基于FPGA的频谱仪数字单元设计与实现

发布时间：2017-06-16 19:11

  本文关键词：基于FPGA的频谱仪数字单元设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：太赫兹频谱仪在大气痕量气体观测、生命科学、安全检测等方面有重要应用。太赫兹技术的发展对频谱仪的带宽、谱分辨率及稳定性提出了较高的要求。本文正是在这样的背景下旨在设计一个基于FPGA的频谱仪数字单元,希望能在临边探测等领域得到应用,并为相关研究提供技术基础。频谱仪在发展过程中主要产生了四种类型的频谱仪。早期的频谱仪为多通道滤波器组,这种频谱仪造价昂贵,需要严格控制机械公差,易造成信道串扰,因此已经被其他技术取代。后来出现的声光频谱仪,具有体积小、功耗低的特性,最大带宽在1到2GHz范围,其缺点是结构比较复杂,对工作环境要求甚高。随着宽带多位高速ADC的发展,Xilinx FPGA存储和实时高速处理数字信号的能力大大提高,FFT IP核的功能逐渐完善,性能大幅提高,使得设计超宽带、高分辨率FFT频谱仪成为可能。本论文在研究频谱仪和FFT原理的基础上,设计了一种基于FPGA的太赫兹频谱仪数字单元设计方案。论文首先介绍了太赫兹频谱仪的发展历程,并对频谱仪的实现原理进行了总结。然后详尽介绍了频谱仪数字单元的硬件和软件设计。该数字单元硬件部分由四路ADC完成2.4 GHz信号采样,一片FPGA芯片完成信号复用和FFT频谱运算,ADC选用ADC083000,FPGA芯片为Xilinx Virtex-5系列。软件方面详细介绍了系统结构、数据流程和部分实验结果。由VHDL编程实现对系统各部分功能的控制,主要的功能模块包括时钟模块,锁相环三线编程模块,多路复用模块,FFT模块,FIFO和串口传输模块等。最后搭建了完整的测试环境,通过ChipScope工具进行了功能验证,该数字单元稳定可靠,可以运用于太赫兹频谱仪中。
【关键词】：太赫兹 频谱仪 FPGA FFT 数字单元 ChipScope
【学位授予单位】：中国科学院国家空间科学中心
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM935.21
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 引言10
• 1.2 太赫兹频谱仪的发展10-16
• 1.3 太赫兹频谱仪的应用需求16-18
• 1.3.1 太赫兹频谱仪在大气观测中的应用16-17
• 1.3.2 太赫兹频谱仪在安全检测中的应用17-18
• 1.3.3 太赫兹频谱仪在生命科学中的应用18
• 1.4 论文主要研究内容18-20
• 第二章 FFT频谱仪基本理论20-28
• 2.1 信号采样理论20-22
• 2.1.1 信号的描述方法20-21
• 2.1.2 奈奎斯特采样定理21-22
• 2.2 FFT频谱分析仪的原理22-25
• 2.2.1 基-2 FFT算法23-24
• 2.2.2 DFT与FFT算法复杂度比较24-25
• 2.3 频谱分析仪的分类25-26
• 2.4 频谱分析仪的重要参数26-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第三章 频谱仪数字单元硬件设计28-44
• 3.1 引言28-29
• 3.2 频谱仪数字单元硬件设计方案29-31
• 3.3 FPGA相关技术简介31-36
• 3.3.1 Xilinx Virtex-5 系列芯片31-34
• 3.3.2 FPGA开发流程34-36
• 3.4 ADC及其控制电路36-38
• 3.4.1 ADC复位电路控制37-38
• 3.5 时钟芯片与时钟同步方案38-40
• 3.6 电源芯片和电源系统设计40-41
• 3.7 接口电路及PCB设计41-42
• 3.8 本章总结42-44
• 第四章 频谱仪数字单元系统实现44-62
• 4.1 频谱仪数字单元系统结构44-45
• 4.2 VHDL编程各模块的实现45-55
• 4.2.1 时钟信号45-47
• 4.2.2 FFT算法简介47-48
• 4.2.3 FFT IP核功能实现48-55
• 4.3 利用ChipScope对系统进行功能验证55-60
• 4.4 本章总结60-62
• 第五章 总结与展望62-64
• 5.1 论文总结62-63
• 5.2 论文展望63-64
• 致谢64-66
• 个人简历与在学期间发表的论文66-68
• 参考文献68-69

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 占席春;蔡费杨;王伟;;多路并行FFT算法的FPGA实现技术[J];现代电子技术;2015年19期

2 苏斌;刘畅;潘志刚;;基于FPGA的高速浮点FFT/IFFT处理器设计与实现[J];中国科学院大学学报;2015年02期

3 刘尚建;余菲;李凯;周静;;太赫兹光谱与成像在生物医学领域中的应用[J];物理;2013年11期

4 黄翔;王小华;黄学新;;基于FPGA的频谱分析仪的设计与研制[J];微型机与应用;2011年24期

5 刘彬杰;吴廷婷;;基于Xilinx FPGA IP核的FFT算法的设计与实现[J];内江科技;2011年04期

6 李辉;岳田;;在FPGA设计中ChipScope与MATLAB的应用[J];无线电工程;2010年01期

7 刘盛纲;钟任斌;;太赫兹科学技术及其应用的新发展[J];电子科技大学学报;2009年05期

8 王超;黄显高;;高速数据采集系统的电源设计研究[J];西安邮电学院学报;2009年05期

9 卜凡亮;行鸿彦;;太赫兹光谱技术的应用进展[J];电子测量与仪器学报;2009年04期

10 黄魁;林远斌;吴腾芳;刘定;;国外爆炸物探测与识别技术综述[J];爆破器材;2007年03期

中国硕士学位论文全文数据库 前4条

1 王亚琴;干涉光谱成像数据处理的FPGA实现[D];中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所);2012年

2 赵月凤;微波临边探测仪系统研究与设计[D];中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）;2011年

3 杨硕;现代频谱分析仪中关键信号处理算法的研究及其FPGA实现[D];西北师范大学;2011年

4 丁娜;虚拟频谱分析仪的设计与实现[D];西南交通大学;2003年

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本文编号：456225