本發(fā)明屬于無(wú)線電通訊領(lǐng)域，尤其涉及一種基于FPGA的多通道短波/超短波信號(hào)處理系統(tǒng)及處理方法。

背景技術(shù)：

隨著計(jì)算機(jī)和信息科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們面臨的信號(hào)處理任務(wù)越來(lái)越繁重，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。由此，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并且得到了迅速的發(fā)展。由于其具有算法靈活、抗干擾能力強(qiáng)、處理速度快、結(jié)果精確等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、軟件無(wú)線電、工業(yè)自動(dòng)化控制等領(lǐng)域。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用平臺(tái)，也因此得到了很大的發(fā)展，在采樣速率、處理能力等方面都有了很大的提高。

FPGA技術(shù)的快速發(fā)展，使得FPGA在信號(hào)采集與處理方面的優(yōu)勢(shì)也越來(lái)越明顯。FPGA芯片不僅具有很強(qiáng)的邏輯控制能力，而且具有較強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力?，F(xiàn)在新型的FPGA芯片中一般都集成了DSP模塊，甚至嵌入了軟/硬核處理器，加上FPGA在信號(hào)并行處理方面的優(yōu)勢(shì)，使得基于FPGA的信號(hào)采集控制與處理已經(jīng)完全成為可能?；贔PGA的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)周期短、設(shè)計(jì)靈活、成本低、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種基于FPGA的多通道短波/超短波信號(hào)處理系統(tǒng)，具有高速實(shí)時(shí)采集，系統(tǒng)的精度高，通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，采用軟件無(wú)線電思想，能夠廣泛應(yīng)用在語(yǔ)音信號(hào)、圖像處理及自動(dòng)化控制等領(lǐng)域。

本發(fā)明提出了一種基于FPGA的多通道短波/超短波信號(hào)處理系統(tǒng)，包括接收模塊、采集控制與處理模塊和客戶端模塊；所述接收模塊與所述采集控制與處理模塊連接，所述采集控制與處理模塊與所述客戶端模塊連接；其中，所述接收模塊包括：射頻電路和下變頻電路；所述射頻電路的輸出端與所述下變頻電路的輸入端連接；所述采集控制與處理模塊包括：多通道選擇電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和FPGA及其外圍電路；所述多通道選擇電路的輸入端與所述下變頻電路的輸出端連接；所述A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端與所述多通道選擇電路的輸出端連接；所述FPGA及其外圍電路的輸入端與所述A/D轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接；所述客戶端模塊包括：串口連接電路與上位機(jī)模塊；所述串口電路連接電路的輸入端與所述FPGA及其外圍電路的輸出端連接；所述上位機(jī)模塊的輸入端與所述串口連接電路的輸出端連接。

本發(fā)明提出的基于FPGA的多通道短波/超短波信號(hào)處理系統(tǒng)中，所述FPGA及其外圍電路包括：采集控制單元、信號(hào)處理單元、存儲(chǔ)控制單元和存儲(chǔ)器單元；其中，所述采集控制單 元產(chǎn)生邏輯控制信號(hào)控制所述多通道選擇電路完成對(duì)多路模擬信號(hào)的選擇，并控制所述A/D轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生工作時(shí)序?qū)⑦x擇后的多路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入FPGA進(jìn)行FFT處理；所述存儲(chǔ)控制單元產(chǎn)生邏輯控制信號(hào)，將FFT處理后的信號(hào)存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器單元中。

本發(fā)明提出的基于FPGA的多通道短波/超短波信號(hào)處理系統(tǒng)中，所述FPGA為ALTERA的Cyclone II系列的EP2C35F672C6N。

本發(fā)明提出的基于FPGA的多通道短波/超短波信號(hào)處理系統(tǒng)中，所述存儲(chǔ)器單元為片外Flash存儲(chǔ)器。

本發(fā)明提出的基于FPGA的多通道短波/超短波信號(hào)處理系統(tǒng)中，所述多通道選擇電路為16路的多通道選擇開(kāi)關(guān)AD7506。

本發(fā)明提出的基于FPGA的多通道短波/超短波信號(hào)處理系統(tǒng)中，所述A/D轉(zhuǎn)換電路為雙路12位的AD7862。

本發(fā)明提出的基于FPGA的多通道短波/超短波信號(hào)處理系統(tǒng)中，所述上位機(jī)模塊采用MATLAB語(yǔ)言編寫(xiě)圖形用戶界面，界面顯示各通道信號(hào)的波形和頻率參數(shù)。

本發(fā)明還提出了一種多通道短波/超短波信號(hào)處理系統(tǒng)的處理方法，包括以下步驟：

步驟一：通過(guò)射頻電路對(duì)接收到的短波/超短波目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行選頻、濾波和放大，并由下變頻模塊高頻信號(hào)變頻為中頻信號(hào)；

步驟二：FPGA及其外圍電路控制多通道選擇電路完成對(duì)多路模擬信號(hào)的選擇，并控制A/D轉(zhuǎn)換電路將選擇后的多路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入FPGA進(jìn)行FFT處理；

步驟三：通過(guò)串口連接電路將處理后的信號(hào)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)模塊中，通過(guò)所述上位機(jī)模塊的可視化界面將相關(guān)參數(shù)顯示。

本發(fā)明提出的處理方法中，所述步驟二包括：

步驟a：采集控制單元產(chǎn)生邏輯控制信號(hào)控制所述多通道選擇電路完成對(duì)多路模擬信號(hào)的選擇，并控制所述A/D轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生工作時(shí)序?qū)⑦x擇后的多路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入FPGA進(jìn)行FFT處理；

步驟b：存儲(chǔ)控制單元產(chǎn)生邏輯控制信號(hào)，將FFT處理后的信號(hào)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中；

步驟c：通過(guò)設(shè)置溢出參數(shù)將存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器單元中信號(hào)數(shù)據(jù)輸出。

本發(fā)明通過(guò)采用四個(gè)多通道選擇開(kāi)關(guān)AD7506，實(shí)現(xiàn)了四通道的短波/超短波中頻模擬信號(hào)的高速實(shí)時(shí)采集，系統(tǒng)的精度高，通用性強(qiáng)，可根據(jù)實(shí)際的采集需求，通過(guò)簡(jiǎn)單地增加多通道選擇開(kāi)關(guān)即可實(shí)現(xiàn)更多通道的信號(hào)實(shí)時(shí)采集。

本發(fā)明基于FPGA的多通道短波/超短波信號(hào)處理系統(tǒng)，通過(guò)采用軟件無(wú)線電的設(shè)計(jì)思想，使經(jīng)過(guò)接收后的模擬信號(hào)盡可能快的實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，避免信號(hào)傳輸過(guò)程中可能受到的內(nèi)部或外 界的干擾。克服了傳統(tǒng)采集處理系統(tǒng)的低速、不可靠等缺陷，是數(shù)據(jù)的傳輸?shù)目煽啃缘玫皆鰪?qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)包括圖形、語(yǔ)音及圖像等的傳輸，滿足了現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集與處理的需求。

本發(fā)明能夠應(yīng)用于短波/超短波通信如工業(yè)自動(dòng)化控制、水利水情監(jiān)測(cè)、電力應(yīng)急通信等領(lǐng)域的信號(hào)采集與處理中。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明基于FPGA的多通道短波/超短波信號(hào)處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明基于FPGA的多通道短波/超短波信號(hào)處理系統(tǒng)中采集控制與處理模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明基于FPGA的多通道短波/超短波信號(hào)處理系統(tǒng)中上位機(jī)可視化界面的設(shè)計(jì)圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合以下具體實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施本發(fā)明的過(guò)程、條件、實(shí)驗(yàn)方法等，除以下專門(mén)提及的內(nèi)容外，均為本領(lǐng)域的普通知識(shí)和公知常識(shí)，本發(fā)明沒(méi)有特別限制內(nèi)容。

本發(fā)明中所涉及的“模塊”均指內(nèi)部燒錄的或固有程序的芯片及其連接電路，芯片中所燒錄或固有的程序均為現(xiàn)有公知技術(shù)。

圖1是本發(fā)明基于FPGA的多通道短波/超短波信號(hào)處理系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框架。本發(fā)明包括：接收模塊100、采集控制與處理模塊200與客戶端模塊300。

其中，接收模塊100與采集控制與處理模塊200連接，采集控制與處理模塊200與客戶端模塊300連接，接收模塊100用于接收短波/超短波目標(biāo)信號(hào),并進(jìn)行相應(yīng)的變頻處理。采集控制與處理模塊200是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，控制系統(tǒng)的相關(guān)功能模塊完成對(duì)信號(hào)的采集與處理任務(wù)。客戶端模塊300主要是將采集到的多路信號(hào)的相關(guān)波形和頻率等進(jìn)行可視化顯示，更直觀地呈現(xiàn)給系統(tǒng)管理者。

參閱圖1,接收模塊100包括：射頻電路110和下變頻電路120，射頻電路110用于對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行選頻、濾波、放大等，下變頻模塊120用于將高頻的短波/超短波信號(hào)變頻至采集控制與處理模塊200可處理的中頻信號(hào)。

參閱圖1，采集控制與處理模塊200包括：多通道選擇電路210、A/D轉(zhuǎn)換電路220與FPGA及其外圍電路230。在系統(tǒng)工作時(shí)，多路模擬信號(hào)首先經(jīng)過(guò)多通道選擇電路210和A/D轉(zhuǎn)換電路220，采集控制單元231通過(guò)控制多通道選擇電路210和A/D轉(zhuǎn)換電路220，產(chǎn)生控制A/D轉(zhuǎn)換的工作時(shí)序和進(jìn)行多通道選擇的邏輯控制信號(hào)，完成對(duì)多路模擬信號(hào)的選擇，并對(duì)選擇后的多路模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入FPGA進(jìn)行FFT處理， 最后由存儲(chǔ)控制單元233產(chǎn)生存儲(chǔ)器單元234的邏輯控制信號(hào)，將經(jīng)過(guò)FFT處理后的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)。

參閱圖1，客戶端模塊300包括：串口連接電路310和上位機(jī)模塊320，采集控制與處理模塊200中的存儲(chǔ)控制單元233通過(guò)產(chǎn)生邏輯控制信號(hào)，對(duì)經(jīng)過(guò)FFT處理后的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，而通過(guò)設(shè)置一定的溢出參數(shù)，將存儲(chǔ)的信號(hào)數(shù)據(jù)通過(guò)串口連接電路310上傳至上位機(jī)模塊320中，通過(guò)上位機(jī)的可視化界面將相關(guān)參數(shù)顯示。

以下結(jié)合圖2對(duì)采集控制與處理模塊200的結(jié)構(gòu)及其功能做進(jìn)一步的說(shuō)明。

本發(fā)明選擇16路的多通道選擇開(kāi)關(guān)AD7506，通過(guò)控制使能端高電平有效來(lái)控制AD7506的工作狀態(tài)。根據(jù)需要采集的信號(hào)路數(shù)，將采集信號(hào)輸入通道進(jìn)行分組，從而通過(guò)多片AD7506實(shí)現(xiàn)對(duì)多路模擬輸入信號(hào)的通道選擇。由FPGA控制產(chǎn)生AD7506所需的片選信號(hào)和通道選擇時(shí)序信號(hào)。

A/D轉(zhuǎn)換電路220的作用就是把采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以便后面的信號(hào)處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理。本發(fā)明選擇雙路12位的AD轉(zhuǎn)換芯片AD7862，該芯片內(nèi)部集成了兩個(gè)可以同時(shí)工作的12位AD轉(zhuǎn)換器，可以完成兩組通道信號(hào)中的任意一組通道的2路模擬信號(hào)同時(shí)采樣，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為4us。FPGA會(huì)產(chǎn)生片選信號(hào)、多路選擇信號(hào)、讀取控制信號(hào)及CONVST信號(hào)，從而控制AD7862完成由模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。進(jìn)過(guò)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)送入FPGA進(jìn)行FFT處理。

數(shù)字信號(hào)處理中的相關(guān)、濾波、譜估計(jì)、卷積等都可以化為離散傅里葉變換DFT來(lái)實(shí)現(xiàn)，DFT是實(shí)現(xiàn)處理數(shù)字信號(hào)如圖形、語(yǔ)音及圖像等的重要變換工具，快速傅里葉變換FFT是DFT的快速算法。經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)1024點(diǎn)數(shù)的FFT算法，從而完成數(shù)字信號(hào)處理。

本發(fā)明設(shè)計(jì)中需要用到存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理后的信號(hào)，同時(shí)也作為上傳上位機(jī)前的過(guò)渡。本發(fā)明中使用的ALTERA的Cyclone II系列的EP2C35F672C6N型號(hào)，其片內(nèi)含有105個(gè)M4K RAM塊，F(xiàn)PGA的片內(nèi)存儲(chǔ)器的存取速度快，使用起來(lái)很方便，但是存儲(chǔ)量有限，一般只能用來(lái)存儲(chǔ)少量的數(shù)據(jù)。同時(shí)使用片內(nèi)存儲(chǔ)也會(huì)占用FPGA的一部分邏輯資源，所以本發(fā)明采用片外的Flash存儲(chǔ)器。

參閱圖1，客戶端模塊300包括串口連接電路310與上位機(jī)模塊320。經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在片外Flash中，通過(guò)在FPGA中設(shè)置一定的溢出參數(shù)，當(dāng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)達(dá)到溢出值時(shí)，數(shù)據(jù)將通過(guò)串口連接電路上傳至上位機(jī)。

參閱圖3，上位機(jī)的可視化圖形用戶界面由MATLAB編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)所要采集的信號(hào)通道數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)顯示的界面，圖形用戶界面主要用來(lái)顯示經(jīng)過(guò)數(shù)字處理后的各通道信號(hào)的波 形，頻率等參數(shù)。

基于本發(fā)明提出的基于FPGA的多通道短波/超短波信號(hào)處理系統(tǒng)，本發(fā)明還提出了一種該系統(tǒng)的處理方法，包括以下步驟：

步驟一：通過(guò)射頻電路110對(duì)接收到的短波/超短波目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行選頻、濾波和放大，并由下變頻模塊120高頻信號(hào)變頻為中頻信號(hào)；

步驟二：FPGA及其外圍電路230控制多通道選擇電路210完成對(duì)多路模擬信號(hào)的選擇，并控制A/D轉(zhuǎn)換電路220將選擇后的多路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入FPGA進(jìn)行FFT處理；

步驟三：通過(guò)串口連接電路310將處理后的信號(hào)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)模塊320中，通過(guò)上位機(jī)模塊320的可視化界面將相關(guān)參數(shù)顯示。

其中，步驟二包括：

步驟a：采集控制單元231產(chǎn)生邏輯控制信號(hào)控制多通道選擇電路210完成對(duì)多路模擬信號(hào)的選擇，并控制A/D轉(zhuǎn)換電路220產(chǎn)生工作時(shí)序?qū)⑦x擇后的多路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入FPGA進(jìn)行FFT處理；

步驟b：存儲(chǔ)控制單元233產(chǎn)生邏輯控制信號(hào)，將FFT處理后的信號(hào)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元234中；

步驟c：通過(guò)設(shè)置溢出參數(shù)將存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元234中信號(hào)數(shù)據(jù)輸出。

本發(fā)明尤其適用于傳統(tǒng)的短波/超短波數(shù)傳通信領(lǐng)域，如工業(yè)控制、水利監(jiān)控等，相對(duì)于其他無(wú)線通信如GPRS、衛(wèi)星通信等，短波/超短波直射波通信，在長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)其信道參數(shù)可以當(dāng)作是恒定不變的，因而短波/超短波通信更加可靠也更簡(jiǎn)單、更穩(wěn)定。相對(duì)于傳統(tǒng)的基于單片機(jī)為核心的控制與處理系統(tǒng)，時(shí)鐘頻率低，主要靠軟件運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)，效率相對(duì)較低，難以滿足高速、高可靠性的采集要求。而DSP雖然具有較為強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力，擅長(zhǎng)海量數(shù)據(jù)處理，但很難完成外圍復(fù)雜邏輯器件的控制。而FPGA優(yōu)良的性能既實(shí)現(xiàn)了高速、高可靠性的信號(hào)處理要求，又具有強(qiáng)大的邏輯控制功能。因此，本發(fā)明可以很好地完成相關(guān)領(lǐng)域的信號(hào)采集與處理功能，具有廣闊的應(yīng)用前景。

實(shí)施例

某城市的自來(lái)水供應(yīng)系統(tǒng)中，其擁有4個(gè)水廠，壓力監(jiān)測(cè)站12個(gè)和流量監(jiān)測(cè)站8個(gè)，4個(gè)水廠為分控室，分別監(jiān)控所轄的壓力和流量監(jiān)測(cè)站，此外，城市還擁有一個(gè)總控制中心。通過(guò)無(wú)線通信將總監(jiān)控站和4個(gè)分控室連接起來(lái)，4個(gè)分控室又分別與各個(gè)壓力和流量監(jiān)測(cè)站連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了集中管理、分散控制，避免了集中控制系統(tǒng)危險(xiǎn)度集中、可靠性差、不易擴(kuò)展等，從根本上提高了系統(tǒng)可靠性?，F(xiàn)有的供水系統(tǒng)中，為了對(duì)分布在不同位置的設(shè)備狀況(流量/壓力)進(jìn)行監(jiān)控，需要將分布在這些位置上的傳感器所采集到信號(hào)實(shí)時(shí)上傳到監(jiān) 控中心。目前遠(yuǎn)程傳輸有多種方式，采用有線通信或無(wú)線CDMA/GPRS通信方式，但從供水系統(tǒng)的特殊地理環(huán)境及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用角度考慮，很多也會(huì)選擇短波/超短波的無(wú)線傳輸方式。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，一個(gè)水廠由一個(gè)控制中心和眾多的監(jiān)測(cè)站組成，所以在通信組網(wǎng)時(shí)，采用一個(gè)控制中心對(duì)眾多分監(jiān)測(cè)站的方式，分監(jiān)測(cè)站安裝天線發(fā)射信號(hào)，控制中心安裝定向天線來(lái)接收并發(fā)射應(yīng)答信號(hào)總。供水系統(tǒng)是一個(gè)城市的核心功能之一，對(duì)于供水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)必須擁有良好的實(shí)時(shí)響應(yīng)與處理能力、傳輸速率高、建設(shè)成本低、覆蓋范圍廣等，而超短波通信憑借良好的性能完全能夠滿足上述要求。系統(tǒng)的各個(gè)壓力和流量監(jiān)測(cè)站都擁有傳感器和信息傳輸設(shè)備，在現(xiàn)有的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)中，需要在分監(jiān)控中心或是總監(jiān)控室針對(duì)每一個(gè)監(jiān)測(cè)對(duì)分別設(shè)置一套信號(hào)接收與處理裝置，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后上傳上位機(jī)顯示。而這樣的設(shè)置需要投入大量的成本去增設(shè)接收與處理設(shè)備，而實(shí)際使用的效率卻很低。

本發(fā)明中，通過(guò)使用多個(gè)16路的多通道選擇開(kāi)關(guān)AD7506和4通道12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7862，將控制中心接收到的各個(gè)分監(jiān)測(cè)站信號(hào)不經(jīng)處理直接送入多通道選擇開(kāi)關(guān)電路，本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)的采集控制模塊有64路采集信號(hào)的輸入通道，將其分為4組，每16個(gè)一組，利用4片AD7506實(shí)現(xiàn)對(duì)64路模擬輸入信號(hào)的通道選擇。然后將信號(hào)接入AD7862電路進(jìn)行集中并行處理，AD7862可以完成兩組通道信號(hào)中的任意一組通道的2路模擬信號(hào)同時(shí)采樣，并通過(guò)FPGA對(duì)多通道選擇開(kāi)關(guān)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)通道的信號(hào)采集、處理、存儲(chǔ)等功能。

本發(fā)明的處理模式省卻了控制中心的接收與處理裝置中的大量處理環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)各個(gè)接收后的信號(hào)進(jìn)行集中處理，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的高速并行處理，增加了系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性、顯著降低系統(tǒng)的建設(shè)成本。

本發(fā)明的保護(hù)內(nèi)容不局限于以上實(shí)施例。在不背離發(fā)明構(gòu)思的精神和范圍下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠想到的變化和優(yōu)點(diǎn)都被包括在本發(fā)明中，并且以所附的權(quán)利要求書(shū)為保護(hù)范圍。