一、項目實現構思

背景分析

隨著信息技術的不斷提高，信號測量越來越復雜，測量儀器也變得越來越多，從而使得儀器的集成化成為當今測量儀器發展的熱點。NI、安捷倫、泰克等國內外企業也已經在這個方面進行研究，而且現在越來越多的以通信類和消費類為代表的電子產品都工作在中低頻段，傳統的頻譜分析儀大都采用超外差法對信號進行處理，利用這種方法可以對高頻率信號進行分析和測量，但難于實現中低頻信號分析，而目前國內外相應的分析儀器尚未成熟。

本系統以MicroBlaze為核心處理芯片，將對中低頻信號的頻域分析，時域分析和系統網絡分析功能融合為一體，并可作為獨立信號源，同時高載頻信號經分析解調后得出基帶信號可以進而實現傳統儀器的功能。

特色描述

本系統基于Spartan 3E平臺，運用嵌入式技術，可獨立完成中低頻信號的時域分析、頻域分析、矢量網絡分析及顯示。其外圍具有UART、JTAG等通訊接口，可方便與PC機及其他通訊設備鏈接，并可集成于高一級系統。系統內部利用高速A/D轉換器及高性能MicroBlaze芯片對模擬信號進行實時采集及處理，保證了系統的高精度和高可靠性，同時系統具有友好的人機交互界面，操作方便。

創新點描述

系統利用信號的實時采集處理技術，可實現對DC~20MHz信號進行綜合分析，克服了傳統超差分技術難以實現低頻信號分析的局限性。

系統將信號產生、時域分析、頻域分析和矢量網絡分析基于一體。

a. 信號產生

利用DDS芯片產生需求的信號，并可作為信號發生器應用。

b. 頻譜分析

對信號的頻率、功率、失真及被測件的增益和噪聲特性進行測量。

c. 時域分析

通過解調得到基帶信號，確定信號的幅度、頻率和調制度等參數。

d. 系統網絡分析

測量系統幅頻特性，進行傳輸損耗（或增益）、回波損耗和絕對功率的測試。

本系統基于嵌入式平臺，不僅獨立實現了信號的實時采集與分析，還可以利用外圍通訊接口與PC等設備連接，可集成于高一級系統。

應用市場分析

DC～20MHz的中低頻信號涵蓋科研及生產生活中的大部分應用，如移動通信、消費電子等等，然而傳統儀器比較適合處理高頻信號，面向中低頻的成熟產品還未普及，這類電子產品的分析測試、維護維修成為一個很大的問題，本系統作為對中低頻信號的時域、頻域特性及系統網絡特性進行分析的綜合儀器可以解決這個問題，填補該領域的應用空白，具有極高的應用價值和廣闊的市場前景。

二、項目實現方案

系統架構圖：

本系統采用MicroBlaze作為軟核處理器，首先從外部端口輸入信號或FPGA驅動DDS芯片產生信號，然后對信號進行前端調理，再經高速度高精度A/D轉換器轉換為數字信號，再由FPGA實時存儲，得到待處理信號。根據鍵盤命令，處理器對存儲數據進行相應的時域、頻域或系統網絡分析，得到信號的時域、頻域和系統網絡特性，再將獲得的信號參數由LCD顯示。

關鍵模塊分析：

2.1 DDS信號產生模塊

本模塊采用AD9859，它內部集成了有極好帶寬和窄帶SFDR性能的高速10位DAC，提供14位相位失調調整，32位頻率分辨率和10位幅度控制和500MSPS的DDS芯片。本模塊用于產生頻率小于20M的中低頻信號，此信號用于系統的自校準，消除系統測量誤差和進行系統網絡特性分析。

2.2 A/D轉換模塊

本模塊將FPGA產生的模擬信號先經過前端調理，然后送入LTC1407A-1提供了模數轉換器進行轉換，以14位－2個輔助二進制值的形式輸出，完全可以較好的完成對20MHz以下信號進行轉換。

2.3 FPGA前端控制模塊

此模塊的主要功能為：

控制AD9959產生模擬信號并對其幅度、相位、頻率進行調整。

控制A/D轉換器將模擬信號轉換為數字信號。

將轉換后的數字信號進行實時存儲。

2.4 MicroBlaze處理模塊

該模塊為本設計的主要模塊，充分發揮MicroBlaze芯片的處理能力，完成對信號的分析。它分為時域分析、頻域分析、系統網絡分析三個子模塊，完成對信號的綜合分析。

2.4.1 時域分析模塊

本模塊先將FPGA中的數字信號進行提取并緩存，然后根據調制信號的各項參數，對數字信號進行調，然后進行分析對比得出信號幅度、有效值、調幅度、調頻指數等典型參數。

2.4.2 頻域分析模塊

本設計為填補應用領域的空白而面向中低頻信號的分析，由AD采樣量化后直接進行頻域分析，而不采用傳統的超外差式混頻處理。

主要算法：FFT。數據采集存儲后，在FPGA芯片內部編寫高效程序完成信號的FFT變換，采用基二時域抽取法FFT，N點DFT可分解為兩個N/2點的DFT和如下兩式的運算。

N個數據的FFT需要的復乘和復加運算次數分別為 。當N較大時，運算量相對于DFT大大減少，優越性明顯。

2.4.3 系統網絡分析模塊

（1） 雙端口系統網絡分析

FPGA驅動DDS芯片產生一特定頻率特定幅度的信號a（t），此信號從雙端口網絡的輸入端輸入，得到輸出信號b（t），利用頻譜分析模塊獲得b（t）的頻譜函數B（jnw），因為a（t）信號為已知，其頻譜函數為A（jnw），利用MicroBlaze進行處理可得雙端口網絡系統函數H（jnw），從而實現雙端口網絡的分析。

（2） 四端口系統網絡分析

對系統四端口網絡的分析主要是求解系統的四個參數 。由圖可知，

因為為常數，利用FPGA驅動DDS芯片產生四種特定的不同幅度、相同頻率的信號輸入待測系統，利用時域分析模塊測量輸出點的電壓，從而可以得到四個方程，利用這四個方程既可就得系統的S參數，從而實現系統四端口網絡的分析。

軟件流程如圖所示