基于FPGA的簡(jiǎn)易頻譜分析儀

　　1 引言

　　目前，由于頻譜分析儀價(jià)格昂貴，高等院校只是少數實(shí)驗室配有頻譜儀。但電子信息類(lèi)教學(xué)，如果沒(méi)有頻譜儀輔助觀(guān)察，學(xué)生只能從書(shū)本中抽象理解信號特征，嚴重影響教學(xué)實(shí)驗效果。

　　針對這種現狀提出一種基于FPGA的簡(jiǎn)易頻譜分析儀設計方案，其優(yōu)點(diǎn)是成本低，性能指標滿(mǎn)足教學(xué)實(shí)驗所要求的檢測信號范圍。

　　2 設計方案

　　圖1為系統設計總體框圖。該系統采用C8051系列單片機中的 C8051F121作為控制器，CvcloneⅢ系列EP3C40F484C8型FPGA為數字信號算法處理單元。系統設計遵循抽樣定理，在時(shí)域內截取一段適當長(cháng)度信號，對其信號抽樣量化，按照具體的步驟求取信號的頻譜，并在LCD上顯示信號的頻譜，同時(shí)提供友好的人機會(huì )話(huà)功能。該系統最小分辨率為1 Hz，可分析帶寬為0~5 MHz的各種信號。

　　由于單片機C8051 F121內部集成A/D轉換器，能夠有效測量自動(dòng)增益控制AGC壓差，計算出對輸入信號的放大倍數;另外，該單片機內置高速控制內核和豐富的存儲器，使其能夠控制整個(gè)系統;EP3C40F484C8型FPGA內置豐富的存儲器資源，確保該系統具有足夠的空間存儲采集的點(diǎn)數，完成離散傅里葉變換、數字濾波器、數字混頻等信號處理。

　　3 理論分析

　　3.1 數字下變頻FFT

　　隨著(zhù)高速A/D轉換和DSP技術(shù)的發(fā)展，數字下變頻的快速傅里葉變換FFT(Fast Fourier Transform)技術(shù)能夠有效減少傳統FFT技術(shù)存在的內存不足。在高中頻、高采樣率系統中實(shí)現信號頻譜的高分辨率、低存儲量和低運算量，從而極大提高系統的實(shí)時(shí)性。

　　圖2為基于數字下變頻的FFT技術(shù)的實(shí)現原理框圖。

　　3.2 直接數字頻率合成器DDS原理

　　用直接數字頻率合成器DDS(Direct Digital Synthesiz-er)原理實(shí)現掃頻信號的信號源主要由參考頻率源、相位累加器、正弦波采樣點(diǎn)存儲RAM、數模轉換器及低通濾波器構成。設參考頻率源頻率為fclk，計數容量為2N的相位累加器(N為相位累加器的位數)，若頻率控制字為M，則DDS系統輸出信號的頻率為fout=fclk/2N×M，而頻率分辨率為△f=fclk/2N。為達到輸出頻率范圍為5 MHz的要求，考慮到實(shí)際低通濾波器性能的限制，fclk為200 MHz，相位累加器的位數為32位。其中高10位用做ROM地址讀波表(1個(gè)正弦波周期采樣1 024個(gè)點(diǎn))，頻率控制字也為32位，這樣理論輸出頻率滿(mǎn)足要求。

　　4 系統硬件設計

　　4.1 AGC電路

　　輸入信號經(jīng)高速A/D采樣，信號幅度必須滿(mǎn)足A/D的采樣范圍，最高為2-3V，因此該系統設計應加AGC電路。AGC電路采用AD603型線(xiàn)性增益放大器。圖3為AGC電路。

　　4.2 A/D轉換電路

　　ADS2806是一款12位A/D轉換器，其特點(diǎn)為：無(wú)雜散信號動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)為73 dB;信噪比(SNR)為66 dB;具有內部和外部參考時(shí)鐘;采樣速率為32 MS/s。圖4為ADS2806的電路。為使A/D轉換更穩定，在A(yíng)/D轉換器的電源引腳上增加濾波電容，抑制電源噪聲。該電路結構簡(jiǎn)單，在時(shí)鐘CLK的驅動(dòng)下，數據端口實(shí)時(shí)輸出數據，供FPGA讀取。

　　4.3 FPGA及外圍接口模塊

　　選用CycloneⅢ系列EP3C40F484型FPGA，該器件內部有39 600個(gè)LE資源，有1 134 000 bit的存儲器，同時(shí)還有126個(gè)乘法器和4個(gè)PLL鎖相環(huán)。由于該器件內部有大量資源，因而可滿(mǎn)足其內部實(shí)現數字混頻、數字濾波、以及FFT運算。FP -GA正常工作時(shí)，主要需要的外部接口有：時(shí)鐘電路、JTAG下載電路、配置器件及下載電路。圖5為FPGA的外圍接口電路。

　　5 系統軟件設計

　　系統軟件設計包括單片機和FPGA兩部分，單片機作為整個(gè)系統的核心控制單元，主要負責系統的初始化、鍵盤(pán)輸入控制以及LCD顯示等功能;而FPGA的高速并行計算性能使其很適合進(jìn)行實(shí)時(shí)性要求較高的信號處理運算。系統軟件流程如圖6所示。

　　系統上電后，單片機分別初始化系統各個(gè)模塊，寫(xiě)入默認的CIC、FIR濾波器參數和寫(xiě)入默認的數字混頻器頻率值。初始化完成后，系統開(kāi)始以默認的中心頻率和分辨率分析頻譜，進(jìn)入等待鍵盤(pán)輸入狀態(tài)。當用戶(hù)通過(guò)鍵盤(pán)重新輸人中心頻率和分辨率等參數后，單片機重新刷新LCD，同時(shí)可通過(guò)鍵盤(pán)操作LCD上的畫(huà)面，移動(dòng)光標，利用軟件計算對應光標處的頻率值并在LCD上顯示，而且還可以對整個(gè)圖像進(jìn)行放縮以方便觀(guān)察頻譜。

　　6 測量結果分析

　　先通過(guò)Matlab軟件進(jìn)行仿真，分別用程序測試頻率為20 Hz的正弦波方波，系統仿真結果如圖7所示。從圖7a看出20 Hz正弦波頻譜是一條譜線(xiàn)，其周?chē)挥泻苌傩孤╊l率分量，符合理想情況。圖7b是20 Hz方波的分析結果，其基波，第三、第五、第七次諧波的幅度滿(mǎn)足1、1/3、1/5、1/7、1，9的理論結果。

　　7 結束語(yǔ)

　　該系統能夠方便地在LCD上顯示信號的頻譜結構圖。操作簡(jiǎn)單，便于學(xué)生進(jìn)行操作，有助于實(shí)驗教學(xué)課上學(xué)生更直觀(guān)認識信號頻譜結構，從而促進(jìn)實(shí)驗課教學(xué)。