CN110048979A - 一种多域联合触发装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多域联合触发装置，在现有触发技术基础上增加一数据预处理模块对存储单元预触发部分存储的数据按组循环读取，对每组按照步进读取的K段进行加窗处理后一一对应地分别送入K个时频分析子单元；每个时频分析子单元对一段数据进行时频分析，并将分析结果一一对应地存入RAM存储器的K个存储区域；触发条件判断模块对分析结果，按照频率、能量以及时间的顺序进行触发条件判断，如果都满足，则发送写使能信号到数据缓存模块，开始写入新数据到存储单元，直到写满为止。这样解决多域信号分析中的触发问题，并有别于传统的时域或频域的触发条件，从时间、频率、能量三个角度同时设置触发条件，提升信号多域分析的稳定性和观察效果。

Description

一种多域联合触发装置
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，更为具体地讲，涉及一种多域联合触发装置。
背景技术
随着无线电技术的不断发展，无线电信号也越来越复杂。尤其是在通信工程技术领域，绝大部分通信信号具有非平稳性，即通信信号的分布参数随时间不断变化。以数字调频信号为例，载波的频率随时间不断的变化，而针对调幅信号，载波的幅度则是随着时间不断变化。部分调制模式结合调频和调幅，其信号的幅度和频率都随着时间进行变化。因此，对非平稳信号的分析，往往要结合时间、频率、能量等多个角度，在多域层面来进行。
多域信号分析经过近几十年的发展，已有许多成熟的信号处理理论，如短时傅里叶变换、winger分布、小波变换等。通过这些处理方式获取的多域信号的时频信息，一般用图1所示的二维矩阵表示，其中，行索引代表时间信息，列索引代表频率信息。获取该二维矩阵后，即可利用该二维矩阵绘制出相应的时频联合分析图，以跳频信号为例，其时域图和时频联合分析图如图2、图3所示。
触发是在信号处理领域中常用的一种手法。具体是指在分析信号时，为了使扫描信号与被测信号同步，需要人为设定一些条件，将被测信号不断地与之比较，只有当被测信号满足这些条件时才进行分析。而这些条件即被称作触发条件。触发条件的设定方式多种多样，有的从时域角度来设定，有的从频域角度来设定。
现有的触发条件基本都是从单个域的角度设置。目前最常用的信号分析设备为数字存储示波器(DSO)、频谱分析仪(SA)，他们可以分别对信号的时域和频域进行分析。从时域上来说，触发方式有边沿触发、斜率触发、脉宽触发、码型触发等等。从频域上来说，触发方式有频段触发等。
对多域信号分析来说，单纯从一个域来设置触发条件并不合理，时域分析关注的是信号的能量随时间的变化，而基于傅里叶变换的频域分析则关注的是信号的能量随频率的变化。但是，傅里叶变换有其局限性：在使用傅里叶变换做频谱分析时，必须利用信号在整个时域上的全部信息，因此，在信号的多域分析应用中，需要对传统示波器、频谱仪的触发方式进行扩展和改进。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种多域联合触发装置，从多域的角度出发，提出了面向多域分析的触发方案，以解决多域信号分析中的触发问题，其有别于传统的时域或频域的触发条件，从时间、频率、能量等多个角度同时设置触发条件，提升信号多域分析的稳定性和观察效果。
为实现上述发明目的，本发明多域联合触发装置，包括：
数据采集模块，用于对经过模拟通道调理后的多域信号进行采集；
数据缓存模块，用于对数据采集模块采集的数据进行接收并缓存，在数据缓存模块内部分配有一存储单元，其存储深度为L，预触发深度为LP，接收数据时，预触发部分一直写入，预触发部分写满后依据先入先出丢点，直到触发信号到来；
其特征在于，还包括：
数据预处理模块，用于对存储单元预触发部分存储的数据按照数据长度为W、步进Δ读取出K段数据，并对每段数据采用长度为W的窗函数进行加窗处理，分段加窗处理后的K段数据作为一组数据按段一一对应地分别送入K个时频分析子单元，然后，继续读取、加窗处理下一组K段数据并按段一一地对应分别送入K个时频分析子单元，这样读取、加窗处理并输出，直到存储单元预触发部分的数据读取、加窗处理并输出完，再后循环；
K个时频分析子单元，每个组的K段数据分别一一对应地送入K个时频分析子单元，用于对依次输入的分段加窗处理后的每一组K段数据进行时频分析，每段数据的分析结果分别存入RAM存储器相应存储区域；
RAM存储器，有K个存储区域，分别一一对应地接收K个时频分析子单元的分析结果并存储；
触发条件判定模块，用于首先对RAM存储器中K个存储区域存储的每一分析结果按照频率、能量的顺序进行触发条件的判断：
对每个一分析结果根据频率触发条件抽取对应的数据段，抽取数据段的数据序号为：
其中，频率触发条件为频率区间在(F1,F2)之间，Fs为数据采集模块的采样频率；
将按数据列号抽取数据段的能量通过比较器与能量区间的阈值能量E1，E2比较，满足能量触发条件即能量区间在(E1,E2)之间，则输出一个脉冲信号以进行后续时间触发条件判定，不满足条件则不输出脉冲信号；
然后对RAM存储器中K个存储区域存储的分析结果进行时间触发条件的判断：
从第一个满足能量触发条件的时频分析子单元输出的分析结果开始，依次判断后续时频分析子单元输出的分析结果是否满足频率触发条件、能量触发条件，如果满足则输出一个脉冲信号，如果不满足，则不输出脉冲信号；
依次循环记录脉冲信号，如果脉冲持续输出时间T满足时间触发条件即时间区间在(T1,T2)之间，则发送写使能信号(触发信号)到数据缓存模块，开始写入新数据到存储单元，直到写满为止，其中，脉冲持续输出时间T为：T＝P×Δ/Fs，P为分析结果连续都满足频率触发条件和能量触发条件的个数；如果脉冲持续输出时间T不满足时间触发条件即时间区间在(T1,T2)之间，则在脉冲不再持续输出后的下一个脉冲继续循环记录脉冲，继续对脉冲持续输出时间是否满足时间触发条件进行判断。
本发明的目的是这样实现的。
本发明多域联合触发装置在现有触发技术基础上，增加一数据预处理模块对存储单元预触发部分存储的数据按组循环读取，对每组按照步进读取的K段进行加窗处理后一一对应地分别送入K个时频分析子单元；每个时频分析子单元对一段数据进行时频分析，并将分析结果一一对应地存入RAM存储器的K个存储区域；触发条件判断模块对分析结果，按照频率、能量以及时间的顺序进行触发条件判断，如果都满足，则发送写使能信号到数据缓存模块，开始写入新数据到存储单元，直到写满为止。这样解决多域信号分析中的触发问题，并有别于传统的时域或频域的触发条件，从时间、频率、能量三个角度同时设置触发条件，提升信号多域分析的稳定性和观察效果。
附图说明
图1是时频分析矩阵形式示意图；
图2是一跳频信号的实部时域图；
图3是信号多域联合分析示意图；
图4是本发明多域联合触发装置一种具体实施方式原理框图；
图5是存储单元存储示意图；
图6是数据预处理模块数据处理示意图；
图7是判定模块结构示意图；
图8是进行触发后的三维多域分析示意图；
图9是进行触发后的信号时频分析图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图4是本发明多域联合触发装置一种具体实施方式原理框图。
在本实施例中，如图4所示，本发明多域联合触发装置包括数据采集模块1、数据缓存模块2、数据预处理模块3、K个时频分析子单元4、RAM存储器5以及触发条件判定模块6。
经过模拟通道调理后的多域信号输入到数据采集模块1进行采集。在本实施例中，多域信号为跳频信号，在50Mhz，150Mhz，200Mhz，120Mhz之间进行跳变。数据采集模块1的采样率Fs为600MHz。
数据缓存模块2对数据采集模块1采集的数据进行接收并缓存，在数据缓存模块2内部分配有一存储单元，如图5所示，存储单元的存储深度为L，预触发深度为LP，通常情况下LP为L/2。接收数据时，预触发部分将保持边读边写的操作，即预触发部分一直写入，预触发部分写满后依据先入先出丢点，直到触发信号到来。触发信号到来后，接收的数据写入到存储单元剩余存储部分(深度为L-LP)。
如图6所示，数据预处理模块3对存储单元预触发部分存储的数据按照数据长度为W、步进Δ读取出K段数据，并对每段数据采用长度为W的窗函数进行加窗处理，分段加窗处理后的K段数据作为一组数据按段一一对应地分别送入K个时频分析子单元，然后，继续读取、加窗处理下一组K段数据并按段一一地对应分别送入K个时频分析子单元4，这样读取、加窗处理并输出，直到存储单元预触发部分的数据读取、加窗处理并输出完，再后循环。如图6所示，第一组K段数据为Data[1,W],Data[Δ+1,Δ+W],Data[2Δ+1,2Δ+W],...,Data[(K-1)Δ+1,(K-1)Δ+W]，第二组K段数据为Data[KΔ,KΔ+W],Data[(K+1)Δ+1,(K+1)Δ+W],Data[(K+2)Δ+1,(K+2)Δ+W],...,Data[(2K-1)Δ+1,(2K-1)Δ+W]。
每个组的K段数据分别一一对应地送入K个时频分析子单元4，对依次输入的分段加窗处理后的每一组K段数据进行时频分析，每段数据的分析结果分别存入RAM存储器5相应存储区域。
在本实施例中，在FPGA中分配K个STFT子单元作为K个时频分析子单元4，按组并行进行FFT变换。进行多域信号时频分析的理论方法有很多种，如WVD，短时傅里叶变换(STFT)，小波变换等等。在本实施例中，以短时傅里叶变换为例。
如图6所示，从存储单元中提取数据，STFT长度为W个点，步进Δ为1，窗函数长度也为W，则第一个STFT子单元处理经过加窗处理后的第一组的第1—W个数据，第二个STFT子单元处理第一组的2—W+1个数据，以此类推，第K个FFT子单元处理第一组的K—W+K-1的数据。第二组的第K+1—W+K个数据则由处理完第一组的第1—W个数据后进入空闲状态的第一个STFT子单元进行处理，通过这种并行按组的流水处理形式，完成实时的STFT处理。
RAM存储器5有K个存储区域，分别一一对应地接收K个时频分析子单元的分析结果并存储。
在本实施例中，如图7所示，触发条件判定模块6首先对RAM存储器5中K个存储区域存储的每一分析结果在频率-能量触发条件判断模块601中按照频率、能量的顺序进行触发条件的判断：
对每个一分析结果根据频率触发条件抽取对应的数据段，抽取数据段的数据序号为：
其中，频率触发条件为频率区间在(F1,F2)之间，Fs为数据采集模块的采样频率；
将按数据列号抽取数据段的能量通过比较器与能量区间的阈值能量E1，E2比较，满足能量触发条件即能量区间在(E1,E2)之间，则输出一个脉冲信号以进行后续时间触发条件判定，不满足条件则不输出脉冲信号；
然后对RAM存储器中K个存储区域存储的分析结果在时间触发条件判断模块602中进行时间触发条件的判断：
从第一个满足能量触发条件的时频分析子单元输出的分析结果开始，依次判断后续时频分析子单元输出的分析结果是否满足频率触发条件、能量触发条件，如果满足则输出一个脉冲，如果不满足，则不输出脉冲；
依次循环记录脉冲信号，如果脉冲持续输出时间T满足时间触发条件即时间区间在(T1,T2)之间，则发送写使能信号(触发信号)到数据缓存模块，开始写入新数据到存储单元，直到写满为止，其中，脉冲持续输出时间T为：T＝P×Δ/Fs，P为分析结果连续都满足频率触发条件和能量触发条件的个数；如果脉冲持续输出时间T不满足时间触发条件即时间区间在(T1,T2)之间，则在脉冲不再持续输出后的下一个脉冲继续循环记录脉冲，继续对脉冲持续输出时间是否满足时间触发条件进行判断。
根据用户的需求设定多域触发条件，在本发明中，多域触发条件包含三个维度：时间、频率和能量。用户可以对满足触发条件进行多域限制，例如频率触发条件设定为((F1,F2)，能量触发条件设定为((E1,E2)，时间触发条件设定为(T1,T2)。具体含义是，只有当多域信号的频率在F1-F2之间，能量在E1-E2之间，持续时间在T1-T2之间时才会被触发。在本实施例中，采用的触发条件是频率150Mhz±1Mhz，能量大于500mV，持续时间大于0.1us。
在本实施例中，根据设定的触发条件，按照频率、能量、时间的顺序依次进行判定。首先按照频率条件定位到每个FFT子单元输出对应的点。在本实施例中，采样率为Fs＝600MHz，FFT点数为W＝1024，触发条件是在150Mhz±1Mhz。据此，可以计算出对应的点数范围是149/600*1024＝254至151/600*1024＝257,即第254个点至第257个点。因此，从每个FFT子单元中读取该位置的点数。将每个子单元该位置对应的结果R求模后根据以下公式计算出以伏特形式表示的能量值Ev。
将计算结果与能量触发条件进行比较，如果符合能量范围则输出一个脉冲，并进行记录。在本实施例中脉冲持续输出时间T＝0.1us对应的个数为60个。如果P>60即满足时间触发条件。
若触发条件均满足，产生触发信号，则发送写使能信号(触发信号)到数据缓存模块，开始写入新数据到存储单元，直到写满为止。然后，采用多个FFT子单元并行交替对存储单元内的数据进行处理，将变换结果存入存储器中，从存储器中读取每M点对应的数据为矩阵的行向量，该数据段在存储器中对应的位置为矩阵的列数，从1到N。由此，形成N*M的二阶矩阵，从而生成一幅多域分析波形数据。至此，单次触发过程完成。图8是进行触发后的三维多域分析示意图，图9是进行触发后的信号时频分析图，触发位置在屏幕最左边。可以看出在满足触发条件150Mhz±1Mhz的位置进行准确的触发。
然后，再在设定的触发条件下进行波形数据更新，实时生成包含时间、频率、能量信息的二维矩阵用于后续显示。
本发明中提出的多域联合触发装置是对原有的时域或频域触发条件的扩充，在进行触发条件设定时，对不同的域触发条件的不同设置会导致触发方式相应的变化。例如，如果将频率触发条件设置为全频段，时间触发条件设为0，能量触发条件设为单一能量E1、E2不设上限，此时对应的触发方式即为时域下的上升沿边沿触发，单一能量E2、E1设为0，此时对应的触发方式即为时域下的下升沿边沿触发。如果只设定频率触发条件，不对时间和能量触发条件进行限制，此时对应的触发方式即为频段触发。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种多域联合触发装置，包括：
数据采集模块，用于对经过模拟通道调理后的多域信号进行采集；
数据缓存模块，用于对数据采集模块采集的数据进行接收并缓存，在数据缓存模块内部分配有一存储单元，其存储深度为L，预触发深度为LP，接收数据时，预触发部分一直写入，预触发部分写满后依据先入先出丢点，直到触发信号到来；
其特征在于，还包括：
数据预处理模块，用于对存储单元预触发部分存储的数据按照数据长度为W、步进Δ读取出K段数据，并对每段数据采用长度为W的窗函数进行加窗处理，分段加窗处理后的K段数据作为一组数据按段一一对应地分别送入K个时频分析子单元，然后，继续读取、加窗处理下一组K段数据并按段一一地对应分别送入K个时频分析子单元，这样读取、加窗处理并输出，直到存储单元预触发部分的数据读取、加窗处理并输出完，再后循环；
K个时频分析子单元，每个组的K段数据分别一一对应地送入K个时频分析子单元，用于对依次输入的分段加窗处理后的每一组K段数据进行时频分析，每段数据的分析结果分别存入RAM存储器相应存储区域；
RAM存储器，有K个存储区域，分别一一对应地接收K个时频分析子单元的分析结果并存储；
触发条件判定模块，用于首先对RAM存储器中K个存储区域存储的每一分析结果按照频率、能量的顺序进行触发条件的判断：
对每个一分析结果根据频率触发条件抽取对应的数据段，抽取数据段的数据序号为：
其中，频率触发条件为频率区间在(F1,F2)之间，Fs为数据采集模块的采样频率；
将按数据列号抽取数据段的能量通过比较器与能量区间的阈值能量E1，E2比较，满足能量触发条件即能量区间在(E1,E2)之间，则输出一个脉冲信号以进行后续时间触发条件判定，不满足条件则不输出脉冲信号；
然后对RAM存储器中K个存储区域存储的分析结果进行时间触发条件的判断：
从第一个满足能量触发条件的时频分析子单元输出的分析结果开始，依次判断后续时频分析子单元输出的分析结果是否满足频率触发条件、能量触发条件，如果满足则输出一个脉冲，如果不满足，则不输出脉冲；
依次循环记录脉冲信号，如果脉冲持续输出时间T满足时间触发条件即时间区间在(T1,T2)之间，则发送写使能信号(触发信号)到数据缓存模块，开始写入新数据到存储单元，直到写满为止，其中，脉冲持续输出时间T为：T＝P×Δ/Fs，P为分析结果连续都满足频率触发条件和能量触发条件的个数；如果脉冲持续输出时间T不满足时间触发条件即时间区间在(T1,T2)之间，则在脉冲不再持续输出后的下一个脉冲继续循环记录脉冲，继续对脉冲持续输出时间是否满足时间触发条件进行判断。
2.根据权利要求1所述的多域联合触发装置，其特征在于，所述时频分析为短时傅里叶变换(STFT)，按数据列号抽取数据段的能量为将每个子单元该位置对应的结果求模后，计算出以伏特形式表示的能量值Ev。
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