现代频谱分析仪中关键信号处理算法的研究及其FPGA实现

论文摘要

随着微电子技术、信号处理技术和计算机技术的迅速发展,对信号在频域进行测量和分析的要求也越来越高,传统的频谱分析仪已经显现出一系列的缺点。因此,高分辨率、宽频带、实时的现代频谱分析仪成为目前人们研究的重点和前沿课题。本文围绕基于FPGA的频谱分析系统的研制,开展了以下几个方面的研究和设计工作:1.重点研究了现代频谱仪中最关键的数字下变频电路,对本系统采用的数字下变频（DDC）方案进行了确定,讨论了DDC中混频电路和抽取滤波器的FPGA实现方法。对于数字混频电路,采用NCO数控振荡器产生双路正交本振信号。研究了基于查找表法的NCO电路实现结构,针对NCO输出信号杂散较大的缺点,通过在FPGA实现时加入抖动技术,使信号的杂散谐波改善了8个dB。在抽取滤波模块,结合FPGA芯片并行流水分布的特点,给出了多级抽取滤波的实现方案。同时,详细探讨了积分梳状滤波器（CIC）和多相滤波器的FPGA实现结构,设计了一款抽取因子可调的多级CIC滤波器,其阻带衰减可以达到-70dB。并且结合FIR滤波器完全并行的乘累加结构和传统多相滤波器的开关结构,改进了多相滤波器的硬件实现方法,使设计的多相滤波器在抽取倍数很大时,仍消耗较少的硬件资源,且处理速度较快,尤其适宜于中频信号向基带信号变频的滤波处理。2.采用改进的基-2蝶形运算单元,设计并用FPGA实现了1024点高速FFT处理器。处理器采用10级流水线结构,每级将乘法器的旋转因子输入端固定为常数,以进一步提高处理器的速度,而中间结果则以双端口RAM存储。该处理器的时钟频率可以稳定运行于100MHz,在进入不间断流水后,完成一次FFT运算的时间小于63μs,计算误差小于1%,满足实时谱分析的要求。3.采用上述的DDC电路和高速FFT处理器,设计了一款基于FPGA的频谱分析系统,并阐述了系统中的信号采集、存储和显示技术,完成了RAM、异步FIFO、SRAM控制器和VGA显示控制器等电路的设计。4.对频谱分析系统的各模块电路和系统总体进行了硬件测试,测试指标验证了设计的正确性和有效性。整个频谱分析系统的数字处理部分采用一片FPGA芯片完成,实现了真正的可编程单芯片（SOPC）系统。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 频谱分析仪的研究背景
• 1.2 频谱分析仪工作原理
• 1.2.1 信号的表征方式
• 1.2.2 频谱分析仪分类
• 1.2.3 FFT 频谱仪工作原理
• 1.2.4 超外差频谱仪工作原理
• 1.3 现代频谱分析仪的数字中频处理技术
• 1.4 现场可编程门阵列（FPGA） 技术
• 1.5 本课题的研究目的及章节安排
• 第2章 数字下变频电路及其FPGA 实现
• 2.1 数字下变频电路
• 2.2 NCO 混频电路
• 2.2.1 查找表法NCO 的基本结构
• 2.2.2 查找表法NCO 参数的确定
• 2.2.3 查找表法NCO 的FPGA 实现
• 2.3 抽取滤波电路
• 2.3.1 信号的多级抽取和滤波结构
• 2.3.2 CIC 滤波器
• 2.3.2.1 CIC 抽取滤波器的原理
• 2.3.2.2 多级CIC 抽取滤波器的FPGA 实现
• 2.3.3 多相滤波器
• 2.3.3.1 FIR 滤波器的多相分解理论
• 2.3.3.2 多相滤波器的改进及其FPGA 实现
• 2.4 本章小结
• 第3章 高速FFT 处理器的FPGA 实现
• 3.1 基-2 FFT 算法的数学模型
• 3.2 FFT 处理器的FPGA 设计
• 3.2.1 FFT 处理器的结构
• 3.2.2 蝶形处理器的设计
• 3.2.2.1 数据的表示
• 3.2.2.2 复数乘法器及蝶形处理器的实现
• 3.2.3 存储单元及地址发生器的设计
• 3.2.4 流水线1024 点 FFT 的实现
• 3.3 本章小结
• 第4章 基于FPGA 的频谱分析系统的实现与测试
• 4.1 频谱分析系统的实现
• 4.1.1 系统总体框图
• 4.1.2 A/D 转换器
• 4.1.3 FPGA 核心处理器
• 4.1.4 数据存储与缓冲电路
• 4.1.4.1 RAM 电路设计
• 4.1.4.2 异步FIFO 设计
• 4.1.4.3 异步SRAM 电路设计
• 4.1.5 VGA 显示控制器
• 4.2 频谱分析系统的测试
• 4.2.1 NCO 混频电路实测性能指标
• 4.2.2 抽取滤波电路的硬件测试
• 4.2.3 数字下变频电路的硬件测试
• 4.2.4 高速FFT 处理器的时序仿真和硬件测试
• 4.2.5 系统的总体测试
• 4.3 本章小结
• 第5章 总结和展望
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果
• 致谢