[发明专利]一种面向卫星通信信号实时检测的荧光频谱分析方法

说明书

本发明属于荧光频谱分析技术领域，具体来说是涉及一种面向卫星通信信号实时检测的荧光频谱分析方法。本发明首先计算信号频谱统计基准线，再以此基准线上下一定范围确定位图统计区域，然后构建位图对待测信号频谱数据进行位图统计，这样就可以避免为无频点落入区域提供存储空间，达到减少存储资源使用的目的。

技术领域

本发明属于荧光频谱分析技术领域，具体来说是涉及一种面向卫星通信信号实时检测的荧光频谱分析方法。

背景技术

数字荧光频谱分析技术(Digital Phosphor Technology，DPX)的提出是频谱分析领域的一次重大革新，它通过长时间地统计待测信号频谱来获取信号细节，将成千上万帧信号频谱的信息包含在了一帧直观清晰的数字荧光谱中，把信号的频域信息以三维彩色图像的形式呈现出来，是工程师们分析突发、同频等难检信号的有力工具。

DPX从根源上解决了实时频谱分析系统难以可靠捕获瞬态信号的问题，但其实现需要消耗大量的硬件资源，在宽带高分辨率分析中该问题尤为突出。因此，如何缩减数字荧光频谱分析技术的硬件资源复杂度具有重要的应用和研究价值。

DPX的硬件资源复杂度主要来源于算法中位图统计步骤，在位图统计开始前，必须提前调用BRAM构建以行为频率、列为功率的矩阵型位图。在FPGA实现中，需要为位图上每个单元格设置一个对应的存储空间，用于存放此位置频点的出现次数，所以总存储单元数量Depth如式(2-1)所示：

Depth＝m×n×1 (0-1)

构建位图所用的存储空间的位宽RAM_width与DPX系统最大统计帧数N有关。RAM_width与N的具体关系如式(2-2)所示：

RAM_width＝log₂(N+1) (0-2)

RAM容量M计算如式(2-3)所示：

M＝RAM_width×Depth (0-3)

依据式(2-3)，同时考虑到，频谱分析系统为保证实时性，需要采取乒乓操作，让两套位图统计模块交替工作，因此实际所需RAM容量为上述计算的2倍，系统在位图统计中构建位图的总存储空间消耗为：

M＝2×m×n×log₂(N+1) (0-4)

位图大小为行数m＝100，列数n＝4096的DPX系统能够满足基本的频谱分析需求，由式(2-4)可得，在FPGA中实现该DPX系统至少需要13107Kb的存储资源，换算为常用的KB单位即1638.4KB大小的存储资源。1638.4KB左右的用量看似不多，但相较于常用FPGA芯片中捉襟见肘的存储资源来说，已经是相当大的消耗了。以性价比高，能够满足中低端与部分高端应用需求的Xilinx(赛灵思)公司的Kintex7系列FPGA芯片为例，其片上资源最多的型号XC7K480T也仅有4296.5KB的BRAM资源，仅构建位图这一步就会消耗其近半的BRAM资源，给整个DPX实时频谱分析系统的数字电路实现带来巨大的布局布线压力。

采用传统DPX实现方法，构建行数为100，列数为8192的位图，对一段宽带信号进行位图统计，对统计完成的位图进行伪彩色映射，得到如图1所示的一帧数字荧光谱图像。伪彩色映射赋予位图矩阵中非零元素对应的色彩，0元素则为黑色。图1所示荧光谱图像中，除了赋予色彩的像素点构成的信号频域波形外，其余绝大部分区域都是黑色的。更确切的说，本次位图统计结束后，位图上819200个单元格中只有92109个出现过频点，出现频点的单元格仅占总数的11.2％。因为传统DPX需要向位图上每一个单元格提供存储空间，也就是说，此次位图统计中，DPX系统在FPGA中的所用到的819200个BRAM单元，仅有10％左右工作过，剩下90％以上都没有使用到。这种浪费在传统DPX中是一直存在且不可避免的。