基于FPGA的數(shù)字頻譜分析儀的設(shè)計與實現(xiàn).pdf

1、近年來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，頻譜分析作為一種近代的信號分析方法，成為從事各種電子產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗的重要依據(jù)，在各個學(xué)科研究中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。高分辨率、寬頻帶實時的數(shù)字頻譜分析的方法和實現(xiàn)技術(shù)一直在不斷發(fā)展，是電路和系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域的研究熱點。
　　 隨著微電子技術(shù)和信號處理技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的設(shè)計已不再是利用各種通用IC進行PCB板級的設(shè)計而是轉(zhuǎn)向以大規(guī)模FPGA(Field Programmable Gate Arra

2、y)或ASIC(Application Specific Integrated Circuits)為物理載體的系統(tǒng)芯片SOPC(System On Programmable Chip)或SOC(System On a Chip)的設(shè)計。同時，伴隨著EDA工具的迅速發(fā)展，使得整個系統(tǒng)從行為算法級（系統(tǒng)級）到物理結(jié)構(gòu)級的全部設(shè)計易于在FPGA上實現(xiàn)。特別是Altera公司推出的QuartusⅡ和NiosⅡ IDE等軟件為實現(xiàn)基于FPGA嵌入

3、IP(Intellectual Property)核的SOPC系統(tǒng)提供了極大的方便。因此，采用數(shù)字信號處理的方法來實現(xiàn)信號的頻率分析具有多方面的優(yōu)勢。首先，一個數(shù)字編程系統(tǒng)通過更改程序就可以靈活地重新配置信號處理的操作，而模擬系統(tǒng)的重新配置就需要對電路進行重新制作。其次，數(shù)字系統(tǒng)可以通過指定系統(tǒng)的字長、采用浮點運算等方法對信號處理精度進行很好的控制，而模擬電路中器件的容錯性則使設(shè)計者很難控制處理精度。最后，數(shù)字信號容易存儲，也容易實現(xiàn)復(fù)

4、雜的信號處理算法。
　　 鑒于上述理由，本文提出了一種基于FPGA中的嵌入式軟核NiosⅡ的數(shù)字頻譜分析儀的實現(xiàn)方案。設(shè)計中充分利用了NiosⅡ較強的運算能力和FPGA易于系統(tǒng)集成的特點，實現(xiàn)了硬件開銷小、實時性較強和分辨率高的頻譜分析儀。采用數(shù)字方法直接由模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)對輸入信號取樣，通過快速傅里葉變換FFT(Fast Fourier Transform)將被測信號分解成分立的頻率分量，進而得到頻譜分布圖。本系統(tǒng)實

5、現(xiàn)了將頻譜圖經(jīng)LCD12864液晶模塊和VGA接口雙路顯示的功能。在LCD12864液晶模塊上實現(xiàn)了8點FFT后的頻譜圖，借助VGA接口在電腦顯示器上實現(xiàn)了256點FFT后的頻譜圖。并將最終實現(xiàn)的頻譜圖與Matlab對同一組數(shù)據(jù)分析后的結(jié)果進行比較分析，結(jié)果表明：獲得的分析結(jié)果具有滿意的精度。在FPGA芯片中，利用NiosⅡ軟核處理器實現(xiàn)快速傅里葉變換FFT，這也顯示了Altera公司提出的片上系統(tǒng)SOPC解決方案的優(yōu)越性。