基于FPGA的简易频谱分析仪的设计方案

　　1 引言

　　目前，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。

　　针对这种现状提出一种基于FPGA的简易频谱分析仪设计方案，其优点是成本低，性能指标满足教学实验所要求的检测信号范围。

　　2 设计方案

　　图1为系统设计总体框图。该系统采用C8051系列单片机中的 C8051F121作为控制器，CvcloneⅢ系列EP3C40F484C8型FPGA为数字信号算法处理单元。系统设计遵循抽样定理，在时域内截取一段适当长度信号，对其信号抽样量化，按照具体的步骤求取信号的频谱，并在LCD上显示信号的频谱，同时提供友好的人机会话功能。该系统最小分辨率为1 Hz，可分析带宽为0~5 MHz的各种信号。

　　由于单片机C8051 F121内部集成A／D转换器，能够有效测量自动增益控制AGC压差，计算出对输入信号的放大倍数；另外，该单片机内置高速控制内核和丰富的存储器，使其能够控制整个系统；EP3C40F484C8型FPGA内置丰富的存储器资源，确保该系统具有足够的空间存储采集的点数，完成离散傅里叶变换、数字滤波器、数字混频等信号处理。

　　3 理论分析

　　3．1 数字下变频FFT

　　随着高速A／D转换和DSP技术的发展，数字下变频的快速傅里叶变换FFT(Fast Fourier Transform)技术能够有效减少传统FFT技术存在的内存不足。在高中频、高采样率系统中实现信号频谱的高分辨率、低存储量和低运算量，从而极大提高系统的实时性。

　　图2为基于数字下变频的FFT技术的实现原理框图。