[发明专利]基于DFT频率采样的纱条波谱分析IP软核及其测试方法

权利要求书

1.基于DFT频率采样的纱条波谱分析IP软核，其特征在于，包括有纱条波谱分析计算单元，纱条波谱分析计算单元包括有FPGA器件硬件（8），FPGA器件硬件（8）内利用HDL语言将基于DFT频率采样的纱条波谱分析算法封装为55通道纱条波谱分析IP软核（9），55通道纱条波谱分析IP软核（9）包括有中心频率不同且带宽大小不等的55个频道，每个频道包括有一套基于DFT频率采样的IP子核（10），IP子核（10）包括有输入模块（11）、状态机（12）、两个乘法器（13）、两个累加器模块（14）以及输出模块（15），输入模块（11）包括有xvalues模块（1）、实部常系数avalues模块（2）、虚部常系数bvalues模块（3），状态机（12）内设置有state_m模块（4），乘法器（13）内设置有mult模块（5），累加器模块（14）包括有实部累加accax模块（6）和虚部累加accbx模块（7），

输入模块（11）通过导线与状态机（12）连接，状态机（12）分别通过导线与xvalues模块（1）、实部常系数avalues模块（2）、虚部常系数bvalues模块（3）连接，实部常系数avalues模块（2）通过导线与一个乘法器13中的mult模块（5）、实部累加accax模块（6）、一个触发器DFFE依次连接，虚部常系数bvalues模块（3）通过导线与另一个乘法器（13）中的mult模块（5）、虚部累加accbx模块（7）、另一个触发器DFFE依次连接，xvalues模块（1）通过导线与两个乘法器（13）分别连接。

2.基于DFT频率采样的纱条波谱分析IP软核的检测方法，其特征在于，基于权利要求1的纱条波谱分析IP软核，具体按照以下步骤实施：

步骤1，获得数字纱条信号：

纱条波谱分析IP软核中，

1）首先将纱条均匀度检测传感器获得的模拟纱条信号经A/D转换器转换，模拟纱条信号被转换为数字纱条信号；

2）将数字纱条信号送入输入模块（11），输入模块（11）内的xvalues模块（1）直接将输入的数字纱条信号即采样点值存到FPGA器件硬件（8）内部的存储器中；

步骤2，数字纱条信号进行DFT变换：

将步骤1得到的数字纱条信号进行DFT变换

1）进行一次DFT运算要用到6300个采样值，xvalues模块（1）直接将采样值存到FPGA器件硬件（8）内部的存储器中，输入模块（11）中的xvalues模块（1）、实部常系数avalues模块（2）、虚部常系数bvalues模块（3）都根据输入sel[12..0]的值进入不同的分支，输出不同的存储值；

2）根据DFT变换公式对数字纱条信号进行DFT变换，

DFT变换公式为：

X(k)=DFT[x(n)]=Σn=0L-1x(n)e-j2πPkn=Σn=0L-1x(n)(cos2πPkn-jsin2πPkn)]]>

DFT变换公式中，频域中有效频点与k的对应关系为：其中f表示频域中175个有效频点的频率值；

令ak(n)=cos2πPkn,]]>bk(n)=sin2πPkn,]]>

则DFT变换公式可写为：

X(k)=DFT[x(n)]=Σn=0L-1x(n)×[ak(n)-jbk(n)]]]>

当k值一定时，a_k(n)和b_k(n)是关于n的一组值，n的取值范围为[0，L-1]，a_k(n)和b_k(n)是对应于0≤n≤L-1的L个常量，将a_k(n)和b_k(n)计算好后预先存放到外部存储器内，当数字纱条信号输入时将a_k(n)和b_k(n)的值读入FPGA器件硬件（8）内参与运算；

DFT运算主要是乘-累加运算，只需在乘-累加的基础上外加一个状态机（12）来控制乘累加的时序；乘法器（13）内设置有mult模块（5），输入乘数和被乘数分别对应于14位输入信号值、实部常系数avalues模块（6）和虚部常系数bvalues模块（7）的14位常系数值，输出结果用28位二进制补码表示；累加模器块（14）包括实部累加accax模块（6）和虚部累加accbx模块（7），实部累加accax模块（6）与虚部累加accbx模块（7）的运算相同；实部累加accax模块（6）由输入时钟信号clk、输出触发信号first_d、mult模块（5）输出值同时又是累加器模块（14）的输入值ax[27..0]以及累加器模块（14）的实部累加结果值accax[36..0]组成，实部累加accax模块（6）进行将输入信号值与实部系数a_k乘积的累加运算；将输入的6300个采样值进行DFT运算的实部和虚部计算的结果进行累加并输出，最终得到6300个采样值DFT的实部A_k和虚部B_k；

在新一轮累加循环开始时将上一次的累加结果清零，状态机（12）共有6303个状态，对应6302个sel信号和一个空闲状态，该空闲状态为idle状态与default状态，状态机（12）在1状态到6302状态之间不断的进行循环，同时会向xvalues模块（1）、实部常系数avalues模块（2）、虚部常系数bvalues模块（3）输出一个新的sel值，由于输入信号与常系数已经和sel信号一一对应，状态机12每输出一个sel信号值，实部常系数avalues模块（2）和虚部常系数bvalues模块（3）都会输出一个相应的值，并送入乘法器（13）内，从而使对应的输入信号值与常系数做乘法运算，最后将乘积结果送入累加器模块（14），状态机（12）会在每个循环的开始和结束，分别将first信号与follow信号置1，当first信号为1时，累加器模块（14）将会把上一轮循环的结果清零，开始新一轮累加计算；当follow信号为1时，触发器DEEF才开始输出，以此达到控制输出的目的；

步骤3，计算波谱分析关心的幅值M_k：

根据步骤2中计算出DFT的实部A_k和虚部B_k，进行均方根运算，公式如下，计算出波谱分析关心的幅值M_k；

波谱分析关心的幅值M_k的计算公式如下:

Mk=Ak2+Bk22;]]>

根据波谱分析IP软核的6300个采样值，计算出175个频点的幅值M_k；

步骤4，获得纱条信号全频段波谱：

波谱分析IP软核的每6300个采样值，计算出175个频点的幅值M_k，而纱条波谱分析的全频段55个频道中，每个频道内都包含1个或多个频点的幅值M_k，频带带宽越宽频道内的频点数就越多，55个频道中每个频道的最终输出波谱为每个频道内所有频点幅值M_k的均值，而55个频道波谱的组合即为全频段纱条信号波谱。

3.根据权利要求3所述的基于DFT频率采样的纱条波谱分析IP软核的检测方法，其特征在于，所述的输入信号x(n)、实部常系数a_k、虚部常系数b_k均用14位二进制码表示，而乘-累加结果A_k和B_k用37位二进制补码表示，时域采样频率fs为1KHz，分段采样点数L为6300，分段DFT的计算点数P取256000，在频域进行不均匀采样，仅需计算175个频点的DFT值。