一种实时多帧频域数据的并行处理方法技术

本发明专利技术公开了一种实时多帧频域数据的并行处理方法，针对实时频谱分析中三维频谱计算及处理需求，采用软硬件联合方式对硬件量化输出的实时基带I/Q数据流并行计算，按帧长度为K、重叠率为Poverlap将实时基带I/Q数据分配到M个并行处理单元组分别进行加窗处理、FFT，这样得到M个计算帧；然后，将计算帧的数据点做功率转换，根据功率转换值进行数据映射为一个二维图像矩阵，再将M个计算帧的二维图像矩阵进行统计叠加，得到分辨率为K*H的三维频谱帧。这样，在减小硬件开销的同时，实现对宽带通信信号的实时频谱处理。

A Parallel Processing Method for Real-time Multi-frame Frequency Domain Data

The invention discloses a parallel processing method for real-time multi-frame frequency domain data. To meet the requirements of three-dimensional spectrum calculation and processing in real-time spectrum analysis, the real-time baseband I/Q data stream quantized by hardware and software is computed in parallel. The real-time baseband I/Q data is allocated to M parallel processing unit groups for windowing processing according to frame length K and overlap rate Poverlap. FFT, so that M computational frames can be obtained; then, the data points of the computational frames are converted to power, and the data are mapped to a two-dimensional image matrix according to the power conversion value. Then, the two-dimensional image matrix of M computational frames is statistically superimposed to obtain a three-dimensional spectrum frame with resolution of K*H. In this way, the real-time spectrum processing of broadband communication signals is realized while the hardware overhead is reduced.

【技术实现步骤摘要】
一种实时多帧频域数据的并行处理方法
本专利技术属于实时通信信号处理
，更为具体地讲，涉及一种实时多帧频域数据的并行处理方法。
技术介绍
由于通信信号具有多体制、复杂瞬态的技术特点，对仪器捕获及分析信号能力提出了越来越高的要求。实时频谱分析需要对捕获的包含瞬态特征的通信信号做大吞吐量数据处理，以便获得通信信号在时、频域中的瞬态细节。由于实时频谱分析的测量对象即通信信号一般具有宽带、高采样率、数据吞吐量大的特点，为获得连续时间内的频谱统计信息，需要将大量频谱信息收集并压缩成无闪烁的多帧三维频谱，这对处理器的处理速度有极高的要求。传统的多帧频域数据处理方式为基于大规模逻辑(FPGA)或ASIC器件的全硬件处理方式、或基于传统CPU处理器的软件处理方式，前者可通过并行达成高速实时处理的特点，但硬件开销迅速增加；后者通常只能基于串行方式处理数据，因而难以满足对实时大量数据做分析处理的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种实时多帧频域数据的并行处理方法，在减小硬件开销的同时，实现对宽带通信信号的实时频谱处理。为实现上述专利技术目的，本专利技术实时多帧频域数据的并行处理方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、对通信信号进行采样量化，然后进行基带处理，得到实时基带I/Q数据流，并依次存入全局存储器中，每次存入的数据(即每个实时基带I/Q数据)包括一个基带I数据和对应的一个基带Q数据；(2)、从全局存储器中按先入先出原则，按照帧长度为K、重叠率为Poverlap依次读取出M帧实时基带I/Q数据，并分别存入M个局部存储器中，读取后的实时基带I/Q数据移出全局存储器；(3)、每个局部存储器对应一个并行处理单元组，每个并行处理单元组读取对应的局部存储器中的一帧实时基带I/Q数据进行加窗处理、FFT(快速傅里叶变换)得到一个长度为K的计算帧；(4)、每个并行处理单元组对其得到的计算帧的各数据点的功率进行计算，对计算帧的各数据点的功率值进行对数刻度转换，得到功率转换值；(5)、为每个并行处理单元组定义一个K*H尺寸(即包含K*H个存储单元)的存储区，该存储区为一个二维图像矩阵，水平方向代表计算帧数据点，垂直方向代表功率转换值分栏，H为功率转换值分栏数目，所述功率转换值分栏为一定范围的功率转换值分为连续的H个区间范围；然后进行映射：如果计算帧数据点的功率转换值落入每一个分栏，则在计算帧数据点对应落入分栏的存储单元写入1，即存储值为1(没有写入的为0)；最后进行统计叠加；将M个并行处理单元组对应存储区相同位置存储单元的存储值进行累积，得到分辨率为K*H的三维频谱帧，然后返回步骤(2)，进行步骤(2)～(5)的处理，得到下一三维频谱帧。本专利技术的目的是这样实现的。本专利技术实时多帧频域数据的并行处理方法，针对实时频谱分析中三维频谱计算及处理需求，采用软硬件联合方式对硬件量化输出的实时基带I/Q数据流并行计算，按帧长度为K、重叠率为Poverlap将实时基带I/Q数据分配到M个并行处理单元组分别进行加窗处理、FFT，这样得到M个计算帧；然后，将计算帧的数据点做功率转换，根据功率转换值进行数据映射为一个二维图像矩阵，再将M个计算帧的二维图像矩阵进行统计叠加，得到分辨率为K*H的三维频谱帧。这样，在减小硬件开销的同时，实现对宽带通信信号的实时频谱处理。附图说明图1是本专利技术实时多帧频域数据的并行处理方法一种具体实施方式流程图；图2是应用本专利技术实时多帧频域数据的并行处理方法的实时频谱分析装置的原理框图；图3是图2所示信号处理模块的原理框图；图4是按重叠率Poverlap读取出M帧实时基带I/Q数据的示意图；图5是二维图像矩阵的映射、统计叠加的示意图；图6是二维图像矩阵的映射、映射、统计叠加的示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术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专利技术。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专利技术的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。图1是本专利技术实时多帧频域数据的并行处理方法一种具体实施方式流程图。在本实施例中，如图1所示，本专利技术实时多帧频域数据的并行处理方法包括以下步骤：步骤S1：对通信信号进行采样，然后进行基带处理，得到实时基带I/Q数据流，并依次存入全局存储器中，每次存入的数据(即每个实时基带I/Q数据)包括一个基带I数据和对应的一个基带Q数据。在本实施例中，如图2所示，实时频谱分析装置包括信号采集模块、高速通信模块、信号处理模块、主控模块以及频谱显示模块。数字化仪位于信号采集模块内，对通信信号进行采集量化。数字化仪将采样量化后数据经I/Q数字基带处理电路完成数字下变频、I/Q多速率调整等常规的基带处理任务，得到实时基带I/Q数据流，通过高速通信模块送至信号处理模块。信号处理模块在主控模块的控制下，对实时基带I/Q数据流进行处理，得到三维频谱帧，并送入频谱显示模块显示。在本实施例中，如图3所示，信号处理模块采用图形处理器GPU作为并行处理单元，采用了面向异构系统的OpenCL编程标准，将每个并行处理单元看做一组计算单元的集合，每个计算单元又划分为多个处理部件(流处理器)。在本实施例中，程序由主控程序和内核程序(Kernel)组成，图形处理器初始化后，主控程序管理内核程序的执行，内核程序则在并行计算设备上执行具体的计算任务。其中，内核程序包含了频域数据处理过程的各函数，在并行计算中工作组内的所有工作项执行相同的内核代码。在本实施例中，如图3所示，来自信号采集模块的实时基带I/Q数据流依次存入在信号处理模块的全局存储器中，每次存入的一个基带I数据和对应的一个基带Q数据构成一个实时基带I/Q数据。步骤S2：从全局存储器中按先入先出原则，按照帧长度为K、重叠率为Poverlap依次读取出M帧实时基带I/Q数据，并分别存入M个局部存储器中，读取后的实时基带I/Q数据移出全局存储器。在本实施例中，如图4所示，前后两帧实时基带I/Q数据有Poverlap的重叠，重叠率为大于等于0、小于1的常数，采用一定重叠的方式进行帧的划分，以保证瞬态信号频谱计算值的保真度。这样构建一三维频谱帧需要的实时基带I/Q数据为L＝M*K(1-Poverlap)。全局存储器可以采用FIFO存储器来具体实现。步骤S3：每个局部存储器对应一个并行处理单元组，每个并行处理单元组读取对应的局部存储器中的一帧实时基带I/Q数据进行加窗处理、FFT(快速傅里叶变换)得到一个长度为K的计算帧。步骤S4：每个并行处理单元组对其得到的计算帧的各数据点的功率进行计算，对计算帧的各数据点的功率值进行对数刻度转换，得到功率转换值。为达到最佳显示结果，在本实施例中，本步骤计算得到的计算帧的各数据点的功率值存储在功率值全局存储器中，以便进行后续的功率插值计算。在本实施例中，每个并行处理单元组又含有K个工作项，或称K个计算线程。计算帧各数据点的功率进行计算和转换可以在M*K个计算线程上并发。步骤S5：为每个并行处理单元组定义一个K*H尺寸(即包含K*H个存储单元)的存储区，该存储区为一个二维图像矩阵，水平方向代表计算帧数据点，垂直方向代表功率转换值分栏，H为功率转换值分栏数目，所述功率转换值分栏为一定范围的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实时多帧频域数据的并行处理方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、对通信信号进行采样量化，然后进行基带处理，得到实时基带I/Q数据流，并依次存入全局存储器中，每次存入的数据(即每个实时基带I/Q数据)包括一个基带I数据和对应的一个基带Q数据；(2)、从全局存储器中按先入先出原则，按照帧长度为K、重叠率为Poverlap依次读取出M帧实时基带I/Q数据，并分别存入M个局部存储器中，读取后的实时基带I/Q数据移出全局存储器；(3)、每个局部存储器对应一个并行处理单元组，每个并行处理单元组读取对应的局部存储器中的一帧实时基带I/Q数据进行加窗处理、FFT(快速傅里叶变换)得到一个长度为K的计算帧；(4)、每个并行处理单元组对其得到的计算帧的各数据点的功率进行计算，对计算帧的各数据点的功率值进行对数刻度转换，得到功率转换值；(5)、为每个并行处理单元组定义一个K*H尺寸(即包含K*H个存储单元)的存储区，该存储区为一个二维图像矩阵，水平方向代表计算帧数据点，垂直方向代表功率转换值分栏，H为功率转换值分栏数目，所述功率转换值分栏为一定范围的功率转换值分为连续的H个区间范围；然后进行映射：如果计算帧数据点的功率转换值落入每一个分栏，则在计算帧数据点对应落入分栏的存储单元写入1，即存储值为1(没有写入的为0)；最后进行统计叠加；将M个并行处理单元组对应存储区相同位置存储单元的存储值进行累积，得到分辨率为K*H的三维频谱帧，然后返回步骤(2)，进行步骤(2)～(5)的处理，得到下一三维频谱帧。...

【技术特征摘要】
1.一种实时多帧频域数据的并行处理方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、对通信信号进行采样量化，然后进行基带处理，得到实时基带I/Q数据流，并依次存入全局存储器中，每次存入的数据(即每个实时基带I/Q数据)包括一个基带I数据和对应的一个基带Q数据；(2)、从全局存储器中按先入先出原则，按照帧长度为K、重叠率为Poverlap依次读取出M帧实时基带I/Q数据，并分别存入M个局部存储器中，读取后的实时基带I/Q数据移出全局存储器；(3)、每个局部存储器对应一个并行处理单元组，每个并行处理单元组读取对应的局部存储器中的一帧实时基带I/Q数据进行加窗处理、FFT(快速傅里叶变换)得到一个长度为K的计算帧；(4)、每个并行处理单元组对其得到的计算帧的各数据点的功率进行计算，对计算帧的各数据点的功率值进行对数刻度转换，得到功率转换值；(5)、为每个并行处理单元组定义一个K*H尺寸(即包含K*H个存储单元)的存储区，该存储区为一个二维图像矩阵，水平方向代表计算帧数据点，垂直方向代表功率转换值分栏，H为功率转换值分栏数目，所述功率转换值分栏为一定范围的功率转换值分为连续的H个区间范围；然后进行映射：如果计算帧数据点的功率转...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志刚，王咏实，胡蕊，徐啸，李鹏飞，罗光坤，曹佳伟，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51