CN103809024A - 基于fpga的实时频谱分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于信号测试测量领域，尤其涉及一种基于FPGA的实时频谱分析系统。本发明的基于FPGA的实时频谱分析系统，包括衰减器、低通滤波器、混频器、中频滤波器、模数转换模块、数据处理及交换系统、可变本振发生器，衰减器通过低通滤波器连接混频器，混频器依次通过中频滤波器、模数转换模块与数据处理及交换系统连接，数据处理及交换系统通过可变本振发生器反馈回混频器。本设计利用FPGA的完全并行结构实现FFT，解决了实时系统的主要矛盾，这种实现频谱分析的方法可以得到比模拟实现更高的频率分辨率。

Description

基于FPGA的实时频谱分析系统

技术领域

本发明属于信号测试测量领域，尤其涉及一种基于FPGA的实时频谱分析系统。 

背景技术

频谱分析作为近代的信号分析方法，是电子产品研发、生产、检验的重要工具，而高分辨率、宽频带数字频谱分析方法的研究一直是该领域的热点．目前数字频谱分析在实现方式上主要有：基于计算机处理的准实时频谱分析(或称为软件频谱分析)、基于通用DSP处理器(比如TI或AD公司器件)的实时频谱分析。前者由于采用软件处理，故实时性很差(数据先采样、存储后处理)，且系统成本很高．对于通用DSP处理器实现的分析系统，在实时性上虽远远高于前者，其乘加运算采用硬件实现，且系统采用流水线方式，但数据本身的组织及处理过程(顺序工作方式)使其在高速场合往往需多片并行应用，这样系统的设计和编程难度较大，且成本较高。 

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种基于FPGA的实时频谱分析系统，其实现频谱分析的方法可以得到比模拟实现更高的频率分辨率。 

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括衰减器、低通滤波器、混频器、中频滤波器、模数转换模块、数据处理及交换系统、可变本振发生器，衰减器通过低通滤波器连接混频器，混频器依次通过中频滤波器、模数转换模块与数据处理及交换系统连接，数据处理及交换系统通过可变本振发生器反馈回混频器。 

要实现系统高的实时性，除了提高FFT运算的速度外，系统的数据流组织方实现，数据传输方式充分考虑处理器的特点，在各个环节上都以低耗时为设计目标。为保证ADC输入动态范围的要求和对特定干扰的抑制，信号首先进行预处理．根据采样定理，输入ADC的信号必须小于采样频率的1／2．ADC是完成从模拟到数字的关键环节，它的精度和速度直接决定了频谱分析仪的性能，所 以ADC应尽量选用精度和速度都比较高的芯片．PSD运算网模块主要由FFT实现、功率谱计算两部分组成，它们的速度直接由算法和乘加运算决定．为了实现高的实时性，两部分全部采用硬件来完成．经PSD运算后的数据，在NIOS中加以存储并显示。为了控制及协调整个系统的数据传输以及必要的数据处理，并且为每个部分电路提供工作时钟，通过使用Cyc loneⅡ中的硬件PLL提供基时钟，然后用计数器对基时钟进行分频得到各环节所需要的时钟。 

FFT并行结构对于一个N点的序列x(n)，其离散傅立叶变换可表示为： 

$X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)W_N^{\mathrm{nk}},W_N=e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}},$ 其中k＝0，1，……，N-1 

X(k)表示信号连续频谱的离散抽样，反映了信号在离散频点上的幅度和相位．该变换的复数乘法的运算量与所处理的点数的平方成正比．在实际应用中，当点数较大时，运算量是相当可观的．为减少其运算量，便产生了快速计算方法Fn从原理上讲，FFT的实现分为按时间抽取和按频率抽取两类，它通过充分利用w因子的特性并将长序列转化为短序列的FFT蝶形组合来实现，使运算量降为与N的对数成正比．设计中采用按时间抽取基一2DIT，其N点的算式如下； 

$X\left(k\right)=X_1\left(k\right)+W_N^{\mathrm{nk}}{X}_2\left(k\right),X(k+N/2)=X_1\left(k\right)-W_N^{\mathrm{nk}}{X}_2\left(k\right)$

其中k=0，1，2，…，（N/2）-1，这样就把N点的运算变成了N/2点，以此类推，我们可以把N=2M一直分解到2点的DFT. 

所述的衰减器，其衰减值是步进的，完成仪表内部的协调，保证信号在输入混频器时处在合适的电平上，防止发生过载、增益和失真。 

所述的低通滤波器，其阻止高频信号到达混频器，防止带外信号与本振相混频在中频模块产生多余的频率响应。 

所述的混频器，其混频前将系统频率调谐至要求的频率范围，产生中频信号。 

所述的中频滤波器，其过滤掉中间频段的信号，保留大幅度的信号。 

所述的数据处理及交换系统，其采用数字显示，确定对每个显示数据点用对应的值来代表，无论显示器上使用多少个数据点，每个数据点必须能代表某个频率范围或某段时间间隔内出现的信号。 

基于FPGA实现的DSP，可以以并行或顺序方式工作且乘加运算全部采用硬 件并行结构。在并行工作方面，FPGA中可以使用各种状态机或使用嵌入式微处理器来完成，同时系统在每个时钟周期都可同时完成许多操作，使得即使在顺序执行方面也比通用DSP处理器快。本设计利用FPGA的完全并行结构实现FFT，解决了实时系统的主要矛盾，这种实现频谱分析的方法可以得到比模拟实现更高的频率分辨率。 

附图说明

图1为本发明的基于FPGA的实时频谱分析系统框图。 

具体实施方式

如图1所示，在RF输入信号首先接入一个衰减器，它的衰减值是步进的，完成仪表内部的协调，如匹配、最佳工作点等等。接着信号经过低通滤波器或预选器，阻止高频信号到达混频器，防止带外信号与本振相混频在中频产生多余的频率响应，信号经核心部件混频器。用混频器产生中频信号，中频电路采用数字中频，数字中频用于窄扫宽的FFT分析和用于宽扫宽的扫频分析的联合使用，优化了扫描过程，使得测量能够尽可能快速地完成，中频带宽设置根据实际工作的需要来决定的。当然它会影响其它很多因素，如底噪声、信号解调的失真度等。 

ADC数字化IF中频信号，系统以数字方式执行所有进一步的步骤。FFT算法实现时域到频域变换，后续分析生成频谱图、码域图等显示画面。主要数字信号处理模块。模拟IF信号经过传输频带滤波和数字转换。数字下变频和抽样过程把A/D样点转换成同相(I)和正交(Q)基带信号流。触发模块检测信号条件，控制采集和定时。基带DSP系统使用基带I和Q信号及触发信息，通过FFT、调制分析、功率测量、定时测量及统计分析等手段，进行频谱分析。 

①射频输入衰减器 

频谱分析的第一部分是射频输入衰减器。它的作用是保证信号在输入混频器时处在合适的电平上，从而防止发生过载、增益压缩和失真。由于衰减器是频谱仪的一种保护电路，所以它通常是基于参考电平值而自动设置，不过也能以10dB、5dB、2dB甚至1dB的步进来手动选择衰减值。下图所示是一个以2dB为步进量、最大衰减值为70dB的衰减器电路的例子。其中隔直电容 是用来防止分析仪因直流信号或信号的直流偏置而被损坏，不过它会对低频信号产生衰减，并使一些频谱仪的最低可用起始频率增加至100Hz，有的甚至到9kHz。连接了一个幅度参考信号，它提供了一个有精确频率和幅度的信号，使用于分析仪周期性的自我校准上。 

②低通滤波器 

低通滤波器的作用是阻止高频信号到达混频器。这样防止带外信号与本振相混频在中频产生多余的频率响应。微波频谱分析仪用预选器代替了低通滤波器，预选器是一种可调滤波器，能够滤掉我们所关心的频率以外的其它频率上的信号 

③混频器 

混频器是频谱分析最基本的核心部件。混频前将系统频率调谐至我们所希望的频率范围。调谐取决于中频滤波器的中心频率、本振的频率范围和允许外界到达混频器(允许通过低通滤波器)的频率范围。从混频器输出的所有信号分量中，有两个具有最大幅度的信号是我们最想得到的，它们是由本振与输入信号之和以及本振与输入信号之差所产生的信号分量。如果我们能使想观察的信号比本振频率高或低一个中频，则所希望的混频分量就会落入中频滤波器的通带之内，随后会被检波并在屏幕上产生幅度响应。 

④数字处理及检波器类型 

采用数字显示，我们需要确定对每个显示数据点，应该用什么样的值来代表。无论我们在显示器上使用多少个数据点，每个数据点必须能代表某个频率范围或某段时间间隔(尽管在讨论频谱分析仪时通常并不会用时间)内出现的信号。这个过程好似先将某个时间间隔的数据都放到一个信号收集单元(bucket数据桶)内，然后运用某一种必要的数学运算从这个数据桶中取出我们想要的信息比特。随后这些数据被放入存储器再被写到显示器上。这种方法提供了很大的灵活性，6种不同类型的显示检波器：取样检波、正峰值检波(简称峰值检波)、负峰值检波、正态检波(Normal)、平均检波、准峰值检波。 

Claims (6)

1.一种基于FPGA的实时频谱分析系统，其特征在于，包括衰减器、低通滤波器、混频器、中频滤波器、模数转换模块、数据处理及交换系统、可变本振发生器，衰减器通过低通滤波器连接混频器，混频器依次通过中频滤波器、模数转换模块与数据处理及交换系统连接，数据处理及交换系统通过可变本振发生器反馈回混频器。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的实时频谱分析系统，其特征在于，所述的衰减器，其衰减值是步进的，完成仪表内部的协调，保证信号在输入混频器时处在合适的电平上，防止发生过载、增益和失真。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的实时频谱分析系统，其特征在于，所述的低通滤波器，其阻止高频信号到达混频器，防止带外信号与本振相混频在中频模块产生多余的频率响应。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA的实时频谱分析系统，其特征在于，所述的混频器，其混频前将系统频率调谐至要求的频率范围，产生中频信号。

5.根据权利要求1所述的基于FPGA的实时频谱分析系统，其特征在于，所述的中频滤波器，其过滤掉中间频段的信号，保留大幅度的信号。

6.根据权利要求1所述的基于FPGA的实时频谱分析系统，其特征在于，所述的数据处理及交换系统，其采用数字显示，确定对每个显示数据点用对应的值来代表，无论显示器上使用多少个数据点，每个数据点必须能代表某个频率范围或某段时间间隔内出现的信号。

Images