采用Weltch谱估计法的宽带频谱监测系统设计

慈国辉,李慧勋，张红涛

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.中国人民解放军32039部队，北京 100094)

采用Weltch谱估计法的宽带频谱监测系统设计

慈国辉1,李慧勋2，张红涛1

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.中国人民解放军32039部队，北京 100094)

针对通信过程中异常信号干扰和频谱资源利用紧张的问题，设计了频谱监测系统，FPGA进行数字下变频(DDC)和傅里叶变换(FFT)，OMAPL138进行数据的运算及显示。针对实时频谱带宽较窄的问题，采用扫频和FFT相结合的方式来实现宽带频谱的采集分析。采用Weltch谱估计的方法，提高了在最小频率分辨率的频谱刷新速率。在FPGA硬件平台上进行仿真验证，测试结果表明，采用Weltch法的频谱刷新时间是直接FFT法的1/13。

频谱监测；傅里叶变换；Welch谱估计；宽带频谱

0 引言

频谱监测技术是用来监测和管理频段信息的主要手段。随着无线电的发展，频谱资源的利用也在不断增加，致使频谱资源的使用变得日益紧张[1]。提升频谱资源的利用率、监测异常信号已经成为面临的重大问题。为了合理利用频谱资源，对频谱的监测和管理显得尤为关键[2]，所以对频谱监测系统的研究具有重要意义。

频谱监测目前多以扫频方式或基于FFT的数字分析方法来实现。扫频方式组成简单[3]，但不能完全反映显示带宽内的信号变化，且监测瞬变信号和异常信号的能力相对较弱；基于FFT的数字分析方法能够将检测信号转换到频域，具备检测间歇性信号、是否存在瞬时频谱包容超限等能力[4]。但实际应用中，对在小分辨率下宽带的频谱，采用单FFT通常无法满足要求。

本文设计了一种频谱监测系统，采用扫频和FFT相结合的方法来实现宽带的频谱采集。采用Welch谱估计法进行频谱数据重组，大大提高了频谱刷新速度。以FPGA和OMAPL138为数字处理核心，实时性好，可扩充性强，易升级。

1 频谱监测系统原理

频谱监测系统原理框图如图1所示。射频信号与本振信号进行混频，转化为360 MHz的中频信号。经过带通滤波，通带宽度为16 MHz，AD采样速率为50 MHz，经过AD转换得到10 MHz的中频数字信号。中频数字信号进行DDC后变成零频的基带信号。然后对其基带信号进行加窗。采用乒乓结构将加窗后的信号进行无丢失的1 024点FFT分析，然后对FFT数据求模取平均[5]。OMAPL138通过DMA方式乒乓读取FFT分析结果。OMAPL138控制FPGA的寄存器来设置DDC降采样速率等参数，通过串口设置本振源的频率来实现频谱数据的采集。OMAPL138芯片包含2个处理器核：C6000系列DSP核和ARM9核[6]。DSP主要完成下变频器控制、FPGA内部寄存器参数配置、频谱数据读取和组合；ARM主要负责将频谱数据通过网口传输给上位机进行显示及将设置命令输出给DSP。

图1 频谱监测系统原理

2 频谱监测系统实现

2.1 不同SPAN的FPGA实现

此系统采用Xilinx公司的FPGA芯片，FPGA内部原理框图如图2所示。

图2 FPGA内部原理

AD数字转换生成的10 MHz中频数字信号分成2路，与NCO产生的2路正交信号(正余弦信号)分别相乘，得到正交的2路基带信号I/Q。由于数据具有很高的速率，经过CIC和FIR等滤波器进行抽取滤波后，实现降低信号采样速率功能[7]，这样满足后端DSP实时处理的要求。

Xilinx ISE工具提供了实现一些通用功能的IP核，在设计开发过程中，可大大缩短开发周期，提高设计的可靠性。在本设计中采用FIR Compiler核来实现FIR滤波器模块，采用CIC Compiler核来实现CIC滤波器模块。

为了使数字下变频实现不同系数的抽取[8-9]，FPGA内部设计了控制模块，根据不同降采样系数，控制CIC滤波器和FIR滤波器的采样速率。设二级CIC和FIR滤波器的降采样系数为R1、R2和R3，数字采样速率为50 MHz，则DDC输出的速率fc为：

DDC输出的数据进行加窗运算。窗函数采用汉宁窗。本设计采用查找表法实现加窗运算，根据窗函数的各个相位值相对应的余弦数据值建立查找表，并将余弦数据值存储在只读存储器(ROM)中。系统工作时根据查找表输出窗函数值，将频谱数据与其相乘完成加窗运算。

乒乓控制模块对加窗后的数据进行乒乓操作。当对RAM1中的数据写入时，RAM2的数据进行FFT运算[10]，当FFT运算完成后，将加窗后的数据写入RAM2，同时RAM1的数据进行FFT运算，以此类推，2个RAM区进行循环乒乓操作。

FFT运算采用FFT IP核。运算点数N为1 024，系统的频率分辨率Δf为：

但由于降采样时抗混叠滤波器的影响不能取1 024点频谱，在此取615点频谱，则FFT频谱分析带宽SPAN为：

SPAN=615×Δf，

则频率分辨率与SPAN及降采样系数的关系如表1所示。

表1 频率分辨率与降采样系数的关系

2.2 36 MHz带宽的频谱信号组合

在频谱分析带宽高于FFT频谱分析的最大带宽时，需要采用扫频和FFT相结合的方法，将带宽分为几段，每段分别进行FFT频谱分析，然后组合出整个带宽的频谱。

本系统频谱分析带宽为36 MHz，而系统的FFT实时频谱分析的最大带宽为15 MHz[11]，所以需要将带宽分为3个12 MHz。每次以12 MHz带宽为步进递增改变本振源的中心频率，进行频谱分析，而在12 MHz带宽内，改变NCO的中心频率，进行FFT运算。当12 MHz带宽内的频谱分析完成后，改变本振源中心频率，进行下一段12 MHz的频谱分析。以此类推，从SPAN频率最低端扫频到SPAN频率最高端，完成一次宽SPAN带宽内的频谱计算。

设f0为显示的中心频率，fn为本振源的第n次设置频率，N为分段数，此系统中N=3，SPAN为36 MHz，则本振源的第n次设置频率fn为：

式中，n∈[0，2]。

设不同频率分辨率对应的频率步进为f，则12 MHz带宽内的分段数Num为：

每段中NCO的设置频率为：

式中，n∈[0，Num)。

频率分辨率与帧刷新时间关系如表2所示。设频谱的平均次数为128，每帧的刷新时间包括本振源频率的转换时间、NCO的转换时间和整个带宽内128帧的平均时间。

表2 频率分辨率与分频比、时间的关系

3 Welch谱估计法实现

3.1 Welch谱估计法描述

Welch谱估计法中L段数据之间有重叠，增大了数据段数[13]，FFT次数增多，估计出的功率谱方差大大改善。同时数据组帧的速率提高，FFT运算生成数据的速率也相应提高。由表2可知，在最小频率分辨率时的每帧的刷新时间达到7 900 ms，更新数据太慢，采用Welch谱估计法可以提高频谱的刷新速率[14]。

3.2 Welch功率谱的FPGA实现

本系统中FFT采用1 024点，将其平均分为16段，每段64个点，即每64点新数据和960点旧数据组合生成一帧重组数据，然后对其进行FFT运算，Welch谱估计法的实现框图如图3所示。

图3 Welch谱估计法的实现

在FPGA内部开辟2个数据区RAM1和RAM2，每个区域大小为1 024点数据，采用乒乓操作方式将DDC数据接收存储。存储地址控制单元控制RAM1和RAM2区中的数据送至内部缓存进行运算。当RAM1中数据写满后，对RAM2区进行写数据。当RAM2中写入第m段数据时，将RAM2的前m段数据和RAM1的后16-m段数据重新组合成一帧新数据，送至内部缓存进行FFT运算。当RAM2写完后，再将数据一段一段写入RAM1的同时，按照上述方式将2个RAM区的数据重新组合[15]。由于前端数据生成的速率相同，将数据分成L段，每生成一段数据，就对其做一次FFT运算，这样数据刷新时间相当于直接FFT法刷新时间的1/L。

3.3 实验结果分析

本系统选用Xilinx公司Spartan6系列的XC6SLX100芯片，对系统进行功能验证，通过OMAPL138捕获中断间隔来测试每帧的刷新时间。采用Welch法与直接FFT法的每帧刷新时间对比如表3所示。在频率分辨率为1.626 kHz和0.976 kHz时，采用Welch谱估计法进行数据分段[16]，然后对重组数据进行FFT运算，查看OMAPL138的中断间隔时间。可以看出采用Welch法的平均时间为直接FFT法的1/16，总刷新时间为直接FFT法的1/13。

表3 Welch法与直接FFT法的刷新时间对比

4 结束语

本系统采用FPGA和OMAPL138组合的实时数字处理架构，FPGA逻辑资源丰富，算法效率高。OMAPL138双核结构处理多线程任务强，两核之间通信速率高，数据处理灵活。这种架构具有高速、稳定、可编程性强和可扩展性强等优点。由于实时频谱分析带宽较窄，系统采用扫频和FFT相结合的方法，对频谱数据进行拼接来实现宽带频谱功能。在FPGA上实现Weltch谱估计的方法，解决了直接FFT法在最小分辨率下频谱刷新慢的问题。系统在工程中已经验证完成，满足工程需求，具有广阔的应用前景。

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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

慈国辉,李慧勋,张红涛.采用Weltch谱估计法的宽带频谱监测系统设计[J].无线电工程,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

慈国辉男，(1987—)，毕业于东北大学电路与系统专业，硕士，工程师。主要研究方向：信号处理与解调。

李慧勋男，(1978—)，硕士，工程师。主要研究方向：航天通信。

张红涛男，(1982—)，硕士，高级工程师。主要研究方向：卫星通信与低电平稳定系统。