一种基于FPGA的数字频谱仪设计与实现.doc

一种基于FPGA的数字频谱仪设计与实现频谱分析仪主要用于信号成分分析，其应用领域相当广泛，在电磁干扰侦测分析、无线电通信、卫星接收系统等方面均有涉及。就具体信号分析手段而言，传统时域波形分析的确能够直观观察信号的幅度、频率、波形等响应变化，但局限于低频信号，高速信号下时域分析有着必然的缺憾。频谱分析是指将信号的频率、幅值等信息在频域中表示的一种分析方法，它对于任意信号进行傅里叶变换，进而将其分解为若干单一的谐波分量来研究，以获得信号的频率结构以及各谐波幅值和相位信息，这对于高频信号以及复杂信号分析意义十分重大。可以看出，频谱分析仪的重点是幅频特性与相频特性，尤其是幅频特性的计算。1、核心原理论证对于频谱分析仪，就具体的实现原理而言，主要存在三种思路：多通道并行滤波式、扫频外差分析式以及直接FFT式。1.1、多通道并行滤波式多通道并行滤波式方案的核心在于多个滤波器的制作，其思路主要是将全频段等分为若干个通带不重叠（或部分重叠）的带通滤波器，这些滤波器的过渡带带宽、甚至通带最大允许衰减等参数都几乎一致，仅仅是通带频率范围不一致。当信号并行送入每个滤波器之后，对于各个滤波输出进行能量检测，从而进一步确定各个频段的信号幅度，绘制出频谱图。显然，只有谐波分量对应频段的滤波器，输出信号可以采集到能量值，且能量值随谐波分量增大而增大。这种传统模拟频谱仪的缺点在于过于依赖模拟电路的搭建，硬件要求很高，容易产造成频率分辨率精度不足，甚至是测量误差。1.2、扫频外差分析式扫频外差分析式的核心在于混频模块的设计，其思路主要是利用一个连续扫频的本地振荡器，产生的本振信号与被测信号混频，这样被测信号谐波分量总会有机会落入后续中频滤波器的通带中。如果令本振信号的幅度保持不变，那么混频器的输出、中频滤波的输出、检波模块的输出都会与被测信号的对应谐波分量幅度成正比。将扫频器的控制电压（一般为线性）与检波模块的输出电压分别作为X和Y信号，即可得到被测信号的幅频特性图。这种方案实际上以扫频外差功能代替了并行滤波功能，降低了硬件要求，提高了系统性能。1.3、直接FFT式直接FFT式方案的核心在于高速FFT（FastFourierTransform）的计算，常规的单片机系统如ARM都无法完成，必须要依靠现场可编程门阵列（FPGA）等适合高速信号处理的开发系统，其思路主要是将信号进行波形调理后送入高速AD采样芯片，将采集得到的信号截取短时窗进行FFT计算，直接将计算结果输出为幅频特性图与相频特性图。显然，这种方案也有难点存在，那就是对于AD芯片的采样频率要求较高，但是如果有合适的AD芯片，那么这种数字型频谱仪与模拟型频谱仪相比，容错率将会更高，频率检测范围、频率分辨率等技术指标也会大大优化。2、系统整体方案设计简易数字式频谱仪主要由信号采集模块、高速FFT模块以及LCD显示模块组成。信号采集模块以AD9226芯片为核心，配合前置抗混叠滤波电路实现信号采集；高速FFT模块在FPGA开发系统通过编程实现；LCD显示模块选择4.3寸TFT液晶屏，实现可视化界面。简易数字式频谱仪的系统框图如图1。图1