一种频谱分析实时瀑布图的实现方法

摘要

本发明公开了一种实时瀑布图的实现方法，它涉及了一种在频谱监测领域用于实现实时瀑布图的方法。它由频谱数据生成单元通过DMA模式读取频谱数据，采用乒乓操作方式将频谱数据循环存储在数据区。频谱数据处理单元采用加权因子的方法将每帧频谱数据的相同位置的数据进行加权计算。按照时间顺序将将经过加权因子权衡的频谱数据的幅度根据自定义的颜色‑幅度比例转换成颜色数据并显示在显示屏上。本发明具有能够实时采集、实时分析、实时显示等特点，能够不丢失频谱的重要信息特征，并且有效的避免了硬件之间处理速度的差异造成的丢帧问题。特别适合用于制作频谱监测领域中检测快速跳变信号等瞬时信号的实时频谱仪。

说明书

技术领域

本发明属于频谱监测领域，具体涉及一种实时瀑布图的实现方法。

背景技术

在频谱分析中，为了方便用户从频谱数据中获取更多消息，一般都会提供多条轨迹，如最大保持、最小保持、0-SPAN模式等。这都是基于幅度和频率、或者幅度和时间的二维关系。时域或者频域分析只能分析一帧长度的信号，特别是在非平稳信号分析中，如果需要查看幅度、频率随时间变化的三维图，对动态信号显示显得非常有用，需要一种新的显示方法瀑布图。由于瀑布图方法数据量大，常见的瀑布图分析会采用抽取非实时处理方法，缺点是不能实时显示频谱信息，会遗漏频谱的重要信息特征。

发明内容

针对以上不足，本发明提供一种可在一个界面同时显示幅度、频率和时间三者关系的实时瀑布图的功能实现方法。本发明通过DMA模式采用乒乓操作方式读取频谱数据，采用加权因子的方法对数据进行抽取加权计算，根据自定义颜色-幅度转换比例将频谱数据转换成颜色数据，采用数据缓存方式实时读取数据在显示屏上显示出来。具有实时性高、不遗漏频谱的重要信息特征等特点。

本发明的目的是通过以下步骤来实现的：

一种频谱分析实时瀑布图的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：模数转换器将接收的模拟信号转换成数字信号输出至FPGA，FPGA将数字信号进行下变频转换和快速傅立叶变化，形成频谱数据；

步骤2：频谱数据生成单元通过DMA模式读取FPGA产生的频谱数据，采用乒乓操作方式将频谱数据循环存储在频谱数据生成单元内两个数据区；

步骤3：频谱数据存储单元将频谱数据生成单元两个数据区中的频谱数据采用乒乓操作方式存储到DDR存储器芯片的第一数据区域；

步骤4：频谱数据处理单元设定频谱数据的抽取帧数，采用加权因子的方法将设定抽取帧数中每帧频谱数据相同位置的数据进行加权计算，生成加权因子权衡的频谱数据并存储到DDR存储器芯片的第二数据区域；

步骤5：颜色数据生成单元按照存储顺序依次读取第二数据区域中的加权因子权衡的频谱数据，将加权因子权衡的频谱数据的幅度根据自定义的颜色-幅度比例转换成颜色数据并显示到显示屏上。

其中，步骤4中采用加权因子的方法将每帧频谱数据中相同位置的数据进行加权计算，具体包括以下步骤：

(1)依次计算设定抽取帧数中每一帧频谱数据中每个位置的频谱数据和T_i(k)和加权因子和S_i(k)：

T_i(k)＝T_i-1(k)+W_iP_i(k)，

S_i(k)＝S_i-1(k)+W_i，W_i＝m+1-i；

式中，P_i(k)为第i帧第k个位置的频谱数据，k为频谱数据的位置，i为当前接收到频谱数据的帧数，W_i为加权因子，m为设定的频谱数据的抽取帧数，T₀(k)＝0，S₀(k)＝0；

(2)依次将对应位置的频谱数据和T_m(k)和加权因子和S_m(k)相除，得到每个位置的加权因子权衡的频谱数据Q(k)，计算公式为：

本发明与背景技术相比具有如下优点：

1.本发明采用DMA模式乒乓操作方式读取频谱数据，能够实时采集、实时分析、不丢失频谱数据的特点。

2.本发明采用加权因子方式对频谱数据进行实时分析加权运算，能够不丢失频谱的重要信息特征的特点。

3.采用数据缓存方式对频谱数据进行处理，有效的避免了硬件之间处理速度的差异造成的丢帧问题。

4.本发明制造的设备具有集成化程度高、结构简单、可靠性高、人机交互界面友好、使用方便等特点。

附图说明

图1是本发明的瀑布图方法程序流程框图。

图2是本发明的频谱数据处理程序流程框图。

具体实施方式

本发明的实施步骤：如图1所示

步骤1：FPGA控制处理

模数转换器将接收的模拟信号转换成数字信号输出至FPGA，FPGA将数字信号进行下变频转换和快速傅立叶变化，形成频谱数据；

步骤2：频谱数据生成

频谱数据生成单元通过DMA模式读取FPGA产生的频谱数据，采用乒乓操作方式将频谱数据循环存储在频谱数据生成单元内两个数据区；

频谱数据生成单元在DSP芯片的内部缓存区开辟两个数据区A和B，每个区域大小为615点数据，每个数据为16比特。采用乒乓操作方式将频谱数据接收存储。设定当前接收频谱数据到数据区A，同时对数据区B的频谱数据进行存储和抽取计算处理，数据区B处理完成后，等待数据区A接收完成，一旦接收完成，数据区A转为存储、抽取计算处理流程，同时数据区B转为接收新的数据流程，依次类推，如此数据区A、B轮流循环接收数据。

步骤3：频谱数据存储

频谱数据存储单元将频谱数据生成单元两个数据区中的频谱数据采用乒乓操作方式存储到DDR存储器芯片的第一数据区域；

频谱数据存储单元在DDR2芯片存储区中开辟两个数据区域，第一数据区域C作为实时数据存储区，将频谱数据生成单元两个数据区中的频谱数据都实时存储在第一数据区域C中。当数据区A正在接收频谱数据时，将数据区B的频谱数据存储到数据区域C的地址i，当数据区域A的频谱数据接收完成后，将其存储在数据区域C的下一地址i+1，同时数据区B开始接收数据，依次类推，如此数据区A、B轮流循环存储到第一数据区域C中。

步骤4：频谱数据处理

频谱数据处理单元设定频谱数据的抽取帧数，采用加权因子的方法将设定抽取帧数中每帧频谱数据相同位置的数据进行加权计算，生成加权因子权衡的频谱数据并存储到DDR存储器芯片的第二数据区域；

DDR存储器芯片的第二数据区D为瀑布图模式数据的缓冲区，由于显示屏的显示速率小于频谱数据的生成速率，需要将第一数据区域C中频谱数据抽取采样处理并缓存在第二数据区D中，这样避免了硬件之间处理速度的差异造成的丢帧问题，而且方便显示屏显示。

为了不丢失频谱数据的信息，采用加权因子的方法将每帧频谱的相同位置数据进行加权计算。由于不同带宽下频谱生成的速率不同，所以不同带宽下频谱抽取帧数不同。越靠近抽取帧数的频谱数据，其加权因子的权值越大。

如图2所示。采用加权因子的方法将设定抽取帧数中每帧频谱数据相同位置的数据进行加权计算具体包括以下步骤：

(1)依次按下述公式计算设定抽取帧数中每一帧频谱数据中每个位置的频谱数据和T_i(k)和加权因子和S_i(k)：

每个位置的频谱数据和T_i(k)为：

T_i(k)＝T_i-1(k)+W_iP_i(k)

加权因子和S_i(k)为：

S_i(k)＝S_i-1(k)+W_i，其中W_i＝m+1-i；

其中，P_i(k)为第i帧第k个位置的频谱数据，k为频谱数据的位置，n为频谱数据的位置的位置个数，k∈[0,614]，i为当前接收到频谱数据的帧数i∈[1,m]；W_i为加权因子，m为设定的频谱数据的抽取帧数，T₀(k)＝0，S₀(k)＝0；

每一帧频谱数据的位置从0开始到614，初始i＝1，k＝0，计算第一帧频谱数据中每个位置的频谱数据和T_i(k)和加权因子和S_i(k)，然后开始计算下一帧的频谱数据，直至设定抽取帧数m计算完成，得到每个位置的频谱数据和T_m(k)和加权因子和S_m(k)；

(2)k从0开始到614，依次将615个对应的k值相同的频谱数据和T_m(k)和加权因子和S_m(k)相除，得到加权因子权衡的频谱数据Q(k)，计算方法为：

计算完成后按顺序依次存储到DDR存储器芯片的第二数据区域。

步骤5：颜色数据生成并显示

颜色数据生成单元按照存储顺序依次读取第二数据区域中的加权因子权衡的频谱数据，将加权因子权衡的频谱数据的幅度根据自定义的颜色-幅度比例转换成颜色数据并显示到显示屏上。瀑布图的流动方向代表时间，宽度代表频率，各点的颜色代表信号的大小。瀑布图从下往上流，越往下越接近起始时间，越往上越接近当前时间。