基于fft算法的信号相关分析仪器.ppt

基于FPGA的信号相关分析仪 大学电气工程学院 系统简介 本设计基于离散傅立叶变换原理，由前级信号经过信号调理电路后送入A/D采样模块，采用数字信号处理技术，在FPGA内部完成浮点型FFT计算，来判断频率成分在20kHz以上的超声波信号的功率谱及其总功率，频率分辨力和分析正弦信号的失真度。利用相关原理检测信号的周期性并测量其周期。设计系统还增加信号频谱显示的功能。 国内外现状和发展趋势： 近年来，随着改革、开发的进一步深入发展，信号分析仪同其他分析仪器一样，出现了良好的发展势头，分析仪器进口量远远超过国内分析仪器行业工业生产总值，主要原因是：技术水平和品种、质量、自动化、智能化及成套性等与国际相比尚有较大的差距。这使得分析仪器的每年进口量居高不下，其中高教和科研院所系统进口比例最大。2012年是信号分析仪行业发展过程中非常关键的一年，首先，从外部宏观环境来讲，2012年正处于我国信号分析仪行业“十二五”规划的关键时期，影响行业发展的新政策、新法规都将陆续出台。转变经济增长方式，严格的节能减排对信号分析仪行业的发展都产生了深刻的影响。 信号相关分析仪的设计背景和目的 随着社会的发展和科技的进步，在人们认识世界和改造世界的过程中，经常需要对有效信号进行检测和分析，由于所测得的信号往往是随机信号，这类随机信号无法用明确的数学关系式描述，信号间只能用概率统计方法描述，这类信号一般是从同一个被测系统上测试得到，其间总存在某种内在联系，对这类信号的分析常常要用到相关的概念。相关性分析技术广泛运用于回声测距、通讯、测速、信号识别、故障诊断等工程应用中。本设计的目的是通过对信号相关分析仪的设计加深对相关性分析和信号采集等的了解。 论文题目要求 要求利用FPGA开发板和相关元器件设计制作一台可分析超声波信号频率成分并可测量超声波信号失真度的仪器。 该仪器能够检测的输入信号是超声波。 能够对输入信号进行频率和功率的检测。 此外该仪器还能够判断信号的周期性及测量超声波信号的失真度。 1、整体方案选择 方案一：模拟谱分析法 方案二：FFT谱分析法 　　　经过比较，数字的DFT方法则易于实现，速度快，精度高。故可选用方案二。 3、 FFT算法的FPGA实现整体结构 方案一：将FFT设计为硬件模块，用硬件进行FFT的加速。 方案二：用软件编写FFT，以软件的形式将FFT算法植入FPGA中。采用VHDL语言实现 　　　经比较，硬件实现FFT模块的方法复杂度相当大，资源的占用量大，使用软件编写FFT程序方便得多，并且软件占用的资源相对于方案一来说相当的少。并且软件编写的FFT程序有很大的提升空间，可移植性好。 2、核心控制处理器选择 方案一：选用FPGA。 方案二：以普通单片机为核心进行算法的处理。 方案三：在FPGA中嵌入处理器。 方案四：单片机与FPGA结合处理。 方案五：采用MCU为主控制器。 对比以上几种方案，方案一既可以学习到FPGA的相关设备，也可以学习到新的编写语言VHDL。这样既达到教学的目的，也增加了我们的知识面和学习的深度。 4 采样电路与A/D芯片选择 使用12位A/D采样芯片进行采样以满足题目的精度要求。本设计使用ADCS7476 芯片，它是12位A / D转换芯片。 系统总体设计方案及实现框图 根据以上的方案论证与比较，先将输入信号通过ADC采样，根据频率分辨力来确定采样率，利用FPGA快速数据处理能力，在其中完成1024点的FFT运算计算该信号的功率谱，并能实时显示信号总功率及主要频率成分功率。其中，对于信号周期性的判断与测量，我们采用自相关的方法，大大提高了判断的准确性。 5、功率谱测量方法 功率谱表示单位频带内信号功率随频率的变化情况，它反映了信号功率在频域的分布情况。对于功率谱的测量采用的是周期图法。 已知随机信号的功率谱和自相关函数是傅氏变换对，即功率谱 。而自相关函数定义为： 　 　　， 用有限长的样本序列来估计功率密度谱即为　　　　　。 对于 的求解，在FPGA内部完成了1024点的基2时域抽取法FFT运算。数值运算采用浮点型，旋转因子由查表得到。设置FPGA的运算时钟为100MHz， 计算出了各频率分量上的功率大小，那么根据失真度的定义 ，即信号中全部谐波分量的能量 　与基波能量之比的平方根值，正弦信号的失真度可以很方便得求出。 6、周期性判断方法 　　　　根据相关性能够反映信号相似程度的特点来解决周期性的判断问题。 　　　对于信号 与 互相关函数的定义为： 　， ，　表示时刻。 在 时刻的值，等于将 保