关于基于FPGA平台的手持式频谱分析仪的实现原理

2015-03-10 10:02:47   来源:eefocus   

关键字: 频谱分析仪  FPGA  FFT分析法  低通滤波器

课题研究的目的和意义

频谱分析仪可以方便设计人员确定干扰信号的频率范围,以便选择合理的滤波方案,但一般的频谱分析仪体积较大,不便于工业现场使用,因此设计手持式频谱分析仪,便于携带,功耗低,可长时间记录数据,还可通过网络远程操作。

 

本频谱仪的设计是以赛灵思的FPGA为核心,先在模拟前端驱动可编程放大器完成模拟信号的放大及电平迁移,然后按设定的采样频率驱动ADC完成数据采集,之后完成快速傅立叶变换,最后将结果显示在4寸彩色液晶屏上,并按设定存储数据或是通过网络传输数据。

 

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。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。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

 

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

(2)用于信号仿真测量

(3)用于电子设备调试

(4)用于国防

 

二、课题研究的主要任务和预期目标

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来实现谱分析仪的功能是一个很好的选择。

 

设计该手持式谱分析仪,基于FFT分析法的频谱分析仪是优先考虑的方案。对于手持式谱分析仪,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。

 

本次设计的主要任务是设计一种基于FPGA的手持式频谱分析仪。采用高性能FPGA实现基于FFT算法的频谱分析处理,并将处理结果最终从液晶屏上显示出来。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,特别是赛灵思系列的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。

三、设计方案

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,本设计是数字式频谱分析仪,该分析仪先将所采集的信号通过一个低通滤波器进行滤波,然后将经滤波处理的模拟信号进行采样量化,再通过放大器放大后送入Atlys Spartan@-6 FPGA 开发套件中进行数字信号处理,用快速傅立叶变换的方法求得信号的频谱。该该谱分析仪的工作原理框图如图1所示。

 

图1 基于快速傅立叶变换的数字频谱分析仪工作原理框图

图1 基于快速傅立叶变换的数字频谱分析仪工作原理框图

 

四、方案论证:

1、FFT原理:

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)叫做傅里叶逆变换式。式(1)称为傅里叶变换式,即函数的傅里叶变换或傅里叶积分,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(1)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)

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

                                   (5)

该式反映了信号的相频特性。

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编辑:什么鱼
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0310/article_10970.html
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