基于FPGA的实时信号捕获算法分析_魏天啸.pdf

12 电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月Electronics 电子学摘要：阐述FPGA的信号捕获算法的应用，满足实时信号处理的需要，通过算法原理、算法实现、仿真设计应用捕获算法。关键词：FPGA，信号捕获，实时信号，算法原理。中图分类号：TN957.52文章编号：1000-0755(2023)04-0012-02文献引用格式：魏天啸，卜艺飞，黄钊，梁霄，罗瑞，刘卓.基于FPGA的实时信号捕获算法分析J.电子技术,2023,52(04):12-13.用运算量、运算效率对实时捕获效果有着直接影响，且与序列的长度呈正比例关系。为提高实时信号捕获算法效率，基于FPGA对该算法进行研究应用，通过流水线阵列设计的方式，使得FPGA具备强大的计算能力，并可以在单个点采样后，立即运算得出能量值数值结果。使用的序列长度设计为64，模块工作时钟的长度大于采样时钟，且时钟保持在10倍以上。数据接收采用IQ数据，进行数据计算，设计序列计算流水线，经过10次流水线计算之后，输出最终结果，具体流水线算法程序如表1内容所示。0 引言信号捕获是指对信号进行连续不断的检测过程，通过程序计算方式获取有效信号。信号捕获过程需要经过同步、信道估计、解调、处理等多个阶段，且极易受到噪声影响。接收机在对信号进行处理过程中，也可能会受到时延效果影响，导致数据出现缓存，FPGA的实时信号捕获算法应用速度较快，可满足实时处理的基本要求。1 基本原理导频序列信号捕获和盲信号检测是捕获算法中比较常用的两个手段。比较两种方法而言，盲检测在低信噪比的状态下进行信号捕获效率有所不足，性能无法满足实际应用需要，导频序列捕获算法应用效果良好，且使用伪随机特征实现对序列的捕获，将PN序列作为信号捕获的基础。根据算法特点，使用滑动窗算法进行序列相关数值计算，具体计算如式（1）所示。（1）由式（1）进行序列计算，S*表示信号共轭值，PS(N)表示阈值，主要用于判断是否捕获了信号，L表示序列的长度，ym+n表示信号接收机设备所采集的采样信号数值。根据采样序列号可以实现对信号的捕获，通过对相关能量的仿真结果，可以对峰值能量数值的大小进行计算和判定1。2 算法实现为实现序列列阵的实时信号捕捉，算法的应基于FPGA的实时信号捕获算法分析魏天啸，卜艺飞，黄钊，梁霄，罗瑞，刘卓（中航工业西安飞行自动控制研究所，陕西 710065）Abstract This paper describes the application of FPGA signal capture algorithm to meet the needs of real-time signal processing.The capture algorithm is applied through algorithm principle,algorithm implementation,and simulation design.Index Terms FPGA,signal capture,real-time signal,algorithm principles.Analysis of Real Time Signal Capture Algorithm Based on FPGAWEI Tianxiao,BU Yifei,HUANG Zhao,LIANG Xiao,LUO Rui,LIU Zhuo(AVIC Xian Flight Automatic Control Research Institute,Shaanxi 710065,China.)作者简介：魏天啸，中航工业西安飞行自动控制研究所，工程师，硕士；研究方向：闭环光纤陀螺电子控制技术。收稿日期：2022-07-11；修回日期：2023-04-12。表1 算法流水线分类及计算内容表电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月 13Electronics 电子学3 结果分析 3.1 原理分析基于FPGA实现对信号捕获算法的原理进行具体的分析，其主要在序列长度分别达到16或者64、32时，可实现对信道内信号的捕获，以满足实时信号捕获的目标。如果序列长度随之增加，则捕获的概率也会有所增加，在实现对信号的实时捕获过程中，应尽可能选择序列长度较长的导频序列进行信号数据的捕获。3.2 仿真试验对该算法的应用效果、应用功能进行仿真模拟，主要使用软件平台的仿真功能，对导频序列接收信号后的峰值参数进行计算。对比算法原理与最终的仿真结果，两者具有统一性，说明在采样点内可以实现对算法结果的输出，以满足实时信号捕获的客观需要。4 FPGA算法在具体案例中应用将FPGA算法应用到GPS信号的实时捕捉之中，实时获取信号信息尤为重要。其对计算量要求比较大，基于FPGA实现对信号实时捕获算法的应用，在不降低信噪比的同时，对其进行数据采样，并实现对GPS信号的快速捕获。其基于FPGA实现对频域软件信号的处理，使用C/A码进行捕获。4.1 信号捕获接收机在接收信号的过程中，信号的波段载频会发生改变，随后进行解扩、解调。接收机在接收信号的过程中，需要根据偏移率和偏移情况进行捕获，随后进行信号的实时获取，以最快的信号捕获速度，实现信号定位的目标。同时进行数千个点的函数计算，对硬件的要求比较高，频域处理接收机的性能选择十分关键。但由于其成本比较高，价格比较昂贵，适用性反而比较低。FFT模块的建设应用进行复数变化，通过数据实部和虚部的划分，对其引脚进行配置，可以按照时序关系将信号送入到FFT模块之中，实现对信号的快速处理2-4。在算法应用过程中，使用C/A码进行码率计算，每毫秒可以支持1 000多个点的数值计算，如速率相同，则可使用FFT模块进行序列计算，并实现序列和码率之间的调节，使其具有适用性。在使用接收机进行前端样本采集的过程中，前端可支持5 000Msps采样，经过量化处理后有所降低，使两路码序列相同，并具有一定的替代性。应用FPGA进行算法研究，并将其应用到对GPS信号的捕捉过程中。其C/A码的周期数值为1ms，时域在1ms内被覆盖，通过采样数据集合以及数据平均化的方式，对其进行第一个采样值的确定。将上述算法应用到C/A码的计算之中，由于其属于循环数量，每次循环会存在一起始点，将其作为序列进行计算，使用FFT的处理方式，可以实现对GPS实时信号的捕获。4.2 硬件要求FPGA算法在信号实时捕获之中的算法应用，需要根据信号的实际情况对信号码率等进行调整。本文设计的伪随机序列实时信号的捕捉算法，可适用于低信噪比的情况下。但如果在信噪比比较高的情况，如GPS信号的捕获之中，基于FPGA的算法应用为实现信号实时捕获的最终目标，需要使用平均相关器对电路信号进行实时捕获。具体的硬件设备包括振荡器、复数乘法器、FFT模块、监测器等。在对电路信号进行实时捕获的过程中，平均相关仪器设备尤为重要，其在模块中的应用对样本进行结果输出。在modelsim软件之中进行仿真试验，对其应用结果进行分析，其可以实现对GPS信号的循环跟踪以及解扩、解调处理。5 结果分析基于FPGA的信号捕获算法应用，主要将其应用到通信领域之中，其在芯片的设计上并不局限于芯片的研究设计，而是通过芯片模型的构建实现优化设计的目标。FPGA属于半定制电路，具有可编程逻辑列阵，通过输入、输出单元的编程，配置逻辑块，嵌入硬件装置和软件系统，可以实现算法设计的目标。根据实际的需求对算法的基本架构进行调整，通过伪随机序列矩阵的建立，可以实现对通信信号的实时捕获。根据算法将其应用到GPS之中，其在算法上应进一步进行优化，并使用平均相关器实现FPGA算法信号捕获的目标。FPGA应用具有良好的扩展性，性能比较优越，应用性良好。6 结语伪随机序列实时信号捕获算法的应用通过FPGA进行验证，其在应用过程中即使处于低信号频率下，也可以保障信号捕获的概率，并具有实时性特点。在基于FPGA实现对GPS信号的快速捕获研究中，其对硬件设备的要求更高，但具有可行性。未来基于FPGA的实时信号捕获将在导频序列长度上有所扩展，应用方式、应用领域也将不断扩大。参考文献1 田坤,刘霖,曹越,江率.基于FPGA的船只目标ISAR实时重聚焦处理实现J.电子设计工程,2022,30(08):16-20+25.2 常乐.船舶导航雷达数字信号处理机的FPGA电路设计与优化J.舰船科学技术,2022,44(06):125-128.3 吴三元,王英,刘尚富.某雷达信号处理机的设计J.舰船电子工程,2009,29(05):142-143+153.4 王健.基于FPGA的实时信号捕获算法设计与实现J.电子技术与软件工程,2021(11):73-74.