頻譜分析儀是微電子測量領(lǐng)域中zui基礎(chǔ)、zui重要的測量儀器之一，是從事各種電子產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗的重要工具。高分辨率、寬頻帶數(shù)字頻譜分析的方法和實(shí)現(xiàn)一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。現(xiàn)代頻譜分析儀是基于現(xiàn)代數(shù)字信號處理理論的頻譜分析儀，信號經(jīng)過前置預(yù)處理、抗混疊濾波、a/d變換、數(shù)字頻譜分析等環(huán)節(jié)而得到信號中的頻率分量，達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果。
本設(shè)計*利用fpga實(shí)現(xiàn)fft，在fpga上實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)構(gòu)建。其中cpu選用altera公司的niosii軟核處理器進(jìn)行開發(fā),硬件平臺關(guān)鍵模塊使用altera公司的eda軟件quartusiiv8.0完成設(shè)計。整個系統(tǒng)利用niosii軟核處理器通過avalon總線進(jìn)行系統(tǒng)的控制。全文重點(diǎn)闡述了整個系統(tǒng)的設(shè)計流程，同時對于方案中的設(shè)計思路和重要部分給予說明。
1、系統(tǒng)設(shè)計方案
頻譜分析儀一般分為兩類：
一種是掃頻調(diào)諧式的分析儀，此類分析儀通過各類濾波，再經(jīng)過一個外差的接收機(jī)，把輸入信號中的中頻信號進(jìn)行分析，從而得到頻譜分析的結(jié)果。這是現(xiàn)在zui為普遍的頻譜分析儀結(jié)構(gòu)，此類分析儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜[2]。
另外一種是動態(tài)的信號分析儀，即快速傅里葉變換fft分析儀。它利用fft將信號分解成分立的頻率分量，由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（adc）直接對輸入信號取樣，經(jīng)過fft處理后獲得頻譜分布圖。此類分析儀速度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)分析儀，可以進(jìn)行實(shí)時分析。本文的設(shè)計就采用這種原理。
在此設(shè)計中，信號經(jīng)過濾波、放大之后，通過ad取樣，在fgpa內(nèi)對信號進(jìn)行全硬件的數(shù)字濾波后，交給fft信息處理單元進(jìn)行fft變換，zui后送到lcd顯示其頻譜分析的結(jié)果。
圖1是系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。整個系統(tǒng)設(shè)計主要由fpga的內(nèi)部硬件電路及外圍接口模塊構(gòu)成。
2、系統(tǒng)的硬件單元
2.1agc電路
因為輸入信號幅度變化較大，為了使信號的幅度恒定且其幅度滿足a/d采樣的范圍（高位為2v~3v），因此此設(shè)計中加入agc電路。本設(shè)計中的agc電路采用ad603型線性增益放大器[3]。
2.2adc電路
為保證adc輸入動態(tài)范圍的要求和對特定干擾的抑制，信號首先需要預(yù)處理。根據(jù)采樣定理，輸入adc的信號必須小于采樣頻率的1/2。adc是完成從模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的精度和速度直接決定了頻譜分析儀的性能，所以adc應(yīng)盡量選用精度和速度都比較高的芯片[4]。系統(tǒng)采用wm8731芯片實(shí)現(xiàn)adc,該芯片采用sigma-deltaadc方式,通過采樣和數(shù)字濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)低頻信號的高分辨率轉(zhuǎn)換和含有音頻信號的低失真轉(zhuǎn)換。
2.3lcd顯示模塊
本系統(tǒng)直接定義niosⅱ控制lcd液晶顯示模塊，利用fpga中的pio接口模擬lcd的接口電路。外圍電路上選用320×240液晶顯示模塊，選用sedl335作為液晶模塊的控制器。
3、fft/dft信號處理模塊的實(shí)現(xiàn)
3.1fifo模塊
ad采樣的數(shù)據(jù)不能立即送到nioscpu中進(jìn)行處理，因為cpu還有許多其他任務(wù)要做，所以只有等ad采集到一定數(shù)量的數(shù)據(jù)之后再讀取采樣數(shù)據(jù)，這樣節(jié)省cpu的時間[5]。因此首先需設(shè)計一個fifo來存儲ad采樣的數(shù)據(jù)，等fifo中的數(shù)據(jù)滿之后再將它們讀取到cpu中進(jìn)行處理。
fifo是一種先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)緩存器，根據(jù)fifo工作的時鐘域,可以將fifo分為同步fifo和異步fifo。本設(shè)計中采用了寬度為16bit，深度為256的異步fifo。
3.2fft/dft處理模塊
根據(jù)dft算法將信號處理的模塊分為乘累加器、平方器、加法器、開方器。
用再內(nèi)建fpga內(nèi)部到16bit雙口ram，可方便地使刷新數(shù)據(jù)和顯示讀出數(shù)據(jù)同時進(jìn)行,而不產(chǎn)生邏輯沖突，同時也保留了結(jié)果的精度，其fpga實(shí)現(xiàn)模塊連接圖如圖2所示。
4、軟件設(shè)計方案
控制系統(tǒng)的主程序采用c語言和匯編語言編寫，程序分為下列幾個部分：采樣數(shù)據(jù)處理、fft轉(zhuǎn)換、標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)定、操作界面和頻譜顯示。
軟件流程圖如圖3所示。
5、實(shí)驗的結(jié)果與分析
給頻譜分析儀輸入峰-峰值為2v、頻率為100hz的方波信號，其信號處理結(jié)果見圖4。從圖4看出輸出的方波頻譜圖只有奇次諧波，沒有偶次諧波，而且此方波的基波、三次諧波、五次諧波和七次諧波的幅值滿足1、1/3、1/5、1/7的理論數(shù)值，這與方波理論頻譜基本相同[6]，表1為其測量值與理論值的對比結(jié)果分析。
通過比對可以驗證分析儀的lcd顯示的頻譜圖形與其輸入信號的理論頻譜數(shù)值基本一致，譜線位置準(zhǔn)確，幅度值與理論誤差較小，該頻譜分析儀較好地完成了測量信號頻譜的要求，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計的要求。
該設(shè)計在分析和利用niosii軟核處理器和頻譜分析儀理論的基礎(chǔ)上，完成儀器硬件和軟件部分的設(shè)計。分析儀采用周期圖法進(jìn)行頻譜分析，這樣可以保證測試結(jié)果較高的分辨率和頻率準(zhǔn)確性；其中fft運(yùn)算模塊采用全硬件級聯(lián)結(jié)構(gòu)，不僅有效滿足了儀器對于信號處理實(shí)時性的要求，同時也節(jié)省了硬件資源；本設(shè)計可重構(gòu)性好,在多種不同的應(yīng)用領(lǐng)域,可根據(jù)實(shí)際需要對模塊進(jìn)行替換升級.選擇高性能ad和大邏輯資源的fpga等可以使性能得到大幅度提升；實(shí)現(xiàn)了片上設(shè)計，降低了系統(tǒng)的成本，實(shí)現(xiàn)了高集成度和可靠度。