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1、分类 密级： 硕士学位论文 现代频谱分析仪中关键信号处理算法 的研究及其 FPGA 实现 杨 硕 导师姓名职称： 裴 东 副教授 专业名称： 电路与系统 研究方向： 电路理论及应用 论文答辩日期： 2011 年 5 月 学 位授予日期： 2011 年 6 月 答辩委员会主席： 评 阅 人： 二一一年五月 现代频谱分析仪中关键信号处理算法 的研究及其 FPGA 实现 Research of key signal processing algorithms in modern spectral analyzer and its FPGA implementation 杨 硕 Yang Shuo 二
2、 一一年五月 硕士学位论文 M. D. Thesis 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得西北师范大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名： 日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其
3、他复制手段保 存论文。 (保密的论文在解密后应遵守此规定 ) 签名： 导师签名： 日期： 西北师 范 大 学 硕士学 位 论文 - I - 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 F
4、PGA 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，
5、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 63s，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
6、 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。 关键词： FFT； FPGA；数字下变频； NCO；积分梳状滤波器；多相滤波器 现代频 谱 分 析 仪中关 键 信 号 处理算 法 的 研 究及 其 FPGA 实现 - II - Abstract With the rapid developmen
7、t of microelectronic, signal processing and computer technologies, the demand for signal measurement and analysis in frequency-domain is increasingly high, so a series of drawbacks showed in traditional analog spectral analyzers. Therefore, real-time digital spectrum analyzer with high resolution an
8、d wide bandwidth has been the key research topic. This paper has done the following research: 1. The paper mainly researched digital down-conversion, which is the most key component in modern spectrum analyzers, determined its system scheme, and discussed the design of digital mixer circuit in DDC a
9、nd the implementation of decimation filter in FPGA. In digital mixer module, a dual-way quadrature local signal was generated by NCO. The paper also studied implementing structure of NCO based on lookup table; we added jitter in FPGA implementation to improve spurious harmonics by 8dB. In decimator
10、filter module, the implementing scheme of multistage decimator filtering was given in the consideration of the parallel pipeline structure of FPGA. Meanwhile, the implementing structure of cascade integrator comb filter (CIC) and polyphase filter in FPGA were discussed. A multistage CIC filter with
11、variable decimation factors was designed, and its Attenuation can reach to -70dB. And finally, according to the character of parallel MAC structure and the switch structure of traditional polyphase filter, the implementation structure of polyphase filter was improved. It can consume few hardware res
12、ources and achieve high processing speed when the decimation times are high. The system is suitable for the filtering of frequency conversion from middle-frequency to base-band frequency. 2. The paper adopted improved 2-based butterfly algorithm unit, and then implemented a 1024-point fast FFT proce
13、ssor with FPGA. The processor has 10-stage pipeline structure and the input port of rotating factor in every stage is fixed to improve the rate of processor. Its medium result was stored in dual-port RAM. The clock frequency can be operated in 100MHz, the time to finish a FFT circle is less than 63s
14、 after pipelining, and the calculation error is less than 1%. All this can satisfy the demand for real-time spectrum analysis. 3. This paper adopted DDC circuits and fast FFT processor to design a FPGA-based spectrum analysis system, described how to acquire, store and display in modern spectrum ana
15、lyzers in detail, and implemented the design of RAM, FIFO of asynchronous, SRAM controller and VGA display controller. 4. This paper tested all modules and the entire system in hardware, and the result verified the accuracy and validity of our system. The whole digital processing procedure is achiev
16、ed in one FPGA, which is called SOPC system. Keywords: FFT; FPGA; digital down-conversion; NCO; CIC; polyphase filter 西北师 范 大 学 硕士学 位 论文 3 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 频谱分析仪的研究背景 . 1 1.2 频谱分析仪工作原理 . 2 1.2.1 信号的表征方式 . 2 1.2.2 频谱分析仪分类 . 3 1.2.3 FFT 频谱仪工作原理 . 3 1.2.4 超外差频谱仪工作原理 . 4 1.3 现代
17、频谱分析仪的数字中频处理技术 . 4 1.4 现场可编程门阵列 (FPGA) 技术 . 6 1.5 本课题的研究目的及章节安排 . 6 第 2 章 数字下变频电路及其 FPGA 实现 . 8 2.1 数字下变频电路 . 8 2.2 NCO 混频电路 . 8 2.2.1 查找表法 NCO 的基本结构 . 8 2.2.2 查找表法 NCO 参数的确定 . 9 2.2.3 查找表法 NCO 的 FPGA 实现 . 11 2.3 抽取滤波电路 . 12 2.3.1 信号的多级抽取和滤波结构 . 12 2.3.2 CIC 滤波器 . 13 2.3.2.1 CIC 抽取滤波器的原理 . 13 2.3.2.
18、2 多级 CIC 抽取滤波器的 FPGA 实现 . 16 2.3.3 多相滤波器 . 18 2.3.3.1 FIR 滤波器的多相分解理论 . 18 2.3.3.2 多相滤波器的改进及其 FPGA 实现 . 19 2.4 本章小结 . 21 第 3 章 高速 FFT 处理器的 FPGA 实现 . 22 3.1 基 -2 FFT 算法的数学模型 . 22 西北师 范 大 学 硕士学 位 论文 4 3.2 FFT 处理器的 FPGA 设计 . 23 3.2.1 FFT 处理器的结构 . 23 3.2.2 蝶形处理器的设计 . 23 3.2.2.1 数据的表示 . 23 3.2.2.2 复数乘法器及蝶
19、形处理器的实现 . 24 3.2.3 存储单元及地址发生器的设计 . 25 3.2.4 流水线 1024 点 FFT 的实现 . 25 3.3 本章小结 . 27 第 4 章 基于 FPGA 的频谱分析系统的实现与测试 . 28 4.1 频谱分析系统的实现 . 28 4.1.1 系统总体框图 . 28 4.1.2 A/D 转换器 . 29 4.1.3 FPGA 核心处理器 . 29 4.1.4 数据存储与缓冲电路 . 31 4.1.4.1 RAM 电路设计 . 31 4.1.4.2 异步 FIFO 设计 . 32 4.1.4.3 异步 SRAM 电路设计 . 33 4.1.5 VGA 显示控制
20、器 . 33 4.2 频谱分析系统的测试 . 35 4.2.1 NCO 混频电路实测性能指标 . 35 4.2.2 抽取滤波电路的硬件测试 . 36 4.2.3 数字下变频电路的硬件测试 . 37 4.2.4 高速 FFT 处理器的时序仿真和硬件测试 . 38 4.2.5 系统的总体测试 . 39 4.3 本章小结 . 43 第 5 章 总结和展望 . 45 参考文献 . 46 攻读学位期间的研究成果 . I 致 谢 . II 西北师 范 大 学 硕士学 位 论文 1 第 1 章 绪论 1.1 频谱分析仪的研究背景 随着无线电技术和通信技术的飞速发展，电子测量技术也迅速的发展起来，对信号 的测
21、量可以分为两大类：时域测量和频域测量。时域测量与频域测量可以通过傅里叶级 数或傅里叶积分相互转换，他们之间是相互联系的。时域测量是用示波器显示和测量电 磁信号的幅度与时间的函数曲线，频域测量则是利用频谱分析仪来测量、记录、观察各 种物理现象并以图形方式显示其频率与幅度之间的关系 1。信号的频谱分析能获得时域 测量中所得不到的独特信息，例如噪声边带、交调、寄生、谐波分量等，频域测量直观 的显示效果有助于被测对象的理解，因此它的应用也越来越广泛，成为目前电子测量中 最重要的工具之一 2。 频谱分析技术是伴随着雷达技术发展起来的，最初，频谱仪仅仅是一个简陋的扫中 频的频谱监视器，最 大的扫频带宽只有
22、 80 100 MHz，距离定量测试还有很大的差距。 1964 年， HP 公司生产出半自动的频谱分析仪，这是技术上的重大突破，它彻底改变了 工程师观察射频信号的方式。后来 HP 公司在频谱分析仪领域一直处于领先地位。高性 能频谱分析仪的生产厂商还包括 TEK 等公司，他们为频谱分析仪的发展都作出了积极 的贡献。 70 年代，频谱分析仪出现了快速发展的局面，在频段上扩展到 18GHz。第一 台带微处理器的频谱分析仪面世，采用的是合 成本振技术，频率范围达到 100Hz 22 GHz，分辨率带宽达到 10Hz，软件自动校准，使频谱分析仪的性能达到了比 较理想的水平。如 HP 公司的 HP8553
23、B、 8554B 等， Tek 公司的 7L14，日本 TR 公 司的 TR4110 系列等。 80 年代后，随着微处理器、计算机和数字技术的发展和应用，频 谱分析仪向智能化、自动化方向发展，使其面目发生了根本性的变化。如： HP8568A、 8566D、 Tek496P、 494P 等。全自动的频谱分析仪，它的操作简便，而且避免了操作者 在选择分辨率频率范围扫描速度三个重要参数时的困难。现在只要完成三个参数中 的其中一项参数设置就能够自动选择其他两个参数的最佳设置。从上世纪末到本世纪 初，频谱分析仪的发展速度更加迅猛，随着计算机技术、微电子技术、数字信号处理技 术等的飞速发展，频谱分析仪在技
24、术、工艺等方面都达到了很高的水平，逐步向高性能、 宽频带、数字化、模块化、小型化的方向发展，便携式频谱仪、手持式频谱仪也相继问 世。如 HP8562A/B 系列的分析仪就有上百个功能， HP8562 集小型化与高性能为一体， 使其具有更精确的测量精度和更快的测量能力，用于噪声系数测量、相位噪声测量、矢 量信号分析等。目前国外的 频谱分析仪都实现了高分辨率高灵敏度、 CRT 数字显示 大动态范围等高性能的发展。尤其在近几年中，随着 FPGA、 DSP 等各种新技术的应 用，使频谱分析仪的性能达到了更高的水平。美国 Agilent 公司的 PSA 系列高性能频 谱分析仪使频谱分析仪的性能几乎达到了
25、完美的水平。它采用全新的数字中频处理技 2 现代频 谱 分 析 仪中关 键 信 号 处理算 法 的 研 究及 其 FPGA 实现 术，可广泛应用于射频和微波频段各种复杂信号的分析测试，能实现更多的分辨率步进、 准确率更高、速度更快。下面是其主要技术指标 3： 频率范围： 3Hz 50GHz 灵敏度： -156dBm 分辨率带宽： 1Hz 8MHz 显示动态范围 100dB 绝对幅度精度： 0.5dB 如今，频谱分析仪已广泛应用于微波通信网络、导航、电子对抗、雷达、空间技术、 频率管理、卫星地面站、信号监测和 EMC 测试等领域。 目前国内研制和生产频谱分析仪的厂家主要有电子四十一所、北京 RI
26、GOL 等。由 于技术性能所限，各厂家的产品仅占有相关专业的小部分市场。从国内频谱分析仪的研 发能力和技术水平来看，因为长期以来国内仪器开发走的是仿制道路，设计开发的专利 极少，核心技术上没有完全自主的知识产权。 1.2 频谱分析仪工作原理 1.2.1 信号的表征方式 描述电信号最直观的方式是采用时域表征形式，即给出电压和电流随时间变化的关 系，示波器所显示就是信号的时域表征。描述信号的另一种方法是利用频域表征方式， 即给出信号幅度随频率变化的关系，频谱分析仪所描述的就是频域表征方式。与时域测 量相比，频域测量仪器具有一些突出优点，能够获得时域测量中所得不到的独特信息， 如谐波分量、寄生、交调
27、、噪声边带等，另外，窄带频域测量具有更高的灵敏度，测量 带宽的减小可降低测量中的噪声数量。近年来随着通信和广播电视技术的快速发展，高 密度、多信道、频分复用等系统特性均需要频域测量，测量要求的多样化也推动了频谱 分析仪设计技术的不断发展。电信号的时域特性可以借助示波器进行观测，而频域特性 需要借助频谱分析仪进行观测 4。 图 1-1 信号的时域与频域关系 3 西北师 范 大 学 硕士学 位 论文 两种显示模式通过傅立叶变换相互联系，如图 1-1 所示，从而使时域中的每个信号 变量都具有相应的频谱特性。关系如下： X ( f ) Fx(t) x(t) ej 2ft dt （ 1-1） 和 x(t
28、) F 1X ( f ) X ( f ) e j 2ft df （ 1-2） 其中， Fx(t)为时域信号 x(t) 的傅立叶变换， F 1X ( f ) 为频域信号 X ( f ) 的傅立叶反 变换。 1.2.2 频谱分析仪分类 频谱分析仪分类的方法较多，从工作原理上讲，频谱仪一般分为两种类型。一种是 动态信号分析仪，即 FFT 频谱仪。它采用数值计算的方法处理一定时间周期的信号， 可提供频率、幅度和相位信息。这种仪器同样能分析周期和非周期信号。 FFT 的特点是 速度快、精度高，但其分析频率带宽受 ADC 采样速率限制，只适合分析窄带宽信号。 另一种是扫频外差式分析仪，它是一种超外差接收机
29、或是可调预选接收机，能对信号或 由信号变换而来的中频信号进行实时分析，测量范围一般可达 30Hz 50GHz。因此，当 人们对测量频率范围、灵敏度等指标不断提出更高要求时，超外差式频谱分析仪以其较 高的频率分辨率、较快的测量速度、相对较低的成本而得到广泛应用。 1.2.3 FFT 频谱仪工作原理 FFT 频谱仪亦称为实时频谱分析仪，多用于低频窄带信号的分析。图 1-2 所示为 FFT 频谱分析仪的简化框图 5。输入信号首先通过一个可变衰减器，以提供不同的测量 范围。然后，信号经模拟低通滤波器除去处于仪器频率范围之外的不需要的高频分量。 经 A/D 转换器后得到的数字信号，通过频率抽取式数字滤波
30、器，不但减小了信号带宽和 降低了采样率，并且改善了频率分辨率，避免了频谱混叠。再经 FFT 处理后获得信号 的频谱图，测量结果输出在显示器上。 图 1-2 FFT 频谱仪结构框图 由于 FFT 谱分析所依据的理论是假定分析的信号是周期信号，但实际上，由于对采 集的信号突然截断，将引起频谱的泄漏问题，它是影响 FFT 分析精度的一个重要因素。 4 现代频 谱 分 析 仪中关 键 信 号 处理算 法 的 研 究及 其 FPGA 实现 对此可以通过在时域加窗函数的方法来减小泄漏，常用的窗函数有汉明窗、布拉克曼窗 函数等。 1.2.4 超外差频谱仪工作原理 超外差式频谱分析仪的结构框图如图 1-3 所
31、示。输入信号与本振信号经混频器变频 后，经过一组并联的不同频率特性的带通滤波器，然后再通过检波器，使输入信号显示 在一组带通滤波器限定的频率轴上。显然，由于带通滤波器由无源元件构成，频谱分析 仪整体上显得很笨重，而且频率分辨率不高 6。 图 1-3 超外差频谱分析仪的结构框图 但是超外差频谱分析仪能够对频率很高的信号进行测量，主要原因是对高频信号进 行了多级变频，然后用窄分辨率带宽在较低频率进行准确测量。利用外差式频谱分析仪 我们可以实现对高达几十 GHz 的信号进行准确测量。由于是基于本振扫描，对信号进行 分析时扫描时间会相对较长，且这种频谱仪不能够分析输入信号的相位信息。 图 1-3 中频
32、谱仪的各模块电路功能简述如下： (1)输入衰减器，防止混频器的信号电平过高产生增益压缩甚至烧毁器件。 (2)本地振荡器和扫描发生器，为混频器提供大频率范围的本振频率信号。 (3)滤波混频器，混频器之前会放置预滤波器来抑制镜频，混频器通常用 3 级变频 结构来实现下变频，将要分析的频带信号 “ 搬移 ” 到固定的中频上。 (4)中频滤波器，用于减少噪声带宽，同时实现对各频率分量的测量。模拟式频谱分 析仪的分辨率带宽 RBW 就是由中频滤波器的组合响应决定的，而中频数字化的频谱分析 仪的 RBW 一般是由数字下变频器来实现。 (5)包络检波器，对末端中频信号检波得出幅度电平值。 1.3 现代频谱分析仪的数字中频处理技术 传统外差式频谱仪测量速度受限于分辨率带宽，在较低频段区分紧邻的谱线需要很 窄的 RBW，因此导致扫描时间太长，甚至会长到让人无法忍受。而 FFT 频谱仪的速度 西北师 范 大 学 硕士学 位 论文 5 仅取决于量化和 FFT 计算所需的时间，在相等的频率分辨率下， FFT 频谱