[发明专利]一种基于FPGA芯片计算信号频谱的方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于FPGA芯片计算信号频谱的方法，包括：步骤S100：选择窗函数，设置加窗点数，对输入信号进行加窗处理；步骤S200：对加窗后的信号进行快速傅里叶变换，将时域信号转换到频域；步骤S300：对快速傅里叶变换后的数据取模，并求对数，通过换底公式得到信号功率谱。还公开了一种基于FPGA芯片计算信号频谱的系统，包括控制模块、加窗模块、FFT变换模块和功率谱计算模块。本发明综合利用了窗函数、快速傅里叶变换、基于反向双曲正切cordic求对数，使得FPGA可以直接计算出频谱数据，并且有着计算速度快、消耗硬件资源少、计算结果精度高等优点。

技术领域

本发明涉及频谱分析技术领域，具体的说，是一种基于FPGA芯片计算信号频谱的方法及系统。

背景技术

随着电子信息技术的不断发展，FPGA芯片作为现场可编程逻辑门阵列因其开发费用低，效率高等优点得到广泛运用。在FPGA中直接计算频谱数据，成为了信号处理工作的常见需求。然而FPGA存在的局限性在于并不适合复杂的计算。传统的频谱分析方式是交由上位机进行处理，但是这会加大后端的处理难度，增加总线传输的要求以及处理显示的压力。特别是在频谱计算实时性强、数据量大的情况，由FPGA芯片直接计算频谱并求出功率谱可以大大减轻后端压力。但是，FPGA计算频谱的难点在于求功率谱的步骤，即要计算lg对数值。通常基于FPGA求对数的方法主要有传统实现方式主要有查找表、分段线性近似法、多项式近似法以及数值循环法等，但是这几种方法使用资源较多，精度也相对较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于FPGA芯片计算信号频谱的方法及系统，用于解决现有技术中FPGA计算频谱时求对数采用传统方法占用资源较多、精度较低的问题。

本发明通过下述技术方案解决上述问题：

一种基于FPGA芯片计算信号频谱的方法，包括：

步骤S100：选择窗函数，设置加窗点数，对输入信号进行加窗处理；

步骤S200：对加窗后的信号进行快速傅里叶变换，将时域信号转换到频域；

步骤S300：对快速傅里叶变换后的数据取模，并求对数，通过换底公式得到信号功率谱,具体步骤为：

(a)对于输入数据进行平方和计算，将输入的复数I/Q数据且为定点数数据转换为实数，通过二分法找到数据最高位，并得到最高位所在位数L1,将位数L1加1后得到L,将L×ln(2)缓存；

(b)将输入数据平移操作后与反双曲函数cordic ip核输入端小数位第一位对齐，整数位全部赋值为零，输入数据的格式变换为0.r×2^L；采用反正切双曲函数cordic求对数，得到ln(0.r)；

(c)将步骤(a)和步骤(b)的计算结果相加，得到：

ln(r)＝ln(0.r)+L×ln(2)；

(d)将步骤(c)的计算结果与log₁₀(e)相乘，得到：

log₁₀(r)＝log₁₀(e)×ln(r)

＝log₁₀(e)×[ln(0.r)+L×ln(2)]。

上述方法，可以直接在FPGA中实现，使得FPGA可以直接计算出频谱数据，并且有着计算速度快、消耗硬件资源少、计算结果精度高等优点。

所述(d)中的log₁₀(e)和(a)中的ln(2)采用移位相加的方法实现，