基于FPGA的簡易頻譜分析儀的設(shè)計方案

　　1 引言

　　目前，由于頻譜分析儀價格昂貴，高等院校只是少數(shù)實驗室配有頻譜儀。但電子信息類教學(xué)，如果沒有頻譜儀輔助觀察，學(xué)生只能從書本中抽象理解信號特征，嚴(yán)重影響教學(xué)實驗效果。

　　針對這種現(xiàn)狀提出一種基于FPGA的簡易頻譜分析儀設(shè)計方案，其優(yōu)點是成本低，性能指標(biāo)滿足教學(xué)實驗所要求的檢測信號范圍。

　　2 設(shè)計方案

　　圖1為系統(tǒng)設(shè)計總體框圖。該系統(tǒng)采用C8051系列單片機(jī)中的 C8051F121作為控制器，CvcloneⅢ系列EP3C40F484C8型FPGA為數(shù)字信號算法處理單元。系統(tǒng)設(shè)計遵循抽樣定理，在時域內(nèi)截取一段適當(dāng)長度信號，對其信號抽樣量化，按照具體的步驟求取信號的頻譜，并在LCD上顯示信號的頻譜，同時提供友好的人機(jī)會話功能。該系統(tǒng)最小分辨率為1 Hz，可分析帶寬為0~5 MHz的各種信號。

　　由于單片機(jī)C8051 F121內(nèi)部集成A／D轉(zhuǎn)換器，能夠有效測量自動增益控制AGC壓差，計算出對輸入信號的放大倍數(shù)；另外，該單片機(jī)內(nèi)置高速控制內(nèi)核和豐富的存儲器，使其能夠控制整個系統(tǒng)；EP3C40F484C8型FPGA內(nèi)置豐富的存儲器資源，確保該系統(tǒng)具有足夠的空間存儲采集的點數(shù)，完成離散傅里葉變換、數(shù)字濾波器、數(shù)字混頻等信號處理。

　　3 理論分析

　　3．1 數(shù)字下變頻FFT

　　隨著高速A／D轉(zhuǎn)換和DSP技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字下變頻的快速傅里葉變換FFT(Fast Fourier Transform)技術(shù)能夠有效減少傳統(tǒng)FFT技術(shù)存在的內(nèi)存不足。在高中頻、高采樣率系統(tǒng)中實現(xiàn)信號頻譜的高分辨率、低存儲量和低運算量，從而極大提高系統(tǒng)的實時性。

　　圖2為基于數(shù)字下變頻的FFT技術(shù)的實現(xiàn)原理框圖。