基于LabVIEW與FPGA虛擬頻譜分析儀的設(shè)計與實現(xiàn).pdf

1、頻譜分析儀在通信、雷達監(jiān)測等領(lǐng)域的科學研究中，發(fā)揮日益重要的作用。具有寬帶信號采樣、深存儲捕獲、實時寬帶譜分析、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)的實時數(shù)字頻譜分析儀逐漸成為研究熱點。隨著計算機性能和嵌入式技術(shù)飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的大型、高集成化的儀器正逐漸朝著小型化和虛擬化的方向發(fā)展，而將PC機與硬件器件結(jié)合的虛擬儀器技術(shù)日益成為主流方式。本文主要討論了虛擬儀器技術(shù)與SOPC技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)高性能實時頻譜分析儀的設(shè)計方案。
　　首先從闡述頻譜分析儀的

2、技術(shù)理論，總結(jié)了頻譜儀的技術(shù)特點及要求，并根據(jù)實時頻譜分析儀的工作原理和系統(tǒng)所要求的技術(shù)指標，設(shè)計了以FPGA為硬件基礎(chǔ)，LabVIEW為軟件核心的高性能虛擬頻譜分析儀系統(tǒng)，并分析了相關(guān)技術(shù)中可能存在誤差的關(guān)鍵技術(shù)指標。在此基礎(chǔ)上結(jié)合寬帶數(shù)字中頻系統(tǒng)的應(yīng)用需求，提出了適用于LabVIEW與FPGA高速協(xié)同處理數(shù)據(jù)的方案:首先射頻前端根據(jù)帶通采樣定理對模擬高頻信號采樣，接著采用數(shù)字下變頻將信號從高頻轉(zhuǎn)為中頻，保證有效信號不失真的情況下，對

3、信號數(shù)據(jù)進行抽取濾波處理，得到低速率基帶信號，在此基礎(chǔ)上完成后續(xù)的FFT處理，提取所需的頻譜信息，實現(xiàn)整個頻譜儀的頻譜測量功能。
　　接下來文章論述了虛擬頻譜分析儀的硬件系統(tǒng)架構(gòu)。總體介紹了數(shù)字中頻的硬件結(jié)構(gòu)和在FPGA數(shù)據(jù)傳輸中各模塊的設(shè)計，包括數(shù)字中頻信號處理模塊、大容量數(shù)據(jù)存儲模塊、高速數(shù)據(jù)傳輸模塊及Qsys系統(tǒng)的構(gòu)建。并給出了各個模塊的算法原理與仿真測試結(jié)果。
　　此外，虛擬頻譜分析儀應(yīng)用軟件程序是在計算機硬件環(huán)境下

4、進行設(shè)計開發(fā)，將計算機作為硬件設(shè)備和LabVIEW軟件來實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器設(shè)備的分析和處理機制。在數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計上，通過USB端口連接下位機FPGA板卡完成數(shù)據(jù)采樣和存儲控制，利用自主開發(fā)的API和LabVIEW中豐富的庫函數(shù)，實現(xiàn)上位機數(shù)據(jù)接收。在功能模塊和子VI的設(shè)計上，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)優(yōu)勢，采用特有的G語言進行開發(fā)，對采集到的信號或已存儲好的信號文件進行分析，通過不同的控件和函數(shù)實現(xiàn)對輸入信號的時域分析、頻域分析、信號處理分析和顯示功能等

5、等。
　　本文介紹的虛擬頻譜分析儀，具有操作簡單、良好的UI、頻譜分析效率高、性能功能強大等特點，且支持二次開發(fā)。儀器的界面通過計算機的顯示器顯示，比傳統(tǒng)頻譜儀的LCD顯示更加清晰和多樣化，各類控制器件設(shè)計與實物相似，用戶通過前面板進行分析邏輯操作，實現(xiàn)頻譜儀的功能。系統(tǒng)具有較高的傳輸性能，測試結(jié)果誤差即分辨率帶寬在2％范圍內(nèi)，頻譜范圍覆蓋至1.5GHz，且最大信號帶寬達56MHz，因此滿足工程應(yīng)用使用需求。且采用的SOPC技術(shù)能