上述方法的一种基于接收机的流水线式全景扫描设备，包括上位机和接收机，其中，接收机包括射频模块、中频控制模块和存储模块，所述的射频模块中，包括多个本振寄存器，多个本振寄存器分别组成FPGA系统和滤波系统；所述的射频模块与中频控制模块连接，中频控制模块对射频模块传递的信号做采样、滤波、傅里叶转换、信号处理；中频控制模块和存储模块电连接，将处理后的信号传输至存储模块；上位机控制三模块运行。

更进一步地，所述的射频模块包括射频端整数控制器和射频小数控制器，二者设置于同一芯片，通过寄存器进行控制，二者同时运行；所述的滤波系统包括CIC抽取滤波器和FIR滤波器，二者之间还设置有CIC补偿滤波器。

更进一步地，所述的存储模块包括BUFFER和DDR3，该BUFFER为双口RAM缓存，共设置两个。

更进一步地，所述的接收机运行流程为，

先计算相应参数：各波段本振起始/步进量化值总步进次数、扫描涉及的波段号、各波段步进次数和扫频帧数、总数据点数和最后一顿数据点数；由PS端下发上述计算至PL端，并初始化扫描时序；

再下发第一本振寄存器参数、第二本振寄存器参数、初始波段通道参数、通道增益参数和初始扫描使能；然后初始化扫描参数并开始扫描；

之后下发第一本振寄存器控制，判断是否切换通道；判断完成后进行乒乓式数据存储；同时判定数据是否存储完成，若完成则将数据存入缓存同时判定是否为最后一帧，为否则继续进行扫描，为是则由PL端DMA中断至PS端，PS端读取频率扫描结果，对数据进行频响补偿，并显示频谱测量迹线，同时下发下一次扫描的指令。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种基于接收机的流水线式全景扫描方法，在进行数据处理的同时，下发下一次的扫描指令，能够同时进行多个步骤，无需等待数据处理完成后才进行下一次的扫频和数据处理，整个操作是非线性的，能够并行处理多个步骤，提升了扫频的速率，使得全景扫描仪的性能得到提升。

(2)本发明的一种基于接收机的流水线式全景扫描方法，对扫描获得的数据进行多次滤波，先进行CIC抽取滤波，降低数据速率；为了解决CIC低通特性的问题，本发明在对数据进行CIC抽取滤波之后，再对数据进行CIC补偿滤波，降低数据FFT之后频谱的带内响应值，提高其实用效果；最后再对数据进行FIR滤波，抑制数据抽取之后的带外信号，进一步提升数据的准确性。

(3)本发明的一种基于接收机的流水线式全景扫描设备，设置了FPGA模块，通过该模块能够并行实现射频端控制、信号处理(傅里叶变换等)、数据存储和数据传输工作，扫频速率由1G/s提升至100G/s，大大提高接收机扫频性能。

(4)本发明的一种基于接收机的流水线式全景扫描设备，设置了两个双口RAM缓存，两个RAM缓存以乒乓模式对数据进行存储，利用FFT计算时间进行数据存储，节省了数据存储的时间，大大提高了系统运行速率，节省了时间，提高了扫描效率。

附图说明

图1为FFT数据处理通路示意图；

图2为数据旋转/抛点操作过程示意图；

图3为拼帧过程示意图；

图4为本发明全景扫频设计框图；

图5为本发明接收机运行流程图；

图6为本发明接收机与上位机交互流程图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例

本实施例的一种基于接收机的流水线式全景扫描方法，其步骤为：

步骤一、在上位机设置起始频率a、终止频率b和扫频频率步进d；

步骤二、根据步骤一所设置的参数计算射频步进次数N：

接收机接收上位机传输的起始频率a、终止频率b和扫频频率步进d数据，根据

步骤三、通过调谐方程计算射频端整数控制和射频小数控制，并通过FPGA串行输出；随后根据计算的控制参数控制扫描仪进行全景扫描：

步骤二获取到射频步进次数N后，依旧利用步骤一上位机设定的参数，在接收机中通过调谐方程

步骤四、对步骤三的数据进行CIC滤波和FIR滤波后存入BUFFER，待BUFFER数据量足够后重新计算调谐方程改变中心频点：

步骤三进行全景扫描后获得数据需要进行多段滤波，先对数据进行CIC抽取滤波，将数据速率降速为FFT的采样速率，但是由于CIC的低通特性问题，需要对CIC过渡带的幅度做补偿，否则FFT之后频谱的带内响应值太大，影响实际使用效果。因此在对数据进行CIC抽取滤波之后，又加入了了CIC补偿滤波。CIC抽取补偿后，需要利用FIR滤波器对抽取之后的带外信号进行抑制，对数据进一步滤波。三重滤波既抑制了数据中的带外信号等干扰，又对数据进行补偿，降低频谱的带内响应值，保证了数据的准确性和实用性，提升了扫描仪的准确度。

步骤五、将存入BUFFER的数据通过傅里叶转换存入DDR3：

结合图1-图3，处理过后的数据写入双口RAM进行缓存，为了提高扫描效率，此处采用两个双口RAM以乒乓模式进行存储，在进行数字信号处理的过程中，数据存储占用时间较长，以12.5kHz步进为例，FFT长度为4096，一帧数据的存储时间约为80μs，加上本振步进稳定时间120μs，总共一帧数据存储的时间开销约为200μs，而一帧FFT的计算时间约为162μs，从理论时间上看出，数据的存储时间要大于FFT的计算时间，所以利用FFT计算时间进行数据存储，可以提高扫描效率。FFT之后的数据进行求模运算(abs)，然后进行旋转移位，得到瞬时带宽内的频谱数据。由于FFT之前的数据为过采样，所以需要抛掉多余频谱数据，本实施例接收机的频谱数据过采样倍数为1.28倍，以4096点FFT长度为例，需要保留的点数为4096/1.28＝3200点。

步骤六、上位机从DDR3获取数据，并显示全景扫频频谱图。

结合图4-图6，本实施例的使用上述方法的一种基于接收机的流水线式全景扫描设备，包括上位机和接收机，其中，接收机包括射频模块、中频控制模块和存储模块，所述的射频模块中，包括多个本振寄存器，多个本振寄存器分别组成FPGA系统和滤波系统；所述的射频模块与中频控制模块连接，中频控制模块对射频模块传递的信号做采样、滤波、傅里叶转换、信号处理；中频控制模块和存储模块电连接，将处理后的信号传输至存储模块；上位机控制三模块运行。

其中，射频模块包括射频端整数控制器和射频小数控制器，二者设置于同一芯片，通过寄存器进行控制，二者同时运行；所述的滤波模块包括CIC抽取滤波器和FIR滤波器，二者之间还设置有CIC补偿滤波器。存储模块包括BUFFER和DDR3，该BUFFER为双口RAM缓存，共设置两个。

本实施例的接收机运行流程为：

(1)先计算相应参数：各波段本振起始/步进量化值总步进次数、扫描涉及的波段号、各波段步进次数和扫频帧数、总数据点数和最后一顿数据点数；由PS端下发上述计算至PL端，并初始化扫描时序；

(2)再下发第一本振寄存器参数、第二本振寄存器参数、初始波段通道参数、通道增益参数和初始扫描使能；然后初始化扫描参数并开始扫描；

(3)之后下发第一本振寄存器控制，判断是否切换通道；判断完成后进行乒乓式数据存储；同时判定数据是否存储完成，若完成则将数据存入缓存同时判定是否为最后一帧，为否则继续进行扫描，为是则由PL端DMA中断至PS端，PS端读取频率扫描结果，对数据进行频响补偿，并显示频谱测量迹线，同时下发下一次扫描的指令。

本实施例根据FPGA可以并行处理信号的特点，根据扫频范围和扫频步进设置，FPGA定时改变射频端中心频点，接收的数据做傅里叶变换，处理后的数据做存储和转发，在进行数据处理的同时，下发下一次的扫描指令，能够同时进行多个步骤，无需等待数据处理完成后才进行下一次的扫频和数据处理，整个操作是非线性的，能够并行处理多个步骤，提升了扫频的速率，所有事情像流水线一样并行处理完成，使得全景扫描仪的性能得到提升。

本实施例接收机设置较宽的扫宽也能在很短的时间内刷出扫频频谱图，在RBW为12.5K时可达到120G/s扫描速率。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。