基于FPGA的數(shù)字式頻譜分析儀

1、本科生畢業(yè)設計（論文）開題報告畢業(yè)設計題目： 基于FPGA的數(shù)字式 頻譜分析儀的設計 學 院： 信息科學與工程學院 專業(yè)班級： 電子信息工程0703班 學生姓名： 海振國 指導教師： 于海雁 2011年 3月18日基于FPGA的數(shù)字式頻譜分析儀的設計一、課題研究的目的和意義頻譜分析在生產(chǎn)實踐和科學研究中有著廣泛的應用。所謂頻譜分析就是將信號源發(fā)出的信號強度按頻率順序展開，使其成為頻率的函數(shù)，并考察變化規(guī)律。對于一個電信號的研究，我們可以分析它隨時間變化的特性，也可以由它所包含的頻率分量(即頻譜分布)來描述。通常把前者稱為時域分析，后者稱為信號的頻域分析。示波器是時域測量的典型儀器，頻譜分析儀則

2、是最重要的頻域分析儀器。當我們測量一個信號，通常所用的最基本的儀器是示波器，用來觀察信號的波形、頻率、幅度等，也即是從時域上來分析該信號，但信號非常復雜，許多信息是用示波器檢測不出來的，例如我們要分析一個非正弦波信號，從理論上來說，非正弦波信號是各種不同頻率、不同振幅的正弦波的矢量迭加，如果用示波器來測量，這時測量得到的是復合波形，并不能得到其頻率的組成，如果要觀察其頻率組成，就要用頻域法，橫坐標為頻率，縱坐標為各分量功率幅度，這樣，我們就可以看到在不同頻率點上功率幅度的分布，就可以知道非正弦波信號的組成頻率成份，得到信號的更多信息，特別是，利用示波器很難看出正弦信號的微小波形失真，但在頻譜儀

3、上卻能定量地測出，哪怕是很小的諧波分量。對信號進行頻譜分析，可以得到信號的頻率結(jié)構(gòu)，了解信號的頻率成分或系統(tǒng)的特征。在此基礎之上，可實現(xiàn)對信號的跟蹤控制，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)的早期預測，發(fā)現(xiàn)潛在的危險并診斷可能發(fā)生故障的原因，對系統(tǒng)參數(shù)進行識別及校正。因此，頻譜分析是揭示信號特征的重要方法，也是處理信號的重要手段。這些方法和手段己經(jīng)廣泛地應用于通信、雷達、地震、聲納、生物醫(yī)學、物理、化學、音樂、經(jīng)濟等領域。而進行頻譜分析的儀器就是頻譜分析儀，它能自動分析電信號并在整個頻譜上顯示出全部頻率分量情況，確定一個變化過程(稱為信號)的頻率成分，以及各頻率成分之間的相對強弱關(guān)系。頻譜分析儀正被廣泛地用于測

4、量調(diào)制波的頻譜、正弦信號的純度和穩(wěn)定性、放大器的非線性失真、信號分析與故障診斷等，對于頻譜分析儀的具體應用，主要有以下幾個方面：(1)對信號參數(shù)進行測量用頻譜分析儀測量信號本身(即基波)及各次諧波的頻率，以及各頻率分量之間的間隔。直接顯示各次諧波的幅值，用以判斷失真的性質(zhì)及大小?？梢杂米鲞x頻電壓表，如測量工頻干擾的大小。根據(jù)譜線的抖動情況可以測量信號頻率的穩(wěn)定度。(2)用于信號仿真測量對于聲音信號來說，通常所說的“音色”是對其頻譜而言的，音色如何由其諧波成分決定。各種樂器或歌唱家的音色可用頻譜來鑒別。由電子電路制作的電子琴是典型的樂器仿真，通過頻譜儀對各種樂器的頻譜進行精確的測量，在電子琴的制

5、作和調(diào)試過程中，與被仿樂器的頻譜做精確的比對，從而提高電子琴的仿真效果。同理，可通過頻譜儀的協(xié)助來實現(xiàn)語言的仿真。(3)用于電子設備調(diào)試通過頻譜儀顯示信號的各種頻率成分及幅度，用于調(diào)試分頻器、倍頻器、混頻器、頻率合成器、放大器及各種網(wǎng)絡分析等，非常方便。對于非電信號的測量，如機械振動等，通過轉(zhuǎn)換器均可用頻譜分析儀進行測量。而對各類旋轉(zhuǎn)機械、電機、機床等機器的主體或部件進行實際運行狀態(tài)下的譜分析，可以提供設計數(shù)據(jù)和檢驗設計結(jié)果，或者找尋震源和診斷故障，保證設備的安全運行。(4)用于國防現(xiàn)代國防中，電子技術(shù)之間的較量發(fā)展成為一種新的形式，即電子對抗，利用電磁波之間的干擾與反干擾，跟蹤與反跟蹤，進行

6、對抗。利用頻譜儀對敵方電臺發(fā)射的信號進行有效的偵察、搜索和監(jiān)視，是電子對抗的必要手段。同理，也可用來觀察衛(wèi)星地球站設備的工作情況。如上所述，頻譜分析儀的應用非常廣泛，而各行各業(yè)、各個部門對頻譜分析儀應用的側(cè)重點也不盡相同，對于需要在野外或測量現(xiàn)場來回測試、檢查的應用，體積較大，重量較重，便攜性不好的頻譜分析儀就顯得非常不方便，若有體積小、重量輕、便攜性好的頻譜分析儀，則會給其應用帶來很大的方便，更好的發(fā)揮頻譜分析儀的作用。傳統(tǒng)頻譜分析儀主要依靠模擬濾波器來分開各頻率成分并進行頻率成分測量。為了提高頻譜分辨率，需要通頻帶很窄的濾波器，并且由于模擬濾波器中心頻率會隨時間、環(huán)境溫度“漂移”，因此制造

7、高穩(wěn)定度、高精度的的這種頻譜分析儀比較困難。隨著FFT的提出，利用數(shù)字方法進行頻譜分析成為可能，這解決了很多傳統(tǒng)頻譜分析儀存在的問題，如“溫漂”等。實現(xiàn)FFT算法有利用軟件或利用純硬件等不同方法，利用軟件的方法可以在PC機或在DSP芯片上實現(xiàn)，其頻譜分析主要是依靠軟件計算來實現(xiàn)。而利用硬件方法的有FPGA或?qū)Ｓ眉呻娐罚ˋSIC）。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，目前FPGA芯片的性能和規(guī)模已達到很高的程度，用它來實現(xiàn)快速傅立葉變換(FFT)不僅成為可能，而且性能也有保證，對于大規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)，也可以將其集成在一片F(xiàn)PGA芯片上，從而縮小產(chǎn)品體積，加強系統(tǒng)的可靠性和便攜性。因此，用FPGA來實現(xiàn)頻譜分析儀的

8、功能是一個很好的選擇。設計便攜式頻譜分析儀，基于FFT分析法的頻譜分析儀是優(yōu)先考慮的方案。對于便攜式頻譜分析儀，全球兩大測試儀器開發(fā)商，安捷倫和泰克公司都相繼開發(fā)出了相關(guān)產(chǎn)品，但價格昂貴。目前國內(nèi)對這方面的研究也比較多,不過大多采用DSP芯片模式，F(xiàn)FT采用軟件實現(xiàn)，因此，在系統(tǒng)集成度和系統(tǒng)可靠性方面,將不會優(yōu)于單芯片的FPGA硬件解決方案。故本課題選擇基于FPGA的便攜式頻譜分析儀的研究與設計，其中FFT由硬件電路實現(xiàn)。二、課題研究的主要任務和預期目標1主要任務及要求本課題的主要任務是設計一種基于FPGA的便攜式頻譜分析儀。采用高性能FPGA實現(xiàn)基于FFT算法的頻譜分析處理，并將處理結(jié)果從液

9、晶屏上顯示出來。除模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片完成對信號的采集和轉(zhuǎn)換功能外，其它數(shù)字電路部分全部集成在一片F(xiàn)PGA芯片上，即將ADC的控制，數(shù)據(jù)緩沖，F(xiàn)FT幀加窗處理，快速傅立葉變換(FFT)的實現(xiàn)，LCD的顯示控制等集成在一片Altera的CycloneII系列的FPGA芯片上，從而縮小產(chǎn)品體積，加強系統(tǒng)的可靠性和便攜性。因此，首先研究傅里葉變換的特點，了解清楚快速傅里葉變換（FFT）與頻譜分析的關(guān)系，了解清楚窗函數(shù)對快速傅里葉變換（FFT）的影響以及混疊現(xiàn)象、頻譜泄露和柵欄效應對頻譜分析的影響，其次，了解清楚FPGA的工作原理及其提供的可以利用的資源，特別是Altera的CycloneII系列的FPGA可

10、供利用的資源。最后提出適合于FPGA實現(xiàn)的頻譜分析儀的系統(tǒng)方案。設計各個組成部分，整合整個系統(tǒng)，最后完成頻譜分析儀的設計工作。2預期目標（1）研究傅里葉變換的特點，了解清楚快速傅里葉變換（FFT）與頻譜分析的關(guān)系；（2）了解清楚FPGA的工作原理及其提供的可以利用的資源；（3）相關(guān)程序設計及調(diào)試；（4）編寫相關(guān)程序（用VHDL語言）；（5）搭建出本次設計相應的硬件結(jié)構(gòu)；（6）在硬件平臺或仿真平臺上測試編寫的相應軟件的可行性；（7）進行實驗，調(diào)試出預期的結(jié)果。三、設計方案1設計思想根據(jù)工作原理，頻譜分析儀大致可分為模擬式和數(shù)字式兩大類。模擬式頻譜分析儀包括平行濾波器式頻譜分析儀和掃描式頻譜分析儀

11、。其基本原理是通過模擬濾波器選出所需要的頻率信號，檢波器將此頻率分量轉(zhuǎn)換為直流信號，然后再由顯示器將此直流信號的幅度顯示出來。隨著數(shù)字化時代的到來，數(shù)字式頻譜分析儀已經(jīng)在很多場合取代了傳統(tǒng)的模擬式頻譜分析儀，數(shù)字式頻譜分析儀是先將模擬信號采樣量化，然后進行數(shù)字信號處理，用快速傅立葉變換的方法求得信號的頻譜，因此，數(shù)字式頻譜分析儀又稱傅立葉分析儀。基于快速傅立葉變換的現(xiàn)代頻譜分析儀其工作原理框圖如圖1所示，它利用快速傅立葉變換將被測信號分解成分立的頻率分量，達到了與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的效果。圖1 FFT頻譜分析儀原理框圖頻譜分析儀是信號分析的重要工具，隨著技術(shù)的發(fā)展，頻譜分析儀無論在性能指標還是

12、功能、應用方面都朝著更加完美、更加多樣的方向繼續(xù)發(fā)展，產(chǎn)品實現(xiàn)高度的智能化、自動化?？傮w看來，當今國內(nèi)外頻譜分析儀產(chǎn)品呈現(xiàn)兩種發(fā)展勢頭，一種是向更大帶寬和更高性能發(fā)展的臺式頻譜分析儀，另一種是適應市場普及需求，向經(jīng)濟型、小型化發(fā)展的手持式頻譜分析儀。臺式頻譜分析儀主要用于實驗室，測量頻率范圍寬、調(diào)制信號分析功能強、實時捕獲帶寬大、觸發(fā)模式多樣。臺式頻譜分析儀在具有上述眾多優(yōu)點的同時也存在價格昂貴、體積和功耗大、笨重的缺點，不滿足野外和現(xiàn)場測量的需求。手持式頻譜分析儀功耗小，可以采用電池供電，同時體積小、重量輕、便于攜帶，極大的方便了工程師在測量現(xiàn)場來回測試、檢查。手持式頻譜分析儀廣泛應用于移動

13、基站的安裝和維護、現(xiàn)場射頻電纜的故障定位等野外和現(xiàn)場測量。就手持式頻譜分析儀的發(fā)展情況而言，一些世界級廠商在擁有自己功能強大的臺式頻譜分析儀的基礎下，都開發(fā)了手持式頻譜分析儀，以滿足不同場合的應用需求。安立公司的MS2721A是一款小型并且便于使用的手持式頻譜分析儀。其小于3公斤的重量和達到7GHz的高性能測量能力為無論在實驗室和野外都提供了頂尖的測量手段。它的測量范圍從100KHz到7.1GHz，分辨率帶寬從10Hz到3MHz。MS2721A配備了高亮度8.4英寸TFT彩色顯示器，可以在日光下清晰顯示測量曲線。同時MS2721A上集成的Compact Flash Card插槽、Etherne

14、t局域網(wǎng)RJ45接口和USB2.0接口，方便了數(shù)據(jù)和設置信息的交換。加固設計的機箱使MS2721A可以在野外惡劣的環(huán)境中工作。使用鋰電池保證在無電力供應的情況下具有長時間工作的能力。安捷倫推出的N9340A也是一款高性能手持式頻譜分析儀。N9340A的頻率覆蓋范圍從100KHz到3GHz，非零掃寬下最快掃描時間為10毫秒，能夠幫助用戶在短暫的時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)脈沖信號。N9340A具有先進的互連互通特性，使得圖像數(shù)據(jù)和設置傳輸以及PC遠程控制變得簡單易行。N9340A擁有極窄的分辨率帶寬，可選范圍從30Hz至1MHz。與同類產(chǎn)品相比，它還具有最低的本底噪聲，可以監(jiān)測到雜散和干擾信號在內(nèi)的低功率信號

15、，其極低的單邊帶相位噪聲可以監(jiān)測出靠近載波信號的低功率信號。N9340A安裝了7.2英寸超大透射液晶顯示屏，機身總重量為3.5千克。世界級廠商的手持式頻譜分析儀功能強大，但相對來說價格也相當昂貴。目前國內(nèi)也有研究所和企業(yè)成功開發(fā)出手持或便攜式頻譜分析儀，但和國外廠商的產(chǎn)品相比，其性能還存在著一定的差距。2方案論證傅里葉變換就是信號的時域描述與頻域描述的某種變換關(guān)系。對于某一模擬非周期信號，存在著以下的傅里葉變換對 （1） (2)式（2）稱為傅里葉變換式，即函數(shù)是的傅里葉變換或傅里葉積分，式（1）叫做傅里葉逆變換式。函數(shù)反映了非周期信號的頻譜。一個信號的傅里葉變換，其實質(zhì)就是把該信號分解成許多不

16、同頻率的正弦波之和。通過傅里葉變換可以得到信號的各種頻率成分，得到信號的頻譜。式(2)是對頻率域而言的，它可以看作是時間函數(shù)在頻率域上的表示，頻率域上所包含的信息和時間域上所包含的信息完全相同，唯一的差別只是形式不同而已。通常，是一個復函數(shù)，即: （3）和分別為實部和虛部，則幅度譜（即通常所說的頻譜）表示為 (4)因此，頻譜分析儀的幅度譜（即通常所說的頻譜）可以通過（4）式得到。相位函數(shù)表示為 （5）該式反映了信號的相頻特性。3設計中要解決的主要問題和措施 本文設計的便攜式頻譜分析儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，通過該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對信號的頻譜分析功能，也能實現(xiàn)對信號波形的顯示功能。其中A/D轉(zhuǎn)換器為T

17、LC5540芯片，F(xiàn)PGA為Altera的CycloneII系列的EP2C35芯片，LCD為基于VGA顯示原理的TFT LCD彩色顯示屏。圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1) 采樣控制在本設計中，模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號采用高速A/D芯片TLC5540來實現(xiàn)，而采樣控制則由在FPGA里面實現(xiàn)的采樣控制器來執(zhí)行。2) 輸入緩沖由于等效采樣頻率可變，而后面FFT處理器為了處理速度而采用較高的工作頻率并固定不變，因此采樣得到的數(shù)據(jù)要送入FFT處理器，需要通過一個緩沖；另外，F(xiàn)FT處理數(shù)據(jù)是一幀一幀處理的，為了方便獲得FFT幀數(shù)據(jù)，輸入緩沖選擇由FIFO來完成，由Altera提供的FIFO宏功能模塊來實現(xiàn)。3) FFT

18、幀加窗處理從FIFO出來的FFT幀數(shù)據(jù)，在送入FFT處理器之前，需要進行加窗處理以減小頻譜泄露現(xiàn)象。加窗處理是將窗函數(shù)做成查找表存儲在ROM(利用FPGA內(nèi)部的M4K或M512單元)中，地址線位數(shù)根據(jù)FFT的點數(shù)來確定：當點數(shù)為1024時，可以得出1024是2的10次方，因此地址線位數(shù)至少為l0bit才可以做到查找表數(shù)據(jù)和點序數(shù)的一一對應。ROM采用地址累加方式輸出窗函數(shù)的樣本值。然后，乘法器將ROM輸出的窗函數(shù)的樣本值和采樣的樣本值做乘法相關(guān)。整個加窗過程所有的數(shù)據(jù)必須做到同步。4) FFT處理模塊FFT處理模塊由Altera FFT IPcore和控制電路以及后面的乘方、開方等數(shù)據(jù)處理模塊

19、組成。5) 輸出緩沖輸出緩沖由FIFO和RAM組成，都由Altera提供的宏功能模塊來實現(xiàn)。6) 顯示控制FFT轉(zhuǎn)換得到的頻譜信息需要通過顯示器顯示出來，為了實現(xiàn)便攜性，顯示器選用LCD顯示屏，本設計采用VGA顯示原理的TFT LCD彩色顯示屏。7) 波形數(shù)據(jù)采集波形數(shù)據(jù)采集由波形數(shù)據(jù)采集控制器和波形數(shù)據(jù)緩沖組成，對于穩(wěn)定信號來說，波形數(shù)據(jù)采集控制器的目的是使相鄰兩次采集到的波形幀數(shù)據(jù)相同，以便在LCD上顯示穩(wěn)定的波形。要使相鄰兩次采集到的波形幀數(shù)據(jù)相同，則必需在信號的同一個點上開始采集數(shù)據(jù)，因此找出數(shù)據(jù)采集起始點是波形數(shù)據(jù)采集控制器要解決的關(guān)鍵問題。本設計將數(shù)據(jù)采集起始點定為信號的最大值，即

20、找出信號的最大值，然后從最大值開始采集數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)當信號改變時顯示的波形也能隨著改變，信號的最大值要定期刷新。 本系統(tǒng)基本工作原理為，模擬信號通過抗混疊濾波器，濾除超過二分之一A/D轉(zhuǎn)換器采樣頻率的高頻成分，再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)字信號送入FPGA后分成兩路進行數(shù)據(jù)傳輸，一路實現(xiàn)頻譜分析，一路實現(xiàn)波形顯示。頻譜分析這一路由采樣控制器、輸入緩沖、加窗處理、FFT和輸出緩沖等模塊組成采樣控制器主要實現(xiàn)采樣頻率的改變，由于FFT所能分析的最大頻譜范圍是采樣頻率的一半，改變采樣頻率就可以改變頻譜分析的范圍，這樣我們就可以方便地觀察頻譜。另外，由于FFT的時鐘頻率和采樣頻率、顯示器的時鐘頻

21、率不同，因此，對FFT模塊來說必須要有輸入緩沖和輸出緩沖模塊。而加窗處理主要是為了減少頻譜泄露現(xiàn)象。波形顯示這一路由波形數(shù)據(jù)采集控制器和數(shù)據(jù)緩沖器組成。波形數(shù)據(jù)采集控制器和采樣控制器分開主要是因為波形顯示的數(shù)據(jù)和送到FFT上的數(shù)據(jù)的要求不一樣。要通過基于VGA顯示原理的TFT LCD顯示波形，對于穩(wěn)定信號來說，相鄰兩次采集到的波形幀數(shù)據(jù)應該相同，這樣才能在LCD上顯示穩(wěn)定的波形，而送到FFT上的數(shù)據(jù)并沒有要求相鄰兩次采集到的FFT幀數(shù)據(jù)應該相同。只要頻率成分相同，不同的FFT幀數(shù)據(jù)通過FFT處理后頻譜的分布是一樣的。兩路數(shù)據(jù)最后在顯示控制器的控制下由LCD顯示出來。由于本設計主要考慮在FPGA

22、內(nèi)部實現(xiàn)的部分，因此對抗混疊濾波器不做討論。四、課題進度安排1. 第一周至第三周：熟悉課題、查閱資料；并找到要翻譯的外文文獻、分析、論證、完善系統(tǒng)設計方案，并撰寫開題報告。2. 第四周分析完善系統(tǒng)設計方案，3. 第五周至第七周進行電路設計與計算， 4. 第八周至第十周運用Quartus6.0軟件，使用VHDL語言編寫相關(guān)程序并仿真。5. 第十一周至第十三周搭建實驗平臺，進行硬件電路調(diào)試和進行軟件仿真。6. 第十四周至十五周整理畢業(yè)設計資料，撰寫論文。7. 第十六周至第十八周 完善、修改論文，答辯。參考文獻： 1 石海,毛哲.基于DSP實現(xiàn)RFID實時信號頻譜分析J.武漢工業(yè)學院學報.2008.9,3:69-72.2 安立公司,高性能手持式頻譜分析儀MS2721A3 Agilent Technologies Inc,Agilent N9340A Handheld Spectrum Analyzer TechnicalOverview.4 胡廣書著.數(shù)字信號處理理