[发明专利]基于FPGA的实时频谱分析系统

说明书

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(k)=Σn=0N-1x(n)WNnk,WN=e-j2πN,]]>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；