毕业设计信号频谱分析开题报告

唐 山 学 院

毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目： 基于FPGA的信号频谱分析仪设计与实现

信息工程 系 别：_________________________ 电气工程机器自动化 专 业：_________________________ 丁举龙 姓 名：_________________________ 郭耀华 指 导 教 师：_________________________ 郭耀华 辅 导 教 师：_________________________

2012年

03月07日

题目类型(打√选择) 一、文献综述

设计(√ )

论文( )

在现实生活中对于信号进行频谱分析具有重要的意义。通过对信号频谱的分析，可以得到信号的 频率结构，了解信号的频率成分或系统的特征。在此基础之上，可实现对信号的跟踪控制，从而实现 对系统状态的早期预测，发现潜在的危险并诊断可能发生故障的原因，对系统参数进行识别及校正。 因此，频谱分析是揭示信号特征的重要方法，也是处理信号的重要手段。这些方法和手段己经广泛地 应用于通信、雷达、地震、声纳、生物医学、物理、化学、音乐、经济等领域。而进行频谱分析的仪 器就是频谱分析仪，它能自动分析电信号并在整个频谱上显示出全部频率分量情况，确定一个变化过 程(称为信号)的频率成分，以及各频率成分之间的相对强弱关系。 信号的频谱分析不仅在现实生活中具有重要的意义，同样在教学过程中也是不可或缺的，由于频 谱分析仪价格昂贵，高等院校只是少数实验室配有频谱仪。但电子信息类教学，如果没有频谱仪辅助 观察，学生只能从书本中抽象理解信号特征，严重影响教学实验效果。 目前看来信号频谱的分析与实现的方案主要有基于 FPGA 同时结合 DSP 技术或者是单片机技术 等。其显示主要有通过示波器或者 LCD 或者 VGA 等。目前主要设计方案如下： 比如文献3采用了单片机 C8051和 FPGA,外加高速 A/D 转换器设计一种简易的频谱分析仪。该系 统主要包括信号采集、频谱搬移、数字滤波、数字 FF 和 LCD 显示。 文献6则采用基于 FFT 的方案，采用 NIOS Ⅱ软件核作为 CPU,以 FPGA,LCD,DDS 芯片和 AD 芯片以及一些外围电路组成系统，完成信号采集，数据分析，FFT 变换,,对连续性周期和非周期信号 的频谱分析，然后直接在 LCD 上显示信号的频谱特性曲线。 文献7采用外差式原理，以单片机为核心，辅助以 FPGA 等设计并实现频谱分析。扫频信号采用 DDS 信号合成技术和倍频来获得,通过 AD 转换器对取真有效值后的中频信号进行采样并存入 FPGA, 单片机对数据进行处理后再通过 FPGA 将频谱图显示在示波器上。 文献8介绍了一种基于 FPGA 信号的采集及其频谱的分析和显示方法。FPGA 集成了 A/DC 控制驱 动模块、FFT 运算模

块和 VGA 控制驱动模块。 通过以上文献分析，主要采用3种方法实现信号的频谱分析: 采用通用数字信号处理芯片实现、采 用专用 FFT 芯片+ DSP 芯片实现和采用 FPGA 实现。 DSP 存在着精度与速度的矛盾,而 FPGA 除具有逻 辑时序控制的优势外,还因其可实现大量的乘法器和存储器而具有运算能力强的优势。 FPGA(Field-Programmable Gate Array)是一类高集成度的可编程逻辑器件，起源于美国的 XILINX 公司，经过二十多年的发展 FPGA 发展不断完善而且日趋成熟。FPGA 结合了微电子技术、电 路技术、 EDA 技术， 使设计者可以集中精力进行所需逻辑功能的设计。 与专用集成电路 ASIC (Application Specific Integrated circuit)相比，FPGA 具有灵活性高、设计周期短、成本低、风险小等优势。FPGA 是现场可编程门阵列的简称。之所以赋予这个名字，一方面是因为 FPGA 可以由编写代码的方法实现 复杂的逻辑电路，另一方面因为其内部本身是由规则的逻辑阵列组成，非常类似一个由门阵列构成的 阵列。本次设计就是在 FPGA 的基础上实现信号的频谱分析。

二、设计(论文)主要内容 设计内容为以 FPGA 为核心器件，采用 AD 转换器对外部 0~10MHZ 信号进行数据采集，将采集到 的数据通过串口与上位机进行通信，在上位机中应用虚拟仪器设计频谱分析仪，对采集的信号进行频 谱分析和显示。 设计要求： (1)熟练使用设计所依赖的软件开发平台，熟悉 VHDL 语言； (2)熟悉信号频谱分析理论，编写程序实现对采集信号的频谱分析； (3)编写串口数据传输程序，实现 FPGA 与上位机之间的数据通信； (4)熟悉 LABVIEW 语言，在上位机设计分析仪实现信号频谱分析和显示；

三、设计(研究)方案 设计方案如图一所示输入模拟电压信号，通过 A/D 转换器转化成数字信号，然后传到 FPGA 进行 处理，进行存储后传到上位机中，在上位机中应用虚拟仪器中编写程序完成 FFT 算法，再传送到 FPGA 中处理，然后通过虚拟仪器在显示器上显示出来。 FPGA输 入 信 换 号 器 集 数 据 采 向 据 制 发 器 送 双 数 控

A/D转图一 设计

RAM

计算机显 示

虚拟仪器实 现 FFT 算法器

图

四、工作进度安排 阶段 1 2 3 4 5 6 7 8 应完成的主要工作 计划起止时间 第 1-2 周 第 3-4 周 第 5-8 周 第9周 第 10-14 周 第 15 周 第 16 周 第 17 周

文献检索、根据毕业设计要求开题，并写出开题报 对设计任务进行分析，确定设计方案，并对方案进行可行性论证 根据设计方案，编写各个模块程序，对各个模块进行时序仿真 毕业实习 对硬件电路和软件进行调试 撰写毕业论文 准备毕业答辩 毕业答辩

五、主要参考文献 [1] 焦素敏. EDA

应用技术[M].清华大学出版社,2002.4:83-89 [2] (巴西)Mark Zwolinski.VHDL 数字系统设计[M].北京：电子工业出版社, 2007.1 [3] 张春水.张佳培等. 基于 FPGA 的简易频谱分析仪[J].电子设计工程,2009.8 [4] 潘松. EDA 技术实用教程(第三版)[M]. 北京：科学出版社, 2006.8 [5] 王彦. 基于 FPGA 的工程设计与应用[M]. 西安：西安电子科技大学出版社, 2007.2 [6] 陈宇浩, 钱剑敏等. 基于 FPGA 和 NIOS Ⅱ的频谱分析仪的设计[J].微型电脑应用.2009.7 [7] 杨宇卓，丁梅. 基于 FPGA 的简易频谱分析仪[J].软件导刊.2007.7 [8] 黄 翔，王小华等. 基于 FPGA 的频谱分析仪的设计与研制[J].微型机与应用.2011 [9] 于超，陈光武等. 基于 FPGA 的信号采集及其频谱显示[J].液晶与显示.2008.8

六、指导教师意见

签字： 年 月 日

七、系毕业设计( 论文)工作领导小组意见

签字： 年 月 日