基于FPGA的数字式频谱分析仪Word文档格式.doc

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指导教师：

于海雁

2011年3月18日

基于FPGA的数字式频谱分析仪的设计

一、课题研究的目的和意义

频谱分析在生产实践和科学研究中有着广泛的应用。

所谓频谱分析就是将信号源发出的信号强度按频率顺序展开，使其成为频率的函数，并考察变化规律。

对于一个电信号的研究，我们可以分析它随时间变化的特性，也可以由它所包含的频率分量（即频谱分布）来描述。

通常把前者称为时域分析，后者称为信号的频域分析。

示波器是时域测量的典型仪器，频谱分析仪则是最重要的频域分析仪器。

当我们测量一个信号，通常所用的最基本的仪器是示波器，用来观察信号的波形、频率、幅度等，也即是从时域上来分析该信号，但信号非常复杂，许多信息是用示波器检测不出来的，例如我们要分析一个非正弦波信号，从理论上来说，非正弦波信号是各种不同频率、不同振幅的正弦波的矢量迭加，如果用示波器来测量，这时测量得到的是复合波形，并不能得到其频率的组成，如果要观察其频率组成，就要用频域法，横坐标为频率，纵坐标为各分量功率幅度，这样，我们就可以看到在不同频率点上功率幅度的分布，就可以知道非正弦波信号的组成频率成份，得到信号的更多信息，特别是，利用示波器很难看出正弦信号的微小波形失真，但在频谱仪上却能定量地测出，哪怕是很小的谐波分量。

对信号进行频谱分析，可以得到信号的频率结构，了解信号的频率成分或系统的特征。

在此基础之上，可实现对信号的跟踪控制，从而实现对系统状态的早期预测，发现潜在的危险并诊断可能发生故障的原因，对系统参数进行识别及校正。

因此，频谱分析是揭示信号特征的重要方法，也是处理信号的重要手段。

这些方法和手段己经广泛地应用于通信、雷达、地震、声纳、生物医学、物理、化学、音乐、经济等领域。

而进行频谱分析的仪器就是频谱分析仪，它能自动分析电信号并在整个频谱上显示出全部频率分量情况，确定一个变化过程（称为信号）的频率成分，以及各频率成分之间的相对强弱关系。

频谱分析仪正被广泛地用于测量调制波的频谱、正弦信号的纯度和稳定性、放大器的非线性失真、信号分析与故障诊断等，对于频谱分析仪的具体应用，主要有以下几个方面：

（1）对信号参数进行测量

用频谱分析仪测量信号本身（即基波）及各次谐波的频率，以及各频率分量之间的间隔。

①直接显示各次谐波的幅值，用以判断失真的性质及大小。

②可以用做选频电压表，如测量工频干扰的大小。

③根据谱线的抖动情况可以测量信号频率的稳定度。

（2）用于信号仿真测量

对于声音信号来说，通常所说的“音色”是对其频谱而言的，音色如何由其谐波成分决定。

各种乐器或歌唱家的音色可用频谱来鉴别。

由电子电路制作的电子琴是典型的乐器仿真，通过频谱仪对各种乐器的频谱进行精确的测量，在电子琴的制作和调试过程中，与被仿乐器的频谱做精确的比对，从而提高电子琴的仿真效果。

同理，可通过频谱仪的协助来实现语言的仿真。

（3）用于电子设备调试

通过频谱仪显示信号的各种频率成分及幅度，用于调试分频器、倍频器、混频器、频率合成器、放大器及各种网络分析等，非常方便。

对于非电信号的测量，如机械振动等，通过转换器均可用频谱分析仪进行测量。

而对各类旋转机械、电机、机床等机器的主体或部件进行实际运行状态下的谱分析，可以提供设计数据和检验设计结果，或者找寻震源和诊断故障，保证设备的安全运行。

（4）用于国防

现代国防中，电子技术之间的较量发展成为一种新的形式，即电子对抗，利用电磁波之间的干扰与反干扰，跟踪与反跟踪，进行对抗。

利用频谱仪对敌方电台发射的信号进行有效的侦察、搜索和监视，是电子对抗的必要手段。

同理，也可用来观察卫星地球站设备的工作情况。

如上所述，频谱分析仪的应用非常广泛，而各行各业、各个部门对频谱分析仪应用的侧重点也不尽相同，对于需要在野外或测量现场来回测试、检查的应用，体积较大，重量较重，便携性不好的频谱分析仪就显得非常不方便，若有体积小、重量轻、便携性好的频谱分析仪，则会给其应用带来很大的方便，更好的发挥频谱分析仪的作用。

传统频谱分析仪主要依靠模拟滤波器来分开各频率成分并进行频率成分测量。

为了提高频谱分辨率，需要通频带很窄的滤波器，并且由于模拟滤波器中心频率会随时间、环境温度“漂移”，因此制造高稳定度、高精度的的这种频谱分析仪比较困难。

随着FFT的提出，利用数字方法进行频谱分析成为可能，这解决了很多传统频谱分析仪存在的问题，如“温漂”等。

实现FFT算法有利用软件或利用纯硬件等不同方法，利用软件的方法可以在PC机或在DSP芯片上实现，其频谱分析主要是依靠软件计算来实现。

而利用硬件方法的有FPGA或专用集成电路（ASIC）。

随着技术的不断发展，目前FPGA芯片的性能和规模已达到很高的程度，用它来实现快速傅立叶变换（FFT）不仅成为可能，而且性能也有保证，对于大规模数字系统，也可以将其集成在一片FPGA芯片上，从而缩小产品体积，加强系统的可靠性和便携性。

因此，用FPGA来实现频谱分析仪的功能是一个很好的选择。

设计便携式频谱分析仪，基于FFT分析法的频谱分析仪是优先考虑的方案。

对于便携式频谱分析仪，全球两大测试仪器开发商，安捷伦和泰克公司都相继开发出了相关产品，但价格昂贵。

目前国内对这方面的研究也比较多,不过大多采用DSP芯片模式，FFT采用软件实现，因此，在系统集成度和系统可靠性方面,将不会优于单芯片的FPGA硬件解决方案。

故本课题选择基于FPGA的便携式频谱分析仪的研究与设计，其中FFT由硬件电路实现。

二、课题研究的主要任务和预期目标

1．主要任务及要求

本课题的主要任务是设计一种基于FPGA的便携式频谱分析仪。

采用高性能FPGA实现基于FFT算法的频谱分析处理，并将处理结果从液晶屏上显示出来。

除模数转换芯片完成对信号的采集和转换功能外，其它数字电路部分全部集成在一片FPGA芯片上，即将ADC的控制，数据缓冲，FFT帧加窗处理，快速傅立叶变换（FFT）的实现，LCD的显示控制等集成在一片Altera的CycloneII系列的FPGA芯片上，从而缩小产品体积，加强系统的可靠性和便携性。

因此，首先研究傅里叶变换的特点，了解清楚快速傅里叶变换（FFT）与频谱分析的关系，了解清楚窗函数对快速傅里叶变换（FFT）的影响以及混叠现象、频谱泄露和栅栏效应对频谱分析的影响，其次，了解清楚FPGA的工作原理及其提供的可以利用的资源，特别是Altera的CycloneII系列的FPGA可供利用的资源。

最后提出适合于FPGA实现的频谱分析仪的系统方案。

设计各个组成部分，整合整个系统，最后完成频谱分析仪的设计工作。

2．预期目标

（1）研究傅里叶变换的特点，了解清楚快速傅里叶变换（FFT）与频谱分析的关系；

（2）了解清楚FPGA的工作原理及其提供的可以利用的资源；

（3）相关程序设计及调试；

（4）编写相关程序（用VHDL语言）；

（5）搭建出本次设计相应的硬件结构；

（6）在硬件平台或仿真平台上测试编写的相应软件的可行性；

（7）进行实验，调试出预期的结果。

三、设计方案

1．设计思想

根据工作原理，频谱分析仪大致可分为模拟式和数字式两大类。

模拟式频谱分析仪包括平行滤波器式频谱分析仪和扫描式频谱分析仪。

其基本原理是通过模拟滤波器选出所需要的频率信号，检波器将此频率分量转换为直流信号，然后再由显示器将此直流信号的幅度显示出来。

随着数字化时代的到来，数字式频谱分析仪已经在很多场合取代了传统的模拟式频谱分析仪，数字式频谱分析仪是先将模拟信号采样量化，然后进行数字信号处理，用快速傅立叶变换的方法求得信号的频谱，因此，数字式频谱分析仪又称傅立叶分析仪。

基于快速傅立叶变换的现代频谱分析仪其工作原理框图如图1所示，它利用快速傅立叶变换将被测信号分解成分立的频率分量，达到了与传统频谱分析仪同样的效果。

图1FFT频谱分析仪原理框图

频谱分析仪是信号分析的重要工具，随着技术的发展，频谱分析仪无论在性能指标还是功能、应用方面都朝着更加完美、更加多样的方向继续发展，产品实现高度的智能化、自动化。

总体看来，当今国内外频谱分析仪产品呈现两种发展势头，一种是向更大带宽和更高性能发展的台式频谱分析仪，另一种是适应市场普及需求，向经济型、小型化发展的手持式频谱分析仪。

台式频谱分析仪主要用于实验室，测量频率范围宽、调制信号分析功能强、实时捕获带宽大、触发模式多样。

台式频谱分析仪在具有上述众多优点的同时也存在价格昂贵、体积和功耗大、笨重的缺点，不满足野外和现场测量的需求。

手持式频谱分析仪功耗小，可以采用电池供电，同时体积小、重量轻、便于携带，极大的方便了工程师在测量现场来回测试、检查。

手持式频谱分析仪广泛应用于移动基站的安装和维护、现场射频电缆的故障定位等野外和现场测量。

就手持式频谱分析仪的发展情况而言，一些世界级厂商在拥有自己功能强大的台式频谱分析仪的基础下，都开发了手持式频谱分析仪，以满足不同场合的应用需求。

安立公司的MS2721A是一款小型并且便于使用的手持式频谱分析仪。

其小于3公斤的重量和达到7GHz的高性能测量能力为无论在实验室和野外都提供了顶尖的测量手段。

它的测量范围从100KHz到7.1GHz，分辨率带宽从10Hz到3MHz。

MS2721A配备了高亮度8.4英寸TFT彩色显示器，可以在日光下清晰显示测量曲线。

同时MS2721A上集成的CompactFlashCard插槽、Ethernet局域网RJ45接口和USB2.0接口，方便了数据和设置信息的交换。

加固设计的机箱使MS2721A可以在野外恶劣的环境中工作。

使用锂电池保证在无电力供应的情况下具有长时间工作的能力。

安捷伦推出的N9340A也是一款高性能手持式频谱分析仪。

N9340A的频率覆盖范围从100KHz到3GHz，非零扫宽下最快扫描时间为10毫秒，能够帮助用户在短暂的时间内发现瞬态脉冲信号。

N9340A具有先进的互连互通特性，使得图像数据和设置传输以及PC远程控制变得简单易行。

N9340A拥有极窄的分辨率带宽，可选范围从30Hz至1MHz。

与同类产品相比，它还具有最低的本底噪声，可以监测到杂散和干扰信号在内的低功率信号，其极低的单边带相位噪声可以监测出靠近载波信号的低功率信号。

N9340A安装了7.2英寸超大透射液晶显示屏，机身总重量为3.5千克。

世界级厂商的手持式频谱分析仪功能强大，但相对来说价格也相当昂贵。

目前国内也有研究所和企业成功开发出手持或便携式频谱分析仪，但和国外厂商的产品相比，其性能还存在着一定的差距。

2．方案论证

傅里叶变换就是信号的时域描述与频域描述的某种变换关系。

对于某一模拟非周期信号，存在着以下的傅里叶变换对

（1）

（2）

式

（2）称为傅里叶变换式，即函数是的傅里叶变换或傅里叶积分，式

（1）叫做傅里叶逆变换式。

函数反映了非周期信号的频谱。

一个信号的傅里叶变换，其实质就是把该信号分解成许多不同频率的正弦波之和。

通过傅里叶变换可以得到信号的各种频率成分，得到信号的频谱。

式

（2）是对频率域而言的，它可以看作是时间函数在频率域上的表示，频率域上所包含的信息和时间域上所包含的信息完全相同，唯一的差别只是形式不同而已。

通常，是一个复函数，即:

（3）

和分别为实部和虚部，则幅度谱（即通常所说的频谱）表示为

（4）

因此，频谱分析仪的幅度谱（即通常所说的频谱）可以通过（4）式得到。

相位函数表示为