基于fpga的电磁环境频谱分析处理器设计与实现

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景以及研究意义在现代科学技术领域里，电子信息系统的应用范围极为广泛，主要有通信、导航、雷达、声纳、地震勘探、医学仪器和射电天文等。在短短几十年的时间里，这些系统几经更新换代，发展极其迅速。70年代以来，微电子集成电路技术、工艺迅猛发展，为复杂的数字信号处理[1]的实现提供了可能，从而将信号处理的发展推向高潮。从此，信号处理的研究不仅限于一般理论和方法的探讨，更多侧重于实现方面，新的实现方法与算法的成果层出不穷。在此基础上发展起来的新一代系统，其优化和自适应性能大

2、大提高，早期系统已经无法与其相提并论。现代信号处理的研究的一个特色是理论与实用研究同步进行，既重视基础理论的研究，又重视实际实现和应用的研究。如今数字信号处理技术已深入到各个学科领域，其应用又是多种多样的，但数字信号处理基本上从两方面来解决信号的处理问题：一个是时域方法，即数字滤波；另一个是频域方法，即频谱分析。处理的任务大致分为三类：卷积：用于各种滤波器，对给定频率范围的原始信号进行加工(通过或滤出)来提高信噪比；相关：用于信号比较，去除随机事件而放大重复的信号；变换：用于分析信号的频率内容。其中DFT(离散傅

3、立叶变换)是最基本也是最常用的运算。由数字信号处理的基本理论可知，谱分析等可以转化为DFT来实现；此外，各种系统的分析、设计和实现中都会用到DFT的计算问题。所以，DFT在各种数字信号处理中起着核心作用，DFT的快速算法FFT(快速傅立叶变换)就成为了数字信号处理的最基本技术之一[2]，是谱分析的必要前提，在雷达处理、观测、跟踪、定时定位处理、高速图像处理、保密无线通讯和数字通信、匹配滤波等的应用上极为广泛，而在很多应用领域都要求FFT处理器具有高速度、高精度、大容量和实时处理的性能[3]。随着EDA(电子设计自

4、动化技术)和微电子技术的进步，FPGA的时钟延迟可达到ns级，结合其并行工作方式，在超高速、实时测控方面有非常广阔的应用前景，并且FPGA具有高集成度、高可靠性等特点，在电子产品设计中将得到广泛的应用。FPGA器件的另一特点是可用硬件描述语言对其进行灵活编程。利用厂商提供的软件可仿真硬件的功能，使硬件设计如同软件设计一样灵-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文活方便，缩短了系统研发周期。利用JTAG接口可对其进行ISP(InSystemProgrammable)，提高了系统的灵活性。随着FPGA芯片集成度的提高，单

5、片FPGA内拥有大量的逻辑单元并集成了RAM、ROM以及I/O等，从而使SOC(Systemonachip)成为现实。HDL是硬件设计者和电子设计自动化之间的界面，用于数字电路描述、模拟和自动设计。在大规模数字系统的设计中，它逐步取代逻辑状态表和逻辑电路图成为主要的硬件描述工具[4]。由于FPGA不论在民用中，还是在军事领域，都因其具有可靠性高、保密性好、开发成本低、研发周期短、方便灵活等优点而得到了广泛应用与重视，FPGA成为复杂的数字电路或器件开发的必备手段，而且越来越多的功能或系统已经直接用FPGA来实现，

6、尤其在超高速信号处理和实时测控方面有非常广泛的应用，因此非常适合高速FFT算法的实现。1.1相关技术的发展和研究现状1.2.1频谱分析处理器的发展和现状自20世纪30年代末发明阴极射线管以来，既出现以时间扫描方式显示信号的示波器，也有以扫频方式显示信号的频谱分析仪。40年代的频谱分析仪是以扫频的射频接收机为基础的实验室成果，50年代至60年代才真正有了台式频谱分析器，这种模拟的扫频接收机，带有大量开关和控制按纽，操作复杂，完全手动控制扫描的频率范围和分辨率。由于参数之间的相互影响，操作者要小心选择正确的设置，才能

7、使得测量结果有效。频谱分析仪在当时属于昂贵的实验室设备。HP公司在1964年生产出半自动频谱分析仪，Microni公司和TEK公司也是高性能模拟频谱分析仪的生产商，对频谱分析仪的发展作出过积极贡献。70年代的频谱分析仪在频段上扩展到18GHz，但是在设计原理上没有创新。80年代微处理器的普及和数字技术的应用，使频谱分析仪的面目一新，操作简便，测量结果全数字化，典型产品是HP8566/8568系列。90年代频谱分析仪向小型，轻便，宽带发展，例如采用ASIC，FPGA实现，极大的提高了集成度和处理速度，如今频谱分析仪

8、对射频工程师来说是必不可少的测试工 具[5]。-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.1FFT处理器的研究现状作为频谱分析处理器的核心部分FFT模块其实现形式主要有两种:(1)一种是使用单片机或DSP，通过软件编程来实现。利用软件编程来实现FFT，虽然有很大的灵活性，但受DSP本身性能及程序指令顺序执行的限制，难以实现高速、大规模的FFT运算。(2)另一种是应用专用FFT