基于FPGA的簡易頻譜分析儀

　　1 引言

　　目前，由于頻譜分析儀價格昂貴，高等院校只是少數(shù)實驗室配有頻譜儀。但電子信息類教學(xué)，如果沒有頻譜儀輔助觀察，學(xué)生只能從書本中抽象理解信號特征，嚴(yán)重影響教學(xué)實驗效果。

　　針對這種現(xiàn)狀提出一種基于FPGA的簡易頻譜分析儀設(shè)計方案，其優(yōu)點是成本低，性能指標(biāo)滿足教學(xué)實驗所要求的檢測信號范圍。

　　2 設(shè)計方案

　　圖1為系統(tǒng)設(shè)計總體框圖。該系統(tǒng)采用C8051系列單片機(jī)中的 C8051F121作為控制器，CvcloneⅢ系列EP3C40F484C8型FPGA為數(shù)字信號算法處理單元。系統(tǒng)設(shè)計遵循抽樣定理，在時域內(nèi)截取一段適當(dāng)長度信號，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，同時提供友好的人機(jī)會話功能。該系統(tǒng)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(jī)C8051 F121內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換器，能夠有效測量自動增益控制AGC壓差，計算出對輸入信號的放大倍數(shù);另外，該單片機(jī)內(nèi)置高速控制內(nèi)核和豐富的存儲器，使其能夠控制整個系統(tǒng);EP3C40F484C8型FPGA內(nèi)置豐富的存儲器資源，確保該系統(tǒng)具有足夠的空間存儲采集的點數(shù)，完成離散傅里葉變換、數(shù)字濾波器、數(shù)字混頻等信號處理。

　　3 理論分析

　　3.1 數(shù)字下變頻FFT

　　隨著高速A/D轉(zhuǎn)換和DSP技術(shù)的發(fā)展，數(shù)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(tǒng)FFT技術(shù)存在的內(nèi)存不足。在高中頻、高采樣率系統(tǒng)中實現(xiàn)信號頻譜的高分辨率、低存儲量和低運(yùn)算量，從而極大提高系統(tǒng)的實時性。

　　圖2為基于數(shù)字下變頻的FFT技術(shù)的實現(xiàn)原理框圖。

　　3.2 直接數(shù)字頻率合成器DDS原理

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

　　4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　4.1 AGC電路

　　輸入信號經(jīng)高速A/D采樣，信號幅度必須滿足A/D的采樣范圍，最高為2-3V，因此該系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)加AGC電路。AGC電路采用AD603型線性增益放大器。圖3為AGC電路。

　　4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

　　ADS2806是一款12位A/D轉(zhuǎn)換器，其特點為：無雜散信號動態(tài)范圍(SFDR)為73 dB;信噪比(SNR)為66 dB;具有內(nèi)部和外部參考時鐘;采樣速率為32 MS/s。圖4為ADS2806的電路。為使A/D轉(zhuǎn)換更穩(wěn)定，在A/D轉(zhuǎn)換器的電源引腳上增加濾波電容，抑制電源噪聲。該電路結(jié)構(gòu)簡單，在時鐘CLK的驅(qū)動下，數(shù)據(jù)端口實時輸出數(shù)據(jù)，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(nèi)部有39 600個LE資源，有1 134 000 bit的存儲器，同時還有126個乘法器和4個PLL鎖相環(huán)。由于該器件內(nèi)部有大量資源，因而可滿足其內(nèi)部實現(xiàn)數(shù)字混頻、數(shù)字濾波、以及FFT運(yùn)算。FP -GA正常工作時，主要需要的外部接口有：時鐘電路、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(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計包括單片機(jī)和FPGA兩部分，單片機(jī)作為整個系統(tǒng)的核心控制單元，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化、鍵盤輸入控制以及LCD顯示等功能;而FPGA的高速并行計算性能使其很適合進(jìn)行實時性要求較高的信號處理運(yùn)算。系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。

　　系統(tǒng)上電后，單片機(jī)分別初始化系統(tǒng)各個模塊，寫入默認(rèn)的CIC、FIR濾波器參數(shù)和寫入默認(rèn)的數(shù)字混頻器頻率值。初始化完成后，系統(tǒng)開始以默認(rèn)的中心頻率和分辨率分析頻譜，進(jìn)入等待鍵盤輸入狀態(tài)。當(dāng)用戶通過鍵盤重新輸人中心頻率和分辨率等參數(shù)后，單片機(jī)重新刷新LCD，同時可通過鍵盤操作LCD上的畫面，移動光標(biāo)，利用軟件計算對應(yīng)光標(biāo)處的頻率值并在LCD上顯示，而且還可以對整個圖像進(jìn)行放縮以方便觀察頻譜。

　　6 測量結(jié)果分析

　　先通過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(tǒng)仿真結(jié)果如圖7所示。從圖7a看出20 Hz正弦波頻譜是一條譜線，其周圍只有很少泄漏頻率分量，符合理想情況。圖7b是20 Hz方波的分析結(jié)果，其基波，第三、第五、第七次諧波的幅度滿足1、1/3、1/5、1/7、1，9的理論結(jié)果。

　　7 結(jié)束語

　　該系統(tǒng)能夠方便地在LCD上顯示信號的頻譜結(jié)構(gòu)圖。操作簡單，便于學(xué)生進(jìn)行操作，有助于實驗教學(xué)課上學(xué)生更直觀認(rèn)識信號頻譜結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)實驗課教學(xué)。