基于NIOS II的頻譜分析儀的設計與研制

　　頻譜分析儀是微電子測量領域中最基礎、最重要的測量儀器之一，是從事各種電子產品研發(fā)、生產、檢驗的重要工具。高分辨率、寬頻帶數(shù)字頻譜分析的方法和實現(xiàn)一直是該領域的研究熱點[1]?，F(xiàn)代頻譜分析儀是基于現(xiàn)代數(shù)字信號處理理論的頻譜分析儀，信號經過前置預處理、抗混疊濾波、A/D變換、數(shù)字頻譜分析等環(huán)節(jié)而得到信號中的頻率分量， 達到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結果。

　　本設計完全利用FPGA實現(xiàn)FFT，在FPGA上實現(xiàn)整個系統(tǒng)構建。其中CPU選用Altera公司的Nios II軟核處理器進行開發(fā), 硬件平臺關鍵模塊使用Altera公司的EDA軟件QuartusIIV8.0完成設計。整個系統(tǒng)利用Nios II軟核處理器通過Avalon總線進行系統(tǒng)的控制。全文重點闡述了整個系統(tǒng)的設計流程，同時對于方案中的設計思路和重要部分給予說明。

　　1 系統(tǒng)設計方案

　　頻譜分析儀一般分為兩類：

　　一種是掃頻調諧式的分析儀，此類分析儀通過各類濾波，再經過一個外差的接收機，把輸入信號中的中頻信號進行分析，從而得到頻譜分析的結果。這是現(xiàn)在最為普遍的頻譜分析儀結構，此類分析儀結構復雜[2]。

　　另外一種是動態(tài)的信號分析儀，即快速傅里葉變換FFT分析儀。它利用FFT將信號分解成分立的頻率分量，由模擬/數(shù)字轉換器(ADC)直接對輸入信號取樣，經過FFT處理后獲得頻譜分布圖。此類分析儀速度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)分析儀，可以進行實時分析。本文的設計就采用這種原理。

　　在此設計中，信號經過濾波、放大之后，通過AD取樣，在FGPA內對信號進行全硬件的數(shù)字濾波后，交給FFT信息處理單元進行FFT變換，最后送到LCD顯示其頻譜分析的結果。

　　圖1是系統(tǒng)的硬件結構框圖。整個系統(tǒng)設計主要由FPGA的內部硬件電路及外圍接口模塊構成。

　　2 系統(tǒng)的硬件單元

　　2.1 AGC電路

　　因為輸入信號幅度變化較大，為了使信號的幅度恒定且其幅度滿足A/D采樣的范圍(高位為2 V~3 V)，因此此設計中加入AGC電路。本設計中的AGC電路采用AD603型線性增益放大器[3]。

　　2.2 ADC電路

　　為保證ADC輸入動態(tài)范圍的要求和對特定干擾的抑制，信號首先需要預處理。根據(jù)采樣定理，輸入ADC的信號必須小于采樣頻率的1/2。ADC是完成從模擬到數(shù)字轉換的關鍵環(huán)節(jié)，它的精度和速度直接決定了頻譜分析儀的性能，所以ADC應盡量選用精度和速度都比較高的芯片[4]。系統(tǒng)采用WM8731芯片實現(xiàn)ADC,該芯片采用Sigma-delta ADC方式,通過采樣和數(shù)字濾波技術實現(xiàn)低頻信號的高分辨率轉換和含有音頻信號的低失真轉換。

　　2.3 LCD顯示模塊

　　本系統(tǒng)直接定義NiosⅡ控制LCD液晶顯示模塊，利用FPGA中的PIO接口模擬LCD的接口電路。外圍電路上選用320×240液晶顯示模塊，選用SEDl335作為液晶模塊的控制器。

　　3 FFT/DFT信號處理模塊的實現(xiàn)

　　3.1 FIFO模塊

　　AD采樣的數(shù)據(jù)不能立即送到Nios CPU中進行處理，因為CPU還有許多其他任務要做，所以只有等AD采集到一定數(shù)量的數(shù)據(jù)之后再讀取采樣數(shù)據(jù)，這樣節(jié)省CPU的時間[5]。因此首先需設計一個FIFO來存儲AD采樣的數(shù)據(jù)，等FIFO中的數(shù)據(jù)滿之后再將它們讀取到CPU中進行處理。

　　FIFO是一種先進先出的數(shù)據(jù)緩存器，根據(jù)FIFO工作的時鐘域,可以將FIFO分為同步FIFO和異步FIFO。本設計中采用了寬度為16 bit，深度為256的異步FIFO。

　　3.2 FFT/DFT處理模塊

　　根據(jù)DFT算法將信號處理的模塊分為乘累加器、平方器、加法器、開方器。

　　用再內建FPGA內部到16 bit雙口RAM，可方便地使刷新數(shù)據(jù)和顯示讀出數(shù)據(jù)同時進行,而不產生邏輯沖突，同時也保留了結果的精度，其FPGA實現(xiàn)模塊連接圖如圖2所示。

　　4 軟件設計方案

　　控制系統(tǒng)的主程序采用C語言和匯編語言編寫，程序分為下列幾個部分：采樣數(shù)據(jù)處理、FFT轉換、標準參數(shù)設定、操作界面和頻譜顯示。

　　軟件流程圖如圖3所示。

　　5 實驗的結果與分析

　　給頻譜分析儀輸入峰-峰值為2 V、頻率為100 Hz的方波信號，其信號處理結果見圖4。從圖4看出輸出的方波頻譜圖只有奇次諧波，沒有偶次諧波，而且此方波的基波、三次諧波、五次諧波和七次諧波的幅值滿足1、1/3、1/5、1/7的理論數(shù)值，這與方波理論頻譜基本相同[6]，表1為其測量值與理論值的對比結果分析。

　　通過比對可以驗證分析儀的LCD顯示的頻譜圖形與其輸入信號的理論頻譜數(shù)值基本一致，譜線位置準確，幅度值與理論誤差較小，該頻譜分析儀較好地完成了測量信號頻譜的要求，達到了預期設計的要求。

　　該設計在分析和利用Nios II軟核處理器和頻譜分析儀理論的基礎上，完成儀器硬件和軟件部分的設計。分析儀采用周期圖法進行頻譜分析，這樣可以保證測試結果較高的分辨率和頻率準確性;其中FFT運算模塊采用全硬件級聯(lián)結構，不僅有效滿足了儀器對于信號處理實時性的要求，同時也節(jié)省了硬件資源;本設計可重構性好,在多種不同的應用領域,可根據(jù)實際需要對模塊進行替換升級.選擇高性能AD和大邏輯資源的FPGA等可以使性能得到大幅度提升;實現(xiàn)了片上設計，降低了系統(tǒng)的成本，實現(xiàn)了高集成度和可靠度。