技术领域
[0001] 本
发明涉及信号分析领域，并且更具体地，特别是涉及一种基于FFT的信号谱线分析方法与装置。
背景技术
[0002] 在雷达、通信、电
力电子、声学等
信号处理领域中，
频谱分析方法FFT(快速傅里叶变换)具备的实时特性使得FFT在不同场景中均有广泛应用。但由于实际工程中不可避免的非同步
采样等问题，容易产生频谱泄露，同时离散变换带来栅栏效应，这会影响
频率、幅度及
相位等计算结果的精确度。目前工程上采用
加窗插值
算法来降低上述误差，主要思路是选择适当的窗函数，并利用插值算法抑制短范围泄露。通过分析各类型加窗信号的离散频率点附近的谱线分布的概率特性，借助与峰值谱线最为邻近的数条谱线进行运算以提取这些谱线所包含的谐波信息，可以得到相应的修正计算式。常用的插值算法包括双峰谱线插值、三谱线插值、四谱线插值以及六谱线插值等。但由于计算方式的问题，
现有技术尚无法在FPGA(现场可编程
门阵列)上实施低误差高
精度的FFT信号分析与修正。
[0003] 针对现有技术中FFT信号分析在FPGA上因频谱泄露和栅栏效应导致误差高、精度低的问题，目前尚未有有效的解决方案。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明
实施例的目的在于提出一种基于FFT的信号谱线分析方法与装置，能够使用FFT分析并修正不同信号谱线或不同类型的信号谱线，通过计算手段消除频谱泄露和栅栏效应的影响，降低误差并提高精度，且易于在FPGA上实施。
[0005] 基于上述目的，本发明实施例的一方面提供了一种基于FFT的信号谱线分析方法，包括使用FPGA来运行代码以执行参数化配置和谱线分析，其中，
[0006] 由FPGA执行参数化配置和谱线分析为通过运行代码来执行以下步骤：
[0007] 接收输入的配置参数，配置参数包括以下至少之一：窗函数、FFT长度、FFT实现方式、多谱线差值数量；
[0008] 根据配置参数生成参数化配置的
硬件描述
语言代码；
[0009] 将硬件描述语言代码封装可参数化配置的逻辑IP核；
[0010] 使用逻辑IP核来确定FPGA的工作模式；
[0011] 由FPGA执行谱线分析为通过运行代码来执行以下步骤：
[0012] 将原始信号加窗截断并执行FFT，获得频率谱、幅度谱、和相位谱；
[0013] 对频率谱、幅度谱、和相位谱执行多谱线插值，确定多谱线频率和多谱线幅度；
[0014] 根据多谱线频率和多谱线幅度确定是否需要进行谱线修正和修正方向；
[0015] 当确定为需要进行谱线修正时，通过多谱线幅度计算修正因子，并使用修正因子、多谱线频率和多谱线幅度修正频率谱、幅度谱、和相位谱并作为分析结果输出；
[0016] 当确定为不需要进行谱线修正时，直接将频率谱、幅度谱、和相位谱作为分析结果输出。
[0017] 在一些实施方式中，接收输入的配置参数为接收手动输入的在不同测试不同的配置参数；将原始信号加窗截断包括使用窗函数在时域上截断，配置参数中的窗函数为以下之一：矩形窗、Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗、不同项数与阶数的Nuttall窗；配置参数中的FFT长度为以下之一：128、256、512、1024、2048、4096；配置参数中的FFT实现方式为以下之一：基2、基4；配置参数中的多谱线差值数量为以下之一：双谱线差值、三谱线差值、四谱线差值、六谱线差值。
[0018] 在一些实施方式中，多谱线幅度包括最高峰谱线左临近谱线和右临近谱线的幅度；
[0019] 根据多谱线频率和多谱线幅度确定是否需要进行谱线修正和修正方向包括：当左临近谱线和右临近谱线的幅度之差大于栅栏
阈值时，确定为需要进行谱线修正，否则确定为不需要进行谱线修正。
[0020] 在一些实施方式中，根据多谱线频率和多谱线幅度确定是否需要进行谱线修正和修正方向还包括：当左临近谱线的幅度小于右临近谱线的幅度时，修正方向为正方向，否则为负方向。
[0021] 在一些实施方式中，通过多谱线幅度计算修正因子包括：
[0022] 根据两两相邻的多谱线幅度之差的总和与所有多谱线幅度的总和之比确定亚修正因子；
[0023] 根据亚修正因子和预先确定的修正多项式计算修正因子。
[0024] 在一些实施方式中，多谱线在判定两两相邻时按照频率顺序排列。
[0025] 在一些实施方式中，使用修正因子、多谱线频率和多谱线幅度修正频率谱、幅度谱、和相位谱包括：当修正方向为正方向时，对频率谱以负相关性使用修正因子进行修正、对幅度谱以正相关性使用修正因子进行修正、和对相位谱以正相关性使用修正因子进行修正。
[0026] 在一些实施方式中，使用修正因子、多谱线频率和多谱线幅度修正频率谱、幅度谱、和相位谱包括：修正方向为负方向时，对频率谱以正相关性使用修正因子进行修正、对幅度谱以正相关性使用修正因子进行修正、和对相位谱以负相关性使用修正因子进行修正。
[0027] 在一些实施方式中，将原始信号加窗为加4项3阶的Nuttall窗；执行的多谱线插值为6谱线差值。
[0028] 基于上述目的，本发明实施例的另一方面提供了一种基于FFT的信号谱线分析装置，装置为FPGA，其中FPGA包括：
[0029] 处理器；和
[0030]
存储器，存储有处理器可运行的程序代码，所述程序代码在被运行时执行上述的方法。
[0031] 本发明具有以下有益技术效果：本发明实施例提供的基于FFT的信号谱线分析方法与装置，通过将原始信号加窗截断并执行FFT，获得频率谱、幅度谱、和相位谱；执行多谱线插值，确定多谱线频率和多谱线幅度；确定是否需要进行谱线修正和修正方向；当确定为需要进行谱线修正时，通过多谱线幅度计算修正因子，并使用修正因子、多谱线频率和多谱线幅度修正频率谱、幅度谱、和相位谱并作为分析结果输出；当确定为不需要进行谱线修正时，直接将频率谱、幅度谱、和相位谱作为分析结果输出的技术方案，能够使用FFT分析并修正不同信号谱线或不同类型的信号谱线，通过可参数化配置的计算手段消除频谱泄露和栅栏效应的影响，降低误差并提高精度，且易于在FPGA上实施。
附图说明
[0032] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
[0033] 图1为本发明提供的基于FFT的信号谱线分析方法的流程示意图；
[0034] 图2为本发明提供的基于FFT的信号谱线分析方法的详细
流程图；
[0035] 图3为本发明提供的基于FFT的信号谱线分析装置的参数配置图。
具体实施方式
[0036] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
[0037] 需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”、“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
[0038] 基于上述目的，本发明实施例的第一个方面，提出了一种能够使用FFT分析并修正不同信号谱线或不同类型的信号谱线的方法的实施例。图1示出的是本发明提供的基于FFT的信号谱线分析方法的实施例的流程示意图。
[0039] 所述基于FFT的信号谱线分析方法，包括以下步骤：
[0040] 步骤S101，将原始信号加窗截断并执行FFT，获得频率谱、幅度谱、和相位谱。
[0041] 在一些实施方式中，将原始信号加窗截断为使用窗函数在时域上截断，所使用的窗函数为以下之一：矩形窗、Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗、不同项数与阶数的Nuttall窗。
[0042] 同时，FFT可以选择128、256、512、1024、2048、4096共6种不同长度，并可以选择基2或者基4两种方式来获得频率谱、幅度谱、和相位谱。使用PipeLine并行运算架构可以提高计算效率。
[0043] 步骤S103，对频率谱、幅度谱、和相位谱执行多谱线插值，确定多谱线频率和多谱线幅度。
[0044] 其中，多谱线插值可以选择双谱线、三谱线、四谱线、六谱线等多种谱线数量。
[0045] 步骤S105，根据多谱线频率和多谱线幅度确定是否需要进行谱线修正和修正方向。
[0046] 在一些实施方式中，多谱线幅度包括最高峰谱线左临近谱线和右临近谱线的幅度；当左临近谱线和右临近谱线的幅度之差大于栅栏阈值时，确定为需要进行谱线修正，否则确定为不需要进行谱线修正。
[0047] 如图2所示，如果最高峰谱线的左右邻近谱线的幅度值相差很小时，即时，可以认为此时的谱线并不受离散
傅立叶变换的栅栏效应影
响，因此不需要再进行修正运算。
[0048] 在一些实施方式中，当左临近谱线的幅度小于右临近谱线的幅度时，修正方向为正方向，否则为负方向。
[0049] 如图2所示，需要比较左右邻近谱线的大小来决定fm、Am、Φm(频率谱、幅度谱、相位谱)修正式中的符号。Index左和Index右分别代表左右邻近谱线；当Index左>Index右时，修正方向为负方向；当Index左
[0050] 步骤S107，当确定为需要进行谱线修正时，通过多谱线幅度计算修正因子，并使用修正因子、多谱线频率和多谱线幅度修正频率谱、幅度谱、和相位谱并作为分析结果输出。
[0051] 本发明实施例将经过FFT运算得到的幅度谱与相位谱结果，结合所选择的加窗函数计算修正因子α和亚修正因子β，再推导对应的修正式，从而对幅度、相位和频率点进行修正计算。由于直接求解修正因子需要耗费很多计算量，本发明实施例将常用的窗函数直接通过预先进行的多项式拟合，并得到尽可能精确的修正多项式系数。显然，不同窗函数、不同谱线数量所推导出的修正式也不相同。
[0052] 在一些实施方式中，通过多谱线幅度计算修正因子包括：
[0053] 根据两两相邻的多谱线幅度之差的总和与所有多谱线幅度的总和之比确定亚修正因子；
[0054] 根据亚修正因子和预先确定的修正多项式计算修正因子。
[0055] 在一些实施方式中，多谱线在判定两两相邻时按照频率顺序排列。
[0056] 本发明实施例将原始信号加窗为加4项3阶的Nuttall窗；执行的多谱线插值为6谱线差值。设此时六条谱线按幅值从大到小为y1、y2、y3、y4、y5、y6，则亚修正因子β为[0057]
[0058] 而修正因子α为
[0059] α＝g(β)＝1.455 901 404 053 95β+0.388 598 807 972 521β3+0.226 365 503 703 014β5
[0060] 在一些实施方式中，当修正方向为正方向时，使用修正因子、多谱线频率和多谱线幅度修正频率谱、幅度谱、和相位谱包括：对频率谱以负相关性使用修正因子进行修正、对幅度谱以正相关性使用修正因子进行修正、和对相位谱以正相关性使用修正因子进行修正。
[0061] 在一些实施方式中，修正方向为负方向时，使用修正因子、多谱线频率和多谱线幅度修正频率谱、幅度谱、和相位谱包括：对频率谱以正相关性使用修正因子进行修正、对幅度谱以正相关性使用修正因子进行修正、和对相位谱以负相关性使用修正因子进行修正。
[0062] 同上，本发明实施例将原始信号加窗为加4项3阶的Nuttall窗；执行的多谱线插值为6谱线差值。设此时谱线之间的频率差为Δf，这六条谱线按幅值从大到小的频率为k1Δf、k2Δf、k3Δf、k4Δf、k5Δf、k6Δf，其对应的幅值为y1、y2、y3、y4、y5、y6，且修正方向为负方向，则修正式为：
[0063] fm＝kmΔf＝(α+k1+0.5)Δf
[0064]
[0065]
[0066] 在修正方向为正方向且其它条件不变时，修正式为：
[0067] fm＝kmΔf＝(k1-α-0.5)Δf
[0068]
[0069]
[0070] 上式中， 其中，
[0071] u＝|W·2π(0.5-α)/N|+|W·2π(1.5-α)/N|+|W·2π(2.5-α)N|；
[0072] v＝|W·2π(-0.5-α)/N|+|W·2π(-1.5-α)/N|+|W·2π(-2.5-α)/N|
[0073] 其中，
[0074]
[0075]
[0076] 其中N为FFT的长度，可以取128、256、512、1024、2048或4096。
[0077] 步骤S109，当确定为不需要进行谱线修正时，直接将频率谱、幅度谱、和相位谱作为分析结果输出。
[0078] 可替代地，也可以根据频率谱、幅度谱、和相位谱确定频点估计值，如图2所示地将频点估计值作为分析结果输出。计算频点估计值的方法是现有技术，不需要额外公开技术特征。
[0079] 从上述实施例可以看出，本发明实施例提供的基于FFT的信号谱线分析方法，通过将原始信号加窗截断并执行FFT，获得频率谱、幅度谱、和相位谱；执行多谱线插值，确定多谱线频率和多谱线幅度；确定是否需要进行谱线修正和修正方向；当确定为需要进行谱线修正时，通过多谱线幅度计算修正因子，并使用修正因子、多谱线频率和多谱线幅度修正频率谱、幅度谱、和相位谱并作为分析结果输出；当确定为不需要进行谱线修正时，直接将频率谱、幅度谱、和相位谱作为分析结果输出的技术方案，能够使用FFT分析并修正不同信号谱线或不同类型的信号谱线，通过可参数化配置的计算手段消除频谱泄露和栅栏效应的影响，降低误差并提高精度，且易于在FPGA上实施。本发明实施例将相对误差降低到10-5数量级。
[0080] 需要特别指出的是，上述基于FFT的信号谱线分析方法的各个实施例中的各个步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换之于基于FFT的信号谱线分析方法也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在所述实施例之上。
[0081] 基于上述目的，本发明实施例的第二个方面，提出了一种能够使用FFT分析并修正不同信号谱线或不同类型的信号谱线的装置的实施例。所述装置为FPGA，FPGA包括：
[0082] 处理器；和
[0083] 存储器，存储有处理器可运行的程序代码，所述程序代码在被运行时执行如上述的方法。
[0084] FPGA可以包括用于将原始信号加窗截断的加窗模
块；用于执行FFT获得频率谱、幅度谱、和相位谱的FFT模块；用于执行多谱线插值以确定多谱线频率和多谱线幅度的多谱线差值模块；用于确定是否需要进行谱线修正和修正方向的判断模块；通过多谱线幅度计算修正因子的修正因子计算模块；和使用修正因子、多谱线频率和多谱线幅度修正频率谱、幅度谱、和相位谱的修正模块。
[0085] FPGA还可以包括用于输出分析结果的输出模块。另外，考虑到窗函数、FFT参数、多谱线差值数量等人为可选的参量，FPGA还可以包括用于接受用户输入并将上述参量转化为定制化的HDL(硬件描述语言)代码以发送到上述有关模块的参数化配置模块。如图3所示，参数化配置模块使得FPGA可以在不同窗函数、基于不同数目谱线插值的算法之间灵活选择工作模式，也可设置128至4096之间的不同点数的FFT长度以及基2/基4等不同类型的FFT实现方式——这允许使用者根据特定的实际需求来产生定制功能的FFT信号谱线分析工具。
[0086] 从上述实施例可以看出，本发明实施例提供的基于FFT的信号谱线分析装置，通过将原始信号加窗截断并执行FFT，获得频率谱、幅度谱、和相位谱；执行多谱线插值，确定多谱线频率和多谱线幅度；确定是否需要进行谱线修正和修正方向；当确定为需要进行谱线修正时，通过多谱线幅度计算修正因子，并使用修正因子、多谱线频率和多谱线幅度修正频率谱、幅度谱、和相位谱并作为分析结果输出；当确定为不需要进行谱线修正时，直接将频率谱、幅度谱、和相位谱作为分析结果输出的技术方案，能够使用FFT分析并修正不同信号谱线或不同类型的信号谱线，通过可参数化配置的计算手段消除频谱泄露和栅栏效应的影响，降低误差并提高精度，且易于在FPGA上实施。本发明实施例将相对误差降低到10-5数量级。
[0087] 需要特别指出的是，上述基于FFT的信号谱线分析装置的实施例采用了所述基于FFT的信号谱线分析方法的实施例来具体说明各模块的工作过程，本领域技术人员能够很容易想到，将这些模块应用到所述基于FFT的信号谱线分析方法的其他实施例中。当然，由于所述基于FFT的信号谱线分析方法实施例中的各个步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换之于所述基于FFT的信号谱线分析装置也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在所述实施例之上。
[0088] 以上是本发明公开的示例性实施例，但是应当注意，在不背离
权利要求限定的本发明实施例公开的范围的前提下，可以进行多种改变和
修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
[0089] 应当理解的是，在本文中使用的，除非上下文清楚地支持例外情况，单数形式“一个”旨在也包括复数形式。还应当理解的是，在本文中使用的“和”是指包括一个或者一个以上相关联地列出的项目的任意和所有可能组合。本发明实施例公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0090] 所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。
