采用Weltch譜估計法的寬帶頻譜監測系統設計

慈國輝,李慧勛，張紅濤

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍32039部隊，北京 100094)

采用Weltch譜估計法的寬帶頻譜監測系統設計

慈國輝1,李慧勛2，張紅濤1

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍32039部隊，北京 100094)

針對通信過程中異常信號干擾和頻譜資源利用緊張的問題，設計了頻譜監測系統，FPGA進行數字下變頻(DDC)和傅里葉變換(FFT)，OMAPL138進行數據的運算及顯示。針對實時頻譜帶寬較窄的問題，采用掃頻和FFT相結合的方式來實現寬帶頻譜的采集分析。采用Weltch譜估計的方法，提高了在最小頻率分辨率的頻譜刷新速率。在FPGA硬件平臺上進行仿真驗證，測試結果表明，采用Weltch法的頻譜刷新時間是直接FFT法的1/13。

頻譜監測；傅里葉變換；Welch譜估計；寬帶頻譜

0 引言

頻譜監測技術是用來監測和管理頻段信息的主要手段。隨著無線電的發展，頻譜資源的利用也在不斷增加，致使頻譜資源的使用變得日益緊張[1]。提升頻譜資源的利用率、監測異常信號已經成為面臨的重大問題。為了合理利用頻譜資源，對頻譜的監測和管理顯得尤為關鍵[2]，所以對頻譜監測系統的研究具有重要意義。

頻譜監測目前多以掃頻方式或基于FFT的數字分析方法來實現。掃頻方式組成簡單[3]，但不能完全反映顯示帶寬內的信號變化，且監測瞬變信號和異常信號的能力相對較弱；基于FFT的數字分析方法能夠將檢測信號轉換到頻域，具備檢測間歇性信號、是否存在瞬時頻譜包容超限等能力[4]。但實際應用中，對在小分辨率下寬帶的頻譜，采用單FFT通常無法滿足要求。

本文設計了一種頻譜監測系統，采用掃頻和FFT相結合的方法來實現寬帶的頻譜采集。采用Welch譜估計法進行頻譜數據重組，大大提高了頻譜刷新速度。以FPGA和OMAPL138為數字處理核心，實時性好，可擴充性強，易升級。

1 頻譜監測系統原理

頻譜監測系統原理框圖如圖1所示。射頻信號與本振信號進行混頻，轉化為360 MHz的中頻信號。經過帶通濾波，通帶寬度為16 MHz，AD采樣速率為50 MHz，經過AD轉換得到10 MHz的中頻數字信號。中頻數字信號進行DDC后變成零頻的基帶信號。然后對其基帶信號進行加窗。采用乒乓結構將加窗后的信號進行無丟失的1 024點FFT分析，然后對FFT數據求模取平均[5]。OMAPL138通過DMA方式乒乓讀取FFT分析結果。OMAPL138控制FPGA的寄存器來設置DDC降采樣速率等參數，通過串口設置本振源的頻率來實現頻譜數據的采集。OMAPL138芯片包含2個處理器核：C6000系列DSP核和ARM9核[6]。DSP主要完成下變頻器控制、FPGA內部寄存器參數配置、頻譜數據讀取和組合；ARM主要負責將頻譜數據通過網口傳輸給上位機進行顯示及將設置命令輸出給DSP。

圖1 頻譜監測系統原理

2 頻譜監測系統實現

2.1 不同SPAN的FPGA實現

此系統采用Xilinx公司的FPGA芯片，FPGA內部原理框圖如圖2所示。

圖2 FPGA內部原理

AD數字轉換生成的10 MHz中頻數字信號分成2路，與NCO產生的2路正交信號(正余弦信號)分別相乘，得到正交的2路基帶信號I/Q。由于數據具有很高的速率，經過CIC和FIR等濾波器進行抽取濾波后，實現降低信號采樣速率功能[7]，這樣滿足后端DSP實時處理的要求。

Xilinx ISE工具提供了實現一些通用功能的IP核，在設計開發過程中，可大大縮短開發周期，提高設計的可靠性。在本設計中采用FIR Compiler核來實現FIR濾波器模塊，采用CIC Compiler核來實現CIC濾波器模塊。

為了使數字下變頻實現不同系數的抽取[8-9]，FPGA內部設計了控制模塊，根據不同降采樣系數，控制CIC濾波器和FIR濾波器的采樣速率。設二級CIC和FIR濾波器的降采樣系數為R1、R2和R3，數字采樣速率為50 MHz，則DDC輸出的速率fc為：

DDC輸出的數據進行加窗運算。窗函數采用漢寧窗。本設計采用查找表法實現加窗運算，根據窗函數的各個相位值相對應的余弦數據值建立查找表，并將余弦數據值存儲在只讀存儲器(ROM)中。系統工作時根據查找表輸出窗函數值，將頻譜數據與其相乘完成加窗運算。

乒乓控制模塊對加窗后的數據進行乒乓操作。當對RAM1中的數據寫入時，RAM2的數據進行FFT運算[10]，當FFT運算完成后，將加窗后的數據寫入RAM2，同時RAM1的數據進行FFT運算，以此類推，2個RAM區進行循環乒乓操作。

FFT運算采用FFT IP核。運算點數N為1 024，系統的頻率分辨率Δf為：

但由于降采樣時抗混疊濾波器的影響不能取1 024點頻譜，在此取615點頻譜，則FFT頻譜分析帶寬SPAN為：

SPAN=615×Δf，

則頻率分辨率與SPAN及降采樣系數的關系如表1所示。

表1 頻率分辨率與降采樣系數的關系

2.2 36 MHz帶寬的頻譜信號組合

在頻譜分析帶寬高于FFT頻譜分析的最大帶寬時，需要采用掃頻和FFT相結合的方法，將帶寬分為幾段，每段分別進行FFT頻譜分析，然后組合出整個帶寬的頻譜。

本系統頻譜分析帶寬為36 MHz，而系統的FFT實時頻譜分析的最大帶寬為15 MHz[11]，所以需要將帶寬分為3個12 MHz。每次以12 MHz帶寬為步進遞增改變本振源的中心頻率，進行頻譜分析，而在12 MHz帶寬內，改變NCO的中心頻率，進行FFT運算。當12 MHz帶寬內的頻譜分析完成后，改變本振源中心頻率，進行下一段12 MHz的頻譜分析。以此類推，從SPAN頻率最低端掃頻到SPAN頻率最高端，完成一次寬SPAN帶寬內的頻譜計算。

設f0為顯示的中心頻率，fn為本振源的第n次設置頻率，N為分段數，此系統中N=3，SPAN為36 MHz，則本振源的第n次設置頻率fn為：

式中，n∈[0，2]。

設不同頻率分辨率對應的頻率步進為f，則12 MHz帶寬內的分段數Num為：

每段中NCO的設置頻率為：

式中，n∈[0，Num)。

頻率分辨率與幀刷新時間關系如表2所示。設頻譜的平均次數為128，每幀的刷新時間包括本振源頻率的轉換時間、NCO的轉換時間和整個帶寬內128幀的平均時間。

表2 頻率分辨率與分頻比、時間的關系

3 Welch譜估計法實現

3.1 Welch譜估計法描述

Welch譜估計法中L段數據之間有重疊，增大了數據段數[13]，FFT次數增多，估計出的功率譜方差大大改善。同時數據組幀的速率提高，FFT運算生成數據的速率也相應提高。由表2可知，在最小頻率分辨率時的每幀的刷新時間達到7 900 ms，更新數據太慢，采用Welch譜估計法可以提高頻譜的刷新速率[14]。

3.2 Welch功率譜的FPGA實現

本系統中FFT采用1 024點，將其平均分為16段，每段64個點，即每64點新數據和960點舊數據組合生成一幀重組數據，然后對其進行FFT運算，Welch譜估計法的實現框圖如圖3所示。

圖3 Welch譜估計法的實現

在FPGA內部開辟2個數據區RAM1和RAM2，每個區域大小為1 024點數據，采用乒乓操作方式將DDC數據接收存儲。存儲地址控制單元控制RAM1和RAM2區中的數據送至內部緩存進行運算。當RAM1中數據寫滿后，對RAM2區進行寫數據。當RAM2中寫入第m段數據時，將RAM2的前m段數據和RAM1的后16-m段數據重新組合成一幀新數據，送至內部緩存進行FFT運算。當RAM2寫完后，再將數據一段一段寫入RAM1的同時，按照上述方式將2個RAM區的數據重新組合[15]。由于前端數據生成的速率相同，將數據分成L段，每生成一段數據，就對其做一次FFT運算，這樣數據刷新時間相當于直接FFT法刷新時間的1/L。

3.3 實驗結果分析

本系統選用Xilinx公司Spartan6系列的XC6SLX100芯片，對系統進行功能驗證，通過OMAPL138捕獲中斷間隔來測試每幀的刷新時間。采用Welch法與直接FFT法的每幀刷新時間對比如表3所示。在頻率分辨率為1.626 kHz和0.976 kHz時，采用Welch譜估計法進行數據分段[16]，然后對重組數據進行FFT運算，查看OMAPL138的中斷間隔時間。可以看出采用Welch法的平均時間為直接FFT法的1/16，總刷新時間為直接FFT法的1/13。

表3 Welch法與直接FFT法的刷新時間對比

4 結束語

本系統采用FPGA和OMAPL138組合的實時數字處理架構，FPGA邏輯資源豐富，算法效率高。OMAPL138雙核結構處理多線程任務強，兩核之間通信速率高，數據處理靈活。這種架構具有高速、穩定、可編程性強和可擴展性強等優點。由于實時頻譜分析帶寬較窄，系統采用掃頻和FFT相結合的方法，對頻譜數據進行拼接來實現寬帶頻譜功能。在FPGA上實現Weltch譜估計的方法，解決了直接FFT法在最小分辨率下頻譜刷新慢的問題。系統在工程中已經驗證完成，滿足工程需求，具有廣闊的應用前景。

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TheDesignofWide-bandSpectrumMonitorSystemAdoptingWelchPowerSpectralEstimation

CI Guohui1,LI Huixun2,ZHANG Hongtao1

(1.The54thResearchInstituteofCETC,Shijiazhuang050081,China;2.Unit32039,PLA,Beijing100094,China)

In order to solve the problem of abnornal signal and the nervous spectrum resources in the communication process,spectrum monitor system is designed.The function of digital down converter and fast fourier-transform is implemented on FPGA,and the operation and display of the spectrum is implemented on OMAPL138.The acquisition and analysis of wide-band spectrum data is implemented to mitigate the narrow real-time spectral bandwidth using spectrum scanning and FFT.The spectral refresh rate of the minimum frequency resolution is increased greatly using Welch spectral estimation.The algorithm is implemented and tested on the FPGA hardware platform.Performance test results show that the spectral refresh time is decreased to one thirteenth of the FFT time using the method of Welch spectral estimation.

spectrum monitor；FFT；Welch spectral estimation；wide-band spectrum

2017-09-12

10.3969/j.issn.1003-3106.2018.01.06

慈國輝,李慧勛,張紅濤.采用Weltch譜估計法的寬帶頻譜監測系統設計[J].無線電工程,2018,48(1):25-28.[CI Guohui,LI Huixun,ZHANG Hongtao.The Design of Wide-band Spectrum Monitor System Adopting Welch Power Spectral Estimation[J].Radio Engineering,2018,48(1):25-28.]

TM935.21

A

1003-3106(2018)01-0025-04

慈國輝男，(1987—)，畢業于東北大學電路與系統專業，碩士，工程師。主要研究方向：信號處理與解調。

李慧勛男，(1978—)，碩士，工程師。主要研究方向：航天通信。

張紅濤男，(1982—)，碩士，高級工程師。主要研究方向：衛星通信與低電平穩定系統。