基于FPGA的数字频谱分析仪设计 老师

№．2 VoL26 陕西科技大学学报 JOURNALoFSHAANⅪUNlVERSITYoFSCIENCE&TECH卜『0I妇GY Apr．2008 ·93· ’ 文章编号：100口5811(2008)02-0093—04 基于FPGA的数字频谱分析仪设计 高 森，马令坤，郑恩让 (陕西科技大学电气与信息 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，陕西西安710021) 摘要：基于FPGA设计了一种数字频谱实时分析仪，该分析仪充分利用了FPGA并行运算 的特点，并结合NIOSⅡ软核处理器的可重构性，采用周期图法实现了在48kHz采样频率下 实时信号的频谱分析和信号的时域、功率谱密度的液晶显示． 关键词：频谱分析仪；FFT；FPGA；N10SⅡ 中图分类号：TM935．21文献标识码：A O前言 频谱分析作为近代的信号分析方法，是电子产品研发、生产、检验的重要工具，而高分辨率、宽频带数 字频谱分析方法的研究一直是该领域的热点[1’2]．目前数字频谱分析在实现方式上主要有：基于计算机处 理的准实时频谱分析(或称为软件频谱分析)、基于通用DSP处理器(比如TI或AD公司器件)的实时频 谱分析和基于专用F丌处理芯片(AsIC)的频谱分析系统．前者由于采用软件处理，故实时性很差(数据 先采样、存储后处理)，且系统成本很高．对于通用DSP处理器实现的分析系统，在实时性上虽远远高于前 者，其乘加运算采用硬件实现(乘加器数量有限)，且系统采用流水线方式，但数据本身的组织及处理过程 (顺序工作方式)使其在高速场合往往需多片并行应用，这样系统的设计和编程难度较大，且成本较高．基 于FPGA实现的DSP[3'4]，可以以并行或顺序方式工作且乘加运算全部采用硬件并行结构．在并行工作方 面，FPGA中可以使用各种状态机或使用嵌入式微处理器来完成，同时系统在每个时钟周期都可同时完成 许多操作，使得即使在顺序执行方面也比通用DSP处理器快[4|．NIOSII[53是Alter开发的第二代软核式 处理器，其性能超过了200DIPS，设计能够从无限的系统配置组合中选择满足性能和成本的目标方案，而 不必为系统设计考虑采用ASIC 本设计利用FPGA的完全并行结构实现F兀，解决了实时系统的主要矛盾，并利用NIOSⅡ系统实 现了控制和显示．实验 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，在硬件条件允许下，这种实现频谱分析的方法可以得到比模拟实现更高的频 率分辨率． 1算法原理 已知随机时间序列X(，z)是平稳的和遍历的，现有z。，z。，⋯，zN一。为一随机采样样本，根据功率谱密 度的定义[6]： s(cc，)一1im帮{IFN(∞)I2、 ．(1)N—枷』Y 可见，功率谱密度取决于所有样本的平均，且各个样本的持续时间是无穷大的．在实际中，定义取样信号周 期图法的功率谱密度为： 弘一南Ixc圳2一南l薹而p 2 ㈤ ·收稿日期：2008一01—11 作者简介：高森(1968一)，男，陕西省咸阳市人，工程师．在读硕士生，研究方向：控制理论与控制工程 万方数据 ·94· 陕两科技大学学报 第26卷 具体实现方法为：仅计算离散个频率的功率谱密度，假设为L个角频率点，即2稚／L，忌=o，1'．．·，L一 1频率处的功率谱密度．做L点的DFT运算，用FFT算法． ． 肛l s(2破／L)=击l∑z。一譬I 2 (3) 』Y’"=O 当N为有限值时，其结果为谱密度的有偏估计且方差较大，为改善性能，本设计采用平均周期图法， 即将得到的K个独立的功率谱密度进行平均后作为最后的结果． 图1 系统框图 同；i面 2 系统框图及实现结构 要实现系统高的实时性，除了提高FFT运算的速度外，系统的 数据流组织方式也是非常重要的．设计中PSD采用全硬件并行方式 实现，数据传输方式充分考虑NIOSⅡ的特点，在各个环节上都以低 耗时为设计目标，系统框图如图1所示． 图2 系统硬件结构框图 为保证ADc输入动态范围的要求和对特定干扰的抑 制，信号首先进行预处理．根据采样定理，输入ADC的信号 必须小于采样频率的1／2．ADC是完成从模拟到数字的关 键环节，它的精度和速度直接决定了频谱分析仪的性能，所 以√虹)C应尽量选用精度和速度都比较高的芯片．PSD运算 网模块主要由FFT实现、功率谱计算两部分组成，它们的速 度直接由算法和乘加运算决定．为了实现高的实时性，两部 分全部采用硬件来完成．经PSD运算后的数据，在NIOS中 加以存储并显示。 为了控制及协调整个系统的数据传输以及必要的数据处理，并且为每个部分电路提供工作时钟，通过 使用CycloneⅡ中的硬件PLL提供基时钟，然后用计数器对基时钟进行分频得到各环节所需要的时钟． 系统大部分在FPGA上实现的结构如图2所示，其中信号处理调度部分包括AD控制单元、FIFO输 出单元、NIOSII调度单元、DMA单元、FFT运算单元和显示控制单元．利用SOPCBuilder可以很方便 地将处理器、存储器和其他外设模块连接起来，形成完整的系统． 著萼一谨H淼fH季茧票 3单元设计 莓誓交一釜婆耋H器嚣H锗H螫譬H臀H圃3·1A陇单元设计一 一—————— 系统采用WM8731芯片实现图3 ADC数据流程框图 ADC，该芯片采用Sigma—deltaADC 方式，它通过采样和数字滤波技术实现低频信号的高分辨率转换和含有音频信号的低失真转换．ADC单 元硬件电路图如图3所示． 3．2 FFT并行结构的实现 对于一个N点的序列z(以)，其离散傅立叶变换可表示为： x(足)=∑z(行)w蒋，wN一一胃，其中惫一o，l，⋯⋯，N一1 (4) X(惫)表示信号连续频谱的离散抽样，反映了信号在离散频点上的幅度和相位．该变换的复数乘法的 运算量与所处理的点数的平方成正比．在实际应用中，当点数较大时，运算量是相当可观的．为减少其运算 量，便产生了快速计算方法Fn从原理上讲，FFT的实现分为按时间抽取和按频率抽取两类，它通过充 分利用w因子的特性并将长序列转化为短序列的FFT蝶形组合来实现，使运算量降为与N的对数成正 比．设计中采用按时间抽取基一2DIT，其N点的算式如下； 蓟囹裂≯《巴oj目基夏od口-o 匠母里一 万方数据 第2期 高森等：基于FPGA的数字频谱分析仪设计 ·95· 成了 点的 X(焘)=Xl(壶)+聪X2(壶)，X(是+N／2)一Xl(壶)一碟X2(壳)(5) 的DSPBuilder中的碟形模块实现，其结构如图5所示．模块 1 中拉，吞是输入，A，嚣是输出，镏是旋转因子，量程，务，留，A，骞 鎏童按时氡轴选蝶影运算结稳 均为复数：口=z+Jx，6一y+歹y，硼一口+歹y；A=口+J锄；B一口一协；A2(z+y"一№)：叫№卜^ +歹(x+h+h)；B=(z一3，钉+№)十-f(x—h一№)．由于处理的都是数字量，所以蕾叫ny卜暑 要对铷因子进行鳖化·同时穰据碟形的算法应该在铆因子量化的同时给每一个碟形的图5基本蝶形 口乘以量化量，设计中按127量化． 措“ 根据设计要求，仪器的分辨率应小予lkHz，为此实现中使用的64点FFT模块 (瑾论分辨率为750Hz)是戳该模块为基础构建的．但实际连接太复杂，本文 省去了其实现结构图．为提高分辨率，必须增加处理的点数，但由于系统硬 件资源的原因限制了大点数FFT的实现．系统可以以64点为基本单元，利 用FFT算法原理通过NlOS系统的反复调用面实现高分辨率的功率谱密度 分析． ． 3．3浚聂显示模块设诗 用320×240单色点阵图形液晶显示模块，驱动器型号为SEDl335．图6 为设定NIoSII处理器对显示控制芯片SEDl335的对应管脚．显 示程序的设计流程如零?所示。 4实验结果及分析 鬏据Ⅸ强戆性质，对予实序列，冀Ⅸ耳满足共轭对称性，输 出信号的频谱由前N／2点确定，表1～表3为8点FFT在不同输 入信号下前4点(后面各点数值接近于零，故略去)的归一化实验 浏试结果。 表1输入为6kHz正弦波时的测试结果 频点 王 2 3 4 内存地址OX900000oX900002OX900004OX900006 数值 O．4 1 o．3 O。2 表2输入隽6k}{z方波时的测试结果 频点 l 2 3 4 内存地址oX900000oX9000020酗∞004O凇00006 数值 o．17 1 O O．35 表3输入为4kHz方波时的测试结果 频点 1 2 3 4 内存地址oX9000∞OX900002OX900004Ox900006 数售 O。8 l o。7 0。2 由以上数 据可以看出，当 输入频率小于S kHz时，谱峰出 辩雾O蓉袭 数据中甄二[ 聪rr敷据 搀避中断=[戤臌送 数据中断 图7 NⅨ撇 WRS l ICD-RD RD 瓤 Ao譬羹黛 圆 主翻笛 3D^：胍5 图6 NIOSIl与SEDl335 的连接麓 C豳D匦圃 几矗蒲丽订 一圈《∥@ 现位置在第2频点，此时会产生较大误差．这主要是由 于F订豹点数N太小，分辨率为(王／8·48)=6kHz 大于输入频率造成的．6kHz的方波输出频谱极大德在 第2频点，第3频点馕近似为O，结论正确。 S结束语 在设计中，F订模块采用金硬件并行结构，大大提 高了信号处理的实时性，数据传输尽可能采用DMA方 式，这样从根本上解决了通用DSP的速度瓶颈．采用周 期图法进行谱分析，保证了高的频率准确性和较高的分 辨率．同时，由于系统本身的数字化，从而保证了输蹦的 万方数据 ·96· 陕西科技大学学报 第26卷 高精度和高稳定性．本设计可重构性好，在不同的应用领域，可根据实际需要对模块进行替换升级．选择高 性能AD和大逻辑资源的FPGA等可以使性能得到大幅度提升． 参考文献 [1]班万荣．频谱分析仪的原理和发展．现代电子技术口]．2005．(7)，10l一102． [2]孙恺，王田苗，魏洪兴．嵌入式CPu软核综述[J]．计算机工程，2006．32(7)：6—9． [3]刘桂华，傅佑麟．FFT实时谱分析系统的FPGA设计和实现[J]．电子技术应用，2005，(2)：65—67． [4]LSuzun，A械ra，八B0uridan己FP(认inlplem饥tatio璐offastfouriertm璐fonmforr∞l-tinlesignaIandi瑚geproc鹊sillg [J]．IEEPro己一vis．ImagesilmalProcess，2005，152(3)：283—296． [5]潘松，黄继业．EDA技术与VHDL[M]．北京：清华大学出版社，2006． [6]&^正Kaymodemspectralestimationtheoryandappli∞ti∞[M]．P咖tice_Hall，1988． DESIGNOFDIGITALSPECTRALANALYZERBASEDONFPGA GA0Sen，MALing-kun，ZHENGEn．rang (SchooIofElectricalandInfonmtionEngineering，Sh越mdU11iversityofScience&融h110log)r，Xi’aJl 710021，Chi舱) ，。’ Abstr扯t：Thepaperpresentsanewmethodtoimplementtherealtimesprectrumanalysis basedonFPG八Fullyusedthecharact色risticofparalleloperationofFPGA，combinedre— constructpropertyofsoftcoreprocessorNIoSⅡ，thepaperachievedrealtimesignalsspec— tralanalysisunder48kHzsamplingfrequencyanditsdisplay，wheretheperiodogramarith— metic、vasadopted． ‘ Keywords：spectralanalyzer；FFT；FPGA；NIoSⅡ ·S芒·SE·SE·S芒·S￡·S芒·S￡·宣E●蛊E-S￡·S芒·S芒·SE·SE·S要·S蔓·S芒-宣芒·S要·SE·S芒·SE·S芒·SE·S芒·昱芒●S芒·SE-SE-S￡-S蔓·S芒·S￡-SE·SE·SE·S芒·SE·SE·SE·SE·SE-S芒IS芒·SE (上接第92页) [6]朱华，吴传生，汪小梅．一种改进的小波消噪阈值选取方法口]．计算机应用，2007，(10)：46—49． [7]严吕顺．用计算机快速剔除含粗大误差的。坏值”[J1计量技术，1994，(5)：36—38． [8]韩力群．人工神经网络教程[M]．北京：邮电大学出版社，2006． [9]HayklnsirnonNeu阳lnetworl【s：a咖prehe璐ivefoumlation(secondedition)[M]．P∞rsonEducation，Inc，America，1999 [10]HamFM，KostanieLPricipleSofneuro∞mputingforsd-ence8Leflgin∞ring[M]．McGrawHill，2001． FAULTDIAGNOSISTOTHEROLLINGBEARING BASEDONTHERBFNETWORK GANNeng-qiang，DUHong_ming，XIEHui (schoolofMech撕calEngineerillg，S0uthwestJiaotollgUfliversity，Chengdu610031，Chim) Abstr神t：ThroughtheprPtreatmenttothevibrationsignalsoftherollingbearing(including grosserrorhandlingandwavelettransfomdenoising)，thenextractingeigenvectorswhich representoperatingstateoftherollingbearingastheinputoftheRBFnetwork，wecanuse RBFnetworkforfaultdiagnosiS．Thesimulationresultsshowthat，thismethodiseffecti陀 KeywoI‘ds：faultdiagnosis；R正狐network；waveleitransfomdenoising；rollingbearing 万方数据 基于FPGA的数字频谱分析仪设计 作者： 高森， 马令坤， 郑恩让， GAO Sen， MA Ling-kun， ZHENG En-rang 作者单位： 陕西科技大学电气与信息工程学院,陕西,西安,710021 刊名： 陕西科技大学学报（自然科学版） 英文刊名： JOURNAL OF SHAANXI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY(NATURAL SCIENCE EDITION) 年，卷(期)： 2008，26(2) 被引用次数： 0次 参考文献(6条) 1.班万荣 频谱分析仪的原理和发展[期刊论文]-现代电子技术 2005(07) 2.孙恺.王田苗.魏洪兴 嵌入式CPU软核综述[期刊论文]-计算机工程 2006(07) 3.刘桂华.傅佑麟 FFT实时谱分析系统的FPGA设计和实现[期刊论文]-电子技术应用 2005(02) 4.I.S.Uzun.A.Amira.A.Bouridane FPGA implementations of fast fourier transforms for real-time signal and image processing 2005(03) 5.潘松.黄继业 EDA技术与VHDL 2006 6.S.M.Kay modern spectral estimation theory and application 1988 相似文献(10条) 1.期刊论文 吴宏钢.秦树人 基于DSP技术的虚拟式FFT频谱分析仪 -重庆大学学报(自然科学版)2004,27(7) 虚拟仪器已经成为仪器发展的一个重要方向,目前已在众多领域获得了广泛应用.FFT频谱分析是机械工程、故障诊断等诸多领域所广泛采用的分析方 法.但传统FFT频谱分析仪存在着不易更新、价格昂贵等缺点,虚拟式FFT频谱分析仪的产生摆脱了传统FFT分析仪的多种限制,为FFT分析仪的广泛应用铺平 了道路.DSP技术在虚拟仪器中的应用更为虚拟仪器发展提供了广阔前景.作者在深入研究DSP处理系统的基础上,开发了基于DSP技术以及PCI总线的虚拟式 FFT频谱分析仪,设计新颖,实用性强,进一步展示了虚拟仪器在仪器发展中的重要地位. 2.期刊论文 马立军.MA Li-jun 基于VI的多通道FFT频谱分析仪的设计 -柳州职业技术学院学报2009,9(1) 提出一种基于虚拟仪器技术的多通道FFT频谱分析仪设计方案,分析虚拟仪器技术在频谱分析仪设计上的主要流程.给出设计的频谱分析仪组成框图和 各模块需要完成的功能实现.重点分析传感 器模块、采集模块和嵌入式系统等三个关键模块实现原理与设计优化,最后对仪器的总体性能进行测试与分析 .结果证明该方案简单实用,具有较高的性价比.＃ 3.期刊论文 周渡海.陈一民 基于DSP技术和LabVIEW虚拟仪器的FFT频谱分析仪 -微型机与应用2010,""(13) 提出一种基于虚拟仪器LabVIEW的FFT频谱分析仪的设计,分析了DSP技术在虚拟仪器中的应用.在深入研究DSP处理系统的基础上,开发了基于DSP技术 以及USB总线的虚拟式FFT频谱分析仪,具有设计新颖、实用性强的特点. 4.期刊论文 江炜宁.Jiang Weining 数字下变频FFT及其在频谱分析仪中的实现 -国外电子测量技术2007,26(5) 针对传统频谱分析仪中实现快速傅里叶变换(FFT)时遇到的运算量、存储量和处理速度之间的矛盾,本文提出了一种基于数字下变频的FFT技术.该技 术先对数字中频信号实现数字下变频,然后再进行FFT处理,其结果使得运算量和存储量都大幅度降低.在某新型频谱分析仪中,该技术被成功地应用在基于 TMS320C6701型DSP的数字信号处理系统中,经过处理时间的比较和分析,结果表明该技术能够极大地提高系统的实时性. 5.期刊论文 熊心美.陆勇.李广波.XIONG Xin-mei.LU Yong.LI Guang-bo 基于高速SOC的FFT频谱分析仪的设计 -电 测与仪表2009,46(1) 本文硬件上采用C8051F060及其自带的高速ADC和DMA控制器,以及外部高速RAM来采集信号,软件上结合FFT(快速傅立叶变换)算法和自相关函数,设计 了频谱分析仪.由于C8051F060的出色表现,结合查表方式的FFT运算,使得基于高速SOC的频谱分析仪性能大大提高.该频谱分析仪最终实现了对信号的频谱 分析,并实现了失真分析以及周期性检测等功能. 6.学位论文 梁璨 虚拟数字频谱分析仪的设计 2009 随着科学技术的快速发展，电子技术也受到了越来越多的关注，而它的发展离不开测试技术，频谱分析作为测试技术中一个重要的组成部分，就需 要我们更多的关注。在不同的应用环境下采用不同的频谱分析仪来进行测试具有重要的意义。本文设计的虚拟数字频谱分析仪主要是针对一些机械、噪 声、音频等方面的信号，对于这种指标要求不是太高、成本较低的频谱仪作为教学仪器是非常合适的。本文正是基于这种目的设计此虚拟数字频谱分析 仪。 本文中设计的虚拟数字频谱分析仪主要是在SJ8002_B平台的基础上，以硬件平台的采集模块为前提，LabVIEW软件平台为编程工具来实现的。文中首 先介绍了虚拟数字频谱仪的总体概况，发展历程以及研究意义，随后详细介绍了设计的软硬件情况，具体内容主要包括了数据采集模块和频谱分析模块 。 硬件的采集模块中，为了适应更高的频谱分析需求，将此模块原来8位的采集芯片AD9288更换成了12位的AD9224，并重新排版布局，以此提高测量精 度；对于通信模块来说，此模块主要进行电脑与平台的通信，将原来EPP并口模式通信方式转换为USB串口转：EPP并口模式。在存储控制模块中，此模块 通过FPGA与SRAM实现对采集模块的控制以及对采集数据的存储等功能。 在软件方面，采用模块化的软件设计方式，详细阐述了编程思想和设计流程图，并通过LabVIEW软件平台进行虚拟数字频谱分析仪的控制面板、数据 采集模块的设计以及运用FFT算法进行频谱分析的设计，实现FFT计算式频谱分析仪的功能。 7.期刊论文 班万荣.BAN Wanrong 频谱分析仪的原理和发展 -现代电子技术2005,28(7) 频谱分析仪对射频工程师来说是必不可少的测试工具.然而各种频谱分析仪实现方法不尽相同,如带通滤波器频谱分析仪、中频滤波器频谱仪和FFT频 谱仪.本文着重阐述频谱分析仪的实现原理和发展阶段.并在参数说明中对分辨带宽和视频带宽对测量显示结果的影响加以分析.并且对两种不同的频谱分 析仪在备性能参数上进行了分析比较.最后对面向通讯领域的新一代频谱分析仪做了介绍. 8.期刊论文 罗熹之.张勇.周建军.Luo Xizhi.Zhang Yong.Zhou Jianjun 扫频式FFT频谱分析仪数字中频全软化设 计与实现 -计算机测量与控制2007,15(9) 提出了扫频式FFT频谱分析仪一种全软化解决方案,采用相位差校正法解决了FFT计算中的频谱泄漏问题,实现了全景范围实时、高精度的频谱测量;经 仿真与实际信号验证,频谱幅度测量精度可达到1%,频率测量精度高于0.1%;该方案已经成功应用于某武器型号的测试系统中. 9.学位论文 吴宏钢 基于DSP技术与PCI总线的虚拟式FFT频谱分析仪 2004 本文在深入研究DSP处理系统的基础上,开发了基于DSP技术以及PCI总线的虚拟式FFT频谱分析仪,设计新颖,实用性强,进一步展示了虚拟仪器在仪器 发展中的重要地位.基于普通数据采集卡的虚拟式FFT频谱分析仪,信号的分析处理工作全部由计算机系统完成,在高速、多通道情况下这将导致系统的实 时性降低,甚至出现用户难以忍受的长时间等待.在数据采集卡上集成数据处理功能可以极大地提高包括计算机在内的整套系统的实时性和数据处理的精 确度.而DSP(数字信号处理器)以其特有的硬件体系结构和指令体系成为快速精确实现数字信号处理的首选工具.本文讲述了DSP的CPU结构、存储器构成、 外设资源和指令寻址方式等.基于DSP和PCI总线技术,本文根据课题目的,开发了用于FFT频谱分析的数据采集处理卡.文中详细叙述了系统的硬件设计方案 以及所达到的性能指标. 10.期刊论文 杨宗长.Yang Zongchang 音频信号软件频谱分析仪设计 -国外电子测量技术2005,24(6) 软件频谱分析仪利用多媒体计算机以软件方式来实现对信号进行频谱分析的功能.文中就如何运用DCT理论及FFT算法,开发音频信号软件频谱仪进行 了较详细的探讨和介绍;并给出了相关的设计、实现方案及Windows平台一个应用实例. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_xbqgyxyxb200802022.aspx 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