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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。
3．2 直接數(shù)字頻率合成器DDS原理
用直接數(shù)字頻率合成器DDS(Direct Digital Synthesiz-er)原理實現(xiàn)掃頻信號的信號源主要由參考頻率源、相位累加器、正弦波采樣點存儲RAM、數(shù)模轉(zhuǎn)換器及低通濾波器構(gòu)成。設(shè)參考頻率源頻率為fclk，計數(shù)容量為2N的相位累加器(N為相位累加器的位數(shù))，若頻率控制字為M，則DDS系統(tǒng)輸出信號的頻率為fout=fclk/2N×M，而頻率分辨率為△f=fclk/2N。為達到輸出頻率范圍為5 MHz的要求，考慮到實際低通濾波器性能的限制，fclk為200 MHz，相位累加器的位數(shù)為32位。其中高10位用做ROM地址讀波表(1個正弦波周期采樣1 024個點)，頻率控制字也為32位，這樣理論輸出頻率滿足要求。
4 系統(tǒng)硬件設(shè)計
4．1 AGC電路
輸入信號經(jīng)高速A／D采樣，信號幅度必須滿足A／D的采樣范圍，最高為2-3V，因此該系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)加AGC電路。AGC電路采用AD603型線性增益放大器。圖3為AGC電路。
