CN101561464B - 宽带高分辨率实时快速傅立叶变换数字频谱仪 - Google Patents

Abstract

宽带高频率分辨率实时快速傅立叶变换数字频谱仪，由前置放大器、开关矩阵、高速ADC器件、时钟控制器、FPGA芯片，运行于该芯片的FFT内核，PCI技术总线和计算机及控制软件组成；FFT内核对1GHz基带信号直接进行快速傅立叶变换：2GS/s的正交数字信号进入FPGA，以32k为单位进行缓存并分为8组，每组为2k个复数，经过串并转换后的2k点复数，数据逐级进行下列FFT蝶形运算：8组2k点、4组4k点、2组8k点、1组16k点复数蝶形运算，再进行1组32k点蝶形运算，完成32k点的实数FFT运算；对FFT的输出进行功率谱运算及积分；积分后频谱经功率谱输出至FPGA片外的PCI技术总线。

Description

宽带高分辨率实时快速傅立叶变换数字频谱仪

技术领域

本发明涉及一种频谱分析设备，特别是一种用于射电天文的宽带高分辨率实时快速傅立叶变换(FFT)频谱仪。

背景技术

频谱仪是射电天文等领域进行信号频谱分析必不可少的仪器之一。射电天文用频谱仪主要有模拟滤波器组频谱仪(Filter Bank Spectrometer，FBS)，声光频谱仪(Acousto-Optical Spectrometer，AOS)，自相关频谱仪(Auto Correlation Spectrometer，ACS)和FFT频谱仪(快速傅立叶变换数字频谱仪Fast Fourier Transform Spectrometer，FFTS)。模拟滤波器组频谱仪主要由模拟滤波器组，检波器，积分器和读出电路等组成，由于存在通道一致性差和邻道串扰等不足，无法实现高分辨频谱分析；声光频谱仪主要由激光源、光路扩束准直器、声光偏转器、傅氏透镜、线阵光电耦合器件CCD(Charge Coupled Device)和读出电路等组成，集成机光电等技术，尽管可以实现窄带高分辨频谱分析，但其稳定受声光偏转器、CCD等模拟部件影响，稳定性比较差，不利于深度积分，且存在体积大，功耗大等不足。自相关频谱仪采用相关原理实现对信号的频谱分析，全数字自相关频谱仪主要由量化器(或模数转换器ADC-Analog to Digital Converter)、实现自相关运算专用集成电路或可编程逻辑器件，和读出电路等组成。它在宽带和频率分辨率和稳定性等方面优于前面二者，采用多比特可以提高积分效率，但系统的复杂程度却快速增加，目前优先选择的2比特自相关频谱仪的积分效率为0.88，用于深度积分的信号频谱分析场合，仍是一个不可忽视的缺陷；FFT频谱仪采用傅立叶变换对信号直接对信号进行频谱分析，可以接受多比特的数字信号，实现宽带高分辨率频谱分析且其积分效率几乎可以达到100％，稳定性好。目前国际上用于射电天文的FFT频谱仪进行1GHz带宽或1GHz以上，16k或32k频谱通道的信号频谱分析刚刚开始，在国内采用如此宽带和高频率分辨率的FFT频谱仪也在开发之中。

发明内容

本发明的目的是提供一种射电天文用数字FFT频谱仪，设计实现1GHz带宽，16k(或16384)频谱通道的实时FFT频谱仪，并具有体积小、重量轻、结构紧凑、工作稳定可靠等特点。

实现本发明目的的技术方案是：宽带高频率分辨率实时快速傅立叶变换数字频谱仪，由前置放大器、开关矩阵、高速ADC器件、时钟控制器、海量FPGA芯片，运行于该芯片的FFT(快速傅立叶变换)内核，PCI技术总线和工业控制计算机及控制软件组成；其中，所述前置放大器对不同输入功率的基带信号进行适当放大；所述开关矩阵将信号馈入高速ADC器件；所述高速ADC器件(采用2颗ADC速率同为1GS/s)采用正交采样，实现1GHz带宽基带信号的模-数转换；所述FFT内核对1GHz基带信号直接进行快速傅立叶变换；所述时钟控制器控制开关矩阵开关切换速率，提供并控制ADC器件的采样时钟信号和正交采样过程，同时也提供FFT内核进行数字运算所需的时钟和相关的时序控制信号；所述控制软件基于Windows或Linux操作系统，以工业控制计算机为硬件平台，采用计算机PCI技术总线，配置FPGA的寄存器，设置FFT运算参数，读取积分的信号功率谱，进行进一步的后续处理；其特征是，所述FFT内核对1GHz基带信号直接进行快速傅立叶变换时，执行下列步骤：2GS/s的正交数字信号进入FPGA，以32k长度为单位进行缓存之后并分为8组，每组为2k个复数(也就是32组1k长度的数据)，经过串并转换后的2k点复数，速率降至125MHz；降速后的数据逐级进行下列FFT蝶形运算：8组2k点复数蝶形运算，4组4k点复数蝶形运算，2组8k点复数蝶形运算，1组16k点蝶形运算，再进行1组32k点蝶形运算，完成32k点的实数FFT(16k点的复数FFT)运算；对32k点FFT的输出进行功率谱运算及积分，其中积分器数据宽度48bit；积分后频谱经功率谱输出至FPGA片外的32bit PCI技术总线。本发明采用FFT IP内核与传统的FFT IP内核比较，其特点主要有：采用并行处理方式，提高FFT处理带宽，即通过数据流的串-并转换为8组并行数据，每一组以125MHz的运算速率实现1GHz带宽频谱分析；采用流水线逐级处理方式，提高FFT处理实时性，即通过5级，每级处理速率同为125MHz，并行运算的FFT组数逐级减小而FFT的运算点数逐级增长的流水式FFT，保证了数据流的连续性和频谱实时分析。

宽带高分辨实时数字FFT频谱仪与传统频谱仪(滤波器组频谱仪、声光频谱仪和自相关频谱仪等)比较，其特点主要在于对被分析的信号(如射电天文信号)进行全数字化频谱分，即对被分析信号进行多比特数字化后，采用FFT方法直接实现信号的数字频谱分析。本发明设计的数字FFT频谱仪实现宽带、高频谱分辨和实时性频谱分析。其难点在于：宽带频谱分析意味着FFT频谱仪的数字化器件，即多比特的模数转换器件ADC，必须具备高速采样率，同时也意味着FFT频谱仪的数字信号处理即FFT运算的硬件平台，具有高速的数据吞吐率；高频谱分辨分析意味着FFT频谱仪的FFT运算的硬件平台具海量资源；实时性频谱分析意味着FFT频谱仪FFT具备高速的运算能力以使ADC的输出数据流，能够被FPGA(FiledProgrammable Gate Array)及时无滞留的成功处理。

本发明采用工业标准6U板卡方式进行模块化设计，该板卡主要具备1个增益可调节的前置放大器(附图中只用了一个，还有一个没有用？：已经修改)，采用速率1GS/s 8bit的ADC-JetSpeed ADC、一颗高速海量FPGA-Xilinx Virtex-II Pro70，高速cPCI计算机总线(100Mb/s)，实现数字信号频谱分析的FFT内核、集成cPCI总线接口的工控计算机及其控制软件等组成。

在整个FFT算法中，采用并行流水线方式，逐级进行FFT蝶形运算，确保采样数据的连续性。1次32k点FFT计算时间为16.384us，数据连续运算无空闲时间(Dead Time)，满足信号处理实时性要求。在FFT过程中，1次32K点FFT计算时间为16.384us，中间主要计算过程均采用18bit字长，FFT结果求模(平方)后为32bit，多次FFT结果在积分器中进行积分，积分器的数据宽度为长度48bit，最高可累加10000次。

作为本发明的进一步改进，所述高速ADC器件采用2个速率为1GS/s 8bit的模数转换器件；所述开关矩阵2以2GHz的开关速率，将信号分成2路，分别馈入高速ADC器件。

本发明的有益效果是，在一个6U cPCI板卡集成2颗ADC，1颗FPGA结合32k点FFT内核，与工控计算机可无缝集成构成小型化的FFT频谱仪，体积小(6U板卡)，功耗低(20W)，可实现1GHz带宽、61kHz频率分辨率(共有16384频谱通道)实时频谱分析。

附图说明

图1是本实施例的系统框图；

图2是本实施例的FFT IP内核的原理示意图。

具体实施方式

现结合附图与实施例作进一步说明。

如图1所示，宽带高频率分辨率实时FFT频谱仪，由前置放大器1、开关矩阵2、高速ADC器件3、时钟控制器4、FPGA芯片5，运行于该芯片的FFTIP内核6，PCI技术总线7和工业控制计算机及控制软件8组成。

1GHz带宽的基带信号首先通过前置放大器1，前置放大器1根据输入信号功率大小，可适当调节增益大小，满足高速ADC器件3量程要求，以充分利用ADC器件的动态范围。经前置放大器1放大后的信号，进入开关矩阵2，开关矩阵2以2GHz的开关速率，将信号分成2路，分别馈入高速ADC器件3，为两个ADC实现正交采样做准备。2颗高速8bit ADC器件3分别对信号以1GS/s速率同时进行采样，并模数转换为数字信号，两个采样时钟相位相差180°，实现对1GHz基带信号的2GS/s的正交采样和模数转换。

通过ADC器件3输出的数字信号进入Virtex-II Pro 70 FPGA芯片5，FFT内核6基于Virtex-II Pro 70 FPGA硬件平台，完成1GHz带宽32k点实时FFT运算，该FFT IP内核是基于特定的FPGA芯片，采用并行快速傅立叶算法实现信号的功率谱分析，见附图2。具体过程如下：

步骤61 2GS/s的正交数字信号进入FPGA，以32k长度为单位进行缓存之后并分为8组，每组为2k个复数(也就是32组1k长度的数据)，经过串并转换后的2k点复数，速率降至125MHz。

步骤62降速后的数据逐级进行FFT蝶形运算，首先是8组2k点复数蝶形运算；

步骤63再进行4组4k点复数蝶形运算；

步骤64再进行2组8k点复数蝶形运算；

步骤65再进行1组16k点蝶形运算；

步骤66再进行1组32k点蝶形运算，完成32k点的实数FFT(16k点的复数FFT)运算；

步骤67再对32k点FFT的输出进行功率谱运算及积分，其中积分器数据宽度48bit；

步骤68积分后频谱经16k点功率谱输出，至FPGA片外的32bit PCI技术总线，为工业计算机的数据读取做好准备。

在整个FFT算法中，采用并行流水线方式，逐级进行FFT蝶形运算，确保采样数据的连续性。1次32k点FFT计算时间为16.384us，数据连续运算无空闲时间(Dead Time)，满足信号处理实时性要求。在FFT过程中，1次32K点FFT计算时间为16.384us，中间主要计算过程均采用18bit字长，FFT结果求模(平方)后为32bit，多次FFT结果在积分器中进行积分，积分器的数据宽度为长度48bit，最高可累加10000次。积分结果传至32bit PCI技术总线7。另外，时序控制器与FPGA片外的总时钟控制器4的时钟同步，控制FFT内核中的缓存的串并转换、流水FFT蝶形运算、功率谱计算积分及输出所需的时钟信号和时序控制信号。

FFT IP内核6基于Virtex-II Pro 70 FPGA芯片硬件平台，在Xilinx公司的ISE 9.0开发环境下，结合FDK(Firmware Development Kit)套件，并采用VHDL语言进行模块化编写完成，实现1GHz带宽、61k(16384个通道)频率分辨率实时频谱分析。

时钟控制器4控制开关矩阵开关切换速率，提供并控制ADC器件的采样时钟信号和正交采样过程，同时也提供FFT IP内核进行数字运算所需的时钟和相关的时序控制信号。

工业控制计算机及控制软件8实现FFT频谱仪的参数配置，信号频谱分析启停，以及信号功率谱的读出分析等操作。控制软件通过PCI技术总线读取积分后的功率谱数据至工业控制计算机内存或硬盘之中，供实时显示或数据保存之用。控制软件采用ANSI C基于Windows(或Linux)操作系统平台编制完成。

FFT频谱仪经实验室测试，测试结果表明该频谱仪的工作带宽为1GHz，频率分辨率为61kHz(16384频谱通道)，动态范围30dB，稳定性时标大于3000s，工作稳定可靠。

Claims (4)

1.宽带高频率分辨率实时快速傅立叶变换数字频谱仪，由前置放大器、开关矩阵、高速ADC器件、时钟控制器、FPGA芯片，运行于该芯片的FFT内核，PCI技术总线和工业控制计算机及控制软件组成；其中，所述前置放大器对不同输入功率的基带信号进行适当放大；所述开关矩阵将信号馈入高速ADC器件；所述高速ADC器件采用正交采样，实现1GHz带宽基带信号的模-数转换；所述FFT内核对1GHz基带信号直接进行快速傅立叶变换；所述时钟控制器控制开关矩阵开关切换速率，提供并控制ADC器件的采样时钟信号和正交采样过程，同时也提供FFT内核进行数字运算所需的时钟和相关的时序控制信号；所述控制软件基于Windows或Linux操作系统，以工业控制计算机为硬件平台，采用计算机PCI技术总线，读取积分的信号功率谱，进行进一步的后续处理；其特征是，所述FFT内核对1GHz基带信号直接进行快速傅立叶变换时，执行下列步骤：2GS/s的正交数字信号进入FPGA，以32k长度为单位进行缓存之后并分为8组，每组为2k个复数，经过串并转换后的2k点复数，速率降至125MHz；降速后的数据逐级进行下列FFT蝶形运算：8组2k点复数蝶形运算，4组4k点复数蝶形运算，2组8k点复数蝶形运算，1组16k点蝶形运算，再进行1组32k点蝶形运算，完成32k点的实数FFT运算；对32k点FFT的输出进行功率谱运算及积分，其中积分器数据宽度48bit；积分后频谱经功率谱输出至FPGA片外的32bit PCI技术总线。

2.根据权利要求1所述的数字频谱仪，其特征是，所述高速ADC器件采用速率1GS/s 8bit的模数转换器件。

3.根据权利要求1所述的数字频谱仪，其特征是，所述高速ADC器件采用2个速率为1GS/s 8bit的模数转换器件；所述开关矩阵以2GHz的开关速率，将信号分成2路，分别馈入高速ADC器件。

4.根据权利要求1或2或3所述的数字频谱仪，其特征是，所述功率谱输出为16k点功率谱输出。

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