基于FPA的数字式频谱分析仪.doc

本科生毕业设计（论文）开题报告 毕业设计题目： 基于FPGA的数字式频谱分析仪的设计基于FPGA的数字式频谱分析仪的设计 图1 FFT频谱分析仪原理框图 频谱分析仪是信号分析的重要工具，随着技术的发展，频谱分析仪无论在性能指标还是功能、应用方面都朝着更加完美、更加多样的方向继续发展，产品实现高度的智能化、自动化。 总体看来，当今国内外频谱分析仪产品呈现两种发展势头，一种是向更大带宽和更高性能发展的台式频谱分析仪，另一种是适应市场普及需求，向经济型、小型化发展的手持式频谱分析仪。台式频谱分析仪主要用于实验室，测量频率范围宽、调制信号分析功能强、实时捕获带宽大、触发模式多样。台式频谱分析仪在具有上述众多优点的同时也存在价格昂贵、体积和功耗大、笨重的缺点，不满足野外和现场测量的需求。手持式频谱分析仪功耗小，可以采用电池供电，同时体积小、重量轻、便于携带，极大的方便了工程师在测量现场来回测试、检查。手持式频谱分析仪广泛应用于移动基站的安装和维护、现场射频电缆的故障定位等野外和现场测量。就手持式频谱分析仪的发展情况而言，一些世界级厂商在拥有自己功能强大的台式频谱分析仪的基础下，都开发了手持式频谱分析仪，以满足不同场合的应用需求。安立公司的MS2721A是一款小型并且便于使用的手持式频谱分析仪。其小于3公斤的重量和达到7GHz的高性能测量能力为无论在实验室和野外都提供了顶尖的测量手段。它的测量范围从100KHz到7.1GHz，分辨率带宽从10Hz到3MHz。MS2721A配备了高亮度8.4英寸TFT彩色显示器，可以在日光下清晰显示测量曲线。同时MS2721A上集成的Compact Flash Card插槽、Ethernet局域网RJ45接口和USB2.0接口，方便了数据和设置信息的交换。加固设计的机箱使MS2721A可以在野外恶劣的环境中工作。使用锂电池保证在无电力供应的情况下具有长时间工作的能力。 安捷伦推出的N9340A也是一款高性能手持式频谱分析仪。N9340A的频率覆盖范围从100KHz到3GHz，非零扫宽下最快扫描时间为10毫秒，能够帮助用户在短暂的时间内发现瞬态脉冲信号。N9340A具有先进的互连互通特性，使得图像数据和设置传输以及PC远程控制变得简单易行。N9340A拥有极窄的分辨率带宽，可选范围从30Hz至1MHz。与同类产品相比，它还具有最低的本底噪声，可以监测到杂散和干扰信号在内的低功率信号，其极低的单边带相位噪声可以监测出靠近载波信号的低功率信号。 N9340A安装了7.2英寸超大透射液晶显示屏，机身总重量为3.5千克。世界级厂商的手持式频谱分析仪功能强大，但相对来说价格也相当昂贵。目前国内也有研究所和企业成功开发出手持或便携式频谱分析仪，但和国外厂商的产品相比，其性能还存在着一定的差距。 2．方案论证 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）称为傅里叶变换式，即函数是的傅里叶变换或傅里叶积分，式（1）叫做傅里叶逆变换式。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(2)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） 和分别为实部和虚部，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。 3．设计中要解决的主要问题和措施 本文设计的便携式频谱分析仪的结构框图如图2所示，通过该系统可以实现对信号的频谱分析功能，也能实现对信号波形的显示功能。其中A/D转换器为TLC5540芯片，FPGA为Altera的CycloneII系列的EP2C35芯片，LCD为基于VGA显示原理的TFT LCD彩色显示屏。 图2系统结构框图 采样控制 在本设计中，模拟信号转换为数字信号采用高速A/D芯片TLC5540来实现，而采样控制则由在FPGA里面实现的采样控制器来执行。 输入缓冲 由于等效采样频率可变，而后面FFT处理器为了处理速度而采用较高的工作频率并固定不变，因此采样得到的数据要送入FFT处理器，需要通过一个缓冲；另外，FFT处理数据是一帧一帧处理