基于Vivado的频谱显示系统设计与实现

发布时间：2017-06-19 16:10

  本文关键词：基于Vivado的频谱显示系统设计与实现，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：信号频谱分析在通信、信号检测与分析、数字信号处理等工程中应用广泛。随着系统复杂度的增加,对于频谱分析的精确度及实时性等方面也提出了更高的要求。FFT(Fast Fourier Transformation)是实现频谱的一种重要方法,因此设计一种基于FFT算法的实时频谱显示系统在数字信号处理中具有重要作用。课题在分析FFT算法的基础之上,利用基于Vivado的软硬件协同设计方法,以Xilinx公司的Zynq为开发平台,设计并实现了一种可以实时、可靠显示音频频谱的系统。主要工作有:(1)基于Vivado HLS(High Level Synthesis)高层次综合工具设计FFT IP(Intellectual Property Core)。利用HLS工具对使用C语言编写的FFT算法进行仿真和RTL级验证,并对FFT IP在占用资源和处理数据速度方面进行优化,最终生成了一个RTL(Register Transfer Level)级的可以处理实数和复数的FFT IP,可以在Vivado硬件开发中使用。(2)利用Verilog语言设计OLED(Organic Light-Emitting Diode)IP。借助Xilinx提供的IP搭建OLED硬件系统,利用SDK(Software Development Kit)编写OLED驱动程序,将软硬件部分结合起来在Zed Board开发板上验证OLED IP和驱动程序。(3)设计音频驱动程序。驱动是根据Xilinx提供的音频IP和Zed Board开发板外围的音频芯片ADAU1761来进行设计的,使用音频IP搭建测试音频驱动系统,验证设计的音频驱动程序。(4)设计并实现频谱显示系统。利用FFT IP、OLED IP、音频IP以及Xilinx提供的其它IPs搭建音频频谱显示系统,在SDK中编写整体系统的控制程序,在OLED上实时显示频谱。使用HLS生成的FFT IP设计频谱显示系统对单频正弦信号进行频谱处理,并和Xilinx的FFT IP设计的频谱显示系统的结果进行对比,分析两次实验的性能和资源消耗情况。实验结果表明音频信号经过频谱显示系统处理之后,可以在OLED上实时显示音频信号频谱,证明设计的FFT IP是正确的,同时也表明软硬件协同设计方法能够充分利用FPGA的并行处理的能力和软件实现方式的灵活性,为实际应用中提供一种实用的设计方法。
【关键词】：FFT IP Vivado 软硬件协同设计 高层次综合 FPGA
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN911.6
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 1 绪论9-13
• 1.1 课题背景与意义9
• 1.2 数字信号实现方式的发展9-11
• 1.3 主要工作和章节安排11-13
• 2 FFT原理和开发工具13-25
• 2.1 FFT算法原理13-18
• 2.1.1 直接计算DFT的特点13-15
• 2.1.2 基-2 时域抽取法15-18
• 2.2 IP介绍18-19
• 2.3 Vivado HLS工具19-24
• 2.3.1 HLS工具开发原理19
• 2.3.2 HLS工具开发流程19-21
• 2.3.3 HLS应用领域21-22
• 2.3.4 HLS优化设计22-24
• 2.4 本章小结24-25
• 3 频谱显示系统设计25-66
• 3.1 开发平台介绍25-29
• 3.1.1 Xilinx Zynq平台介绍25-26
• 3.1.2 软硬件协同设计原理26-28
• 3.1.3 硬件开发环境28-29
• 3.1.4 软件开发环境29
• 3.2 频谱显示系统设计29-30
• 3.3 FFT IP设计30-49
• 3.3.1 FFT算法31-34
• 3.3.2 FFT的C模型实现34-44
• 3.3.3 HLS对FFT进行优化44-47
• 3.3.4 FFT优化前后结果对比47-49
• 3.4 OLED IP设计49-59
• 3.4.1 OLED IP整体设计49-52
• 3.4.2 OLED IP实现52-56
• 3.4.3 OLED IP测试程序设计56-59
• 3.5 音频驱动设计59-65
• 3.5.1 音频控制器介绍60-61
• 3.5.2 音频驱动设计61-63
• 3.5.3 设计测试程序63-65
• 3.6 本章小结65-66
• 4 频谱显示系统实现66-77
• 4.1 硬件系统实现66-68
• 4.2 软件程序实现68-71
• 4.3 系统测试及结果分析71-75
• 4.3.1 测试特定频率的信号72-73
• 4.3.2 测试MP3 音频信号73-74
• 4.3.3 结果分析74-75
• 4.4 本章小结75-77
• 5 总结与展望77-79
• 5.1 全文工作总结77-78
• 5.2 未来工作展望78-79
• 致谢79-80
• 参考文献80-83
• 附录A 采用HLS FFT IP设计的系统83-84
• 附录B Real FFT IP的组成84-85
• 附录C 采用Xilinx FFT IP设计的系统85-86
• 附录D 测试频谱系统的主程序中main函数代码86-87
• 攻读学位期间发表的学术论文目录87-89

【参考文献】

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本文编号：463040