基于FPGA的簡易頻譜分析儀的設計方案

　　1 引言

　　目前，由于頻譜分析儀價格昂貴，高等院校只是少數實驗室配有頻譜儀。但電子信息類教學，如果沒有頻譜儀輔助觀察，學生只能從書本中抽象理解信號特征，嚴重影響教學實驗效果。

　　針對這種現狀提出一種基于FPGA的簡易頻譜分析儀設計方案，其優點是成本低，性能指標滿足教學實驗所要求的檢測信號范圍。

　　2 設計方案

　　圖1為系統設計總體框圖。該系統采用C8051系列單片機中的 C8051F121作為控制器，CvcloneⅢ系列EP3C40F484C8型FPGA為數字信號算法處理單元。系統設計遵循抽樣定理，在時域內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內部集成A／D轉換器，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；另外，該單片機內置高速控制內核和豐富的存儲器，使其能夠控制整個系統；EP3C40F484C8型FPGA內置豐富的存儲器資源，確保該系統具有足夠的空間存儲采集的點數，完成離散傅里葉變換、數字濾波器、數字混頻等信號處理。

　　3 理論分析

　　3．1 數字下變頻FFT

　　隨著高速A／D轉換和DSP技術的發展，數字下變頻的快速傅里葉變換FFT(Fast Fourier Transform)技術能夠有效減少傳統FFT技術存在的內存不足。在高中頻、高采樣率系統中實現信號頻譜的高分辨率、低存儲量和低運算量，從而極大提高系統的實時性。

　　圖2為基于數字下變頻的FFT技術的實現原理框圖。