一種實(shí)時(shí)頻譜儀中幀檢波器的FPGA 實(shí)現(xiàn)

郭 靜，何鵬

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，山東 青島 266555)

0 引言

隨著無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的快速發(fā)展，信號(hào)越來(lái)越呈現(xiàn)出復(fù)雜性、瞬變性、傳輸快、高帶寬等特點(diǎn)，對(duì)射頻信號(hào)的測(cè)試和檢測(cè)要求越來(lái)越高，信號(hào)測(cè)量分析技術(shù)的發(fā)展也面臨著很大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇[1-3]。傳統(tǒng)的頻譜儀由于不能進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，容易導(dǎo)致突發(fā)瞬變信號(hào)的遺漏，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足復(fù)雜信號(hào)對(duì)頻譜分析和測(cè)試的需求。為滿(mǎn)足復(fù)雜電磁環(huán)境下的信號(hào)測(cè)試工作需要，實(shí)時(shí)頻譜分析儀應(yīng)運(yùn)而生并得到了快速發(fā)展[4-5]。

實(shí)時(shí)頻譜分析儀具有無(wú)縫數(shù)據(jù)處理能力[6-7]，實(shí)時(shí)處理FFT 模塊完成時(shí)域數(shù)據(jù)到頻域數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，得到每秒數(shù)十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)數(shù)量級(jí)的頻譜幀，如此龐大的數(shù)據(jù)量不僅難以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而且更無(wú)法實(shí)時(shí)顯示[8]，因此需要實(shí)時(shí)檢波技術(shù)來(lái)解決傳輸和刷新的瓶頸。傳統(tǒng)實(shí)時(shí)頻譜儀中的幀檢波器通常采用RAM 資源進(jìn)行實(shí)現(xiàn)[9-10]，在檢波過(guò)程中需要對(duì)RAM 進(jìn)行讀、寫(xiě)地址的控制，控制方法較為繁瑣且占用邏輯資源。本文提出了一種基于FPGA FIFO 資源實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)檢波器，不需要控制讀寫(xiě)地址，只需控制新來(lái)的頻譜數(shù)據(jù)與FIFO 中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)一一比較或累加后重新寫(xiě)入FIFO，實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單且占用邏輯資源較少。

實(shí)時(shí)頻譜儀具有可變分析帶寬功能，可變分析帶寬濾波器通帶外的頻譜數(shù)據(jù)不需要進(jìn)行顯示，在檢波運(yùn)算前剔除分析帶寬外的數(shù)據(jù)，可以減小后續(xù)信號(hào)處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫Γ虼吮疚脑跈z波運(yùn)算前增加了是否為分析帶寬內(nèi)顯示點(diǎn)的判斷。

1 實(shí)時(shí)檢波器原理

實(shí)時(shí)頻譜儀數(shù)據(jù)處理組成框圖如圖1 所示。中頻輸入信號(hào)通過(guò)ADC 采樣，采樣后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)下變頻與可變分析帶寬數(shù)字濾波后無(wú)縫進(jìn)行實(shí)時(shí)FFT 頻譜計(jì)算[11-12]，實(shí)時(shí)檢波器將多幀F(xiàn)FT 頻譜數(shù)據(jù)根據(jù)不同檢波方式保留不同信號(hào)特征，壓縮成1 幀頻譜數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行刷新顯示。本系統(tǒng)中ADC 采樣率為204.8 MHz，最大分析帶寬下數(shù)字下變頻濾波經(jīng)過(guò)2 倍抽取形成102.4 MHz速率的IQ 數(shù)據(jù)，若進(jìn)行1 024 點(diǎn)數(shù)的FFT 運(yùn)算，每秒可形成10 萬(wàn)幀頻譜數(shù)據(jù)。為了適應(yīng)人眼可識(shí)別的數(shù)據(jù)刷新頻率，需要進(jìn)行實(shí)時(shí)幀檢波處理，即每4 000 幀頻譜檢波輸出1 幀頻譜，形成每秒25 幀的刷新頻率[13]。

圖1 實(shí)時(shí)頻譜儀數(shù)據(jù)處理框圖

實(shí)時(shí)頻譜分析儀參考傳統(tǒng)頻譜儀中的視頻檢波算法，同時(shí)考慮到數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性，引入了正峰值、負(fù)峰值、平均值和實(shí)時(shí)刷新四種檢波方式[14-15]。圖2為對(duì)兩幀頻譜經(jīng)過(guò)不同檢波方式輸出的頻譜圖，正峰值檢波畫(huà)出了所有頻點(diǎn)的最大值包絡(luò)，負(fù)峰值檢波選取每個(gè)頻點(diǎn)最小值的信號(hào)進(jìn)行顯示，平均值檢波對(duì)每個(gè)頻點(diǎn)的值求平均值，實(shí)時(shí)刷新檢波則僅選擇輸出一幀頻譜數(shù)據(jù)。不同的檢波方式有利于觀察不同特征的信號(hào)，正峰值檢波有利于保留突發(fā)信號(hào)的信息，負(fù)峰值檢波有利于消除突發(fā)信號(hào)的影響，平均值檢波有利于提高小信號(hào)的測(cè)量能力，實(shí)時(shí)刷新檢波有利于觀察檢波前原始信號(hào)的頻譜。

圖2 不同檢波方式輸出的頻譜圖

2 實(shí)時(shí)檢波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 分析帶寬內(nèi)顯示點(diǎn)計(jì)算

實(shí)時(shí)頻譜儀具有可變分析帶寬功能，顯示的頻譜數(shù)據(jù)為分析帶寬內(nèi)的數(shù)據(jù)，因此原始的頻譜數(shù)據(jù)需要根據(jù)用戶(hù)設(shè)定的頻點(diǎn)間步長(zhǎng)、分析帶寬和FFT 點(diǎn)數(shù)來(lái)進(jìn)行截?cái)啵蕹治鰩捦獾臄?shù)據(jù)。顯示點(diǎn)數(shù)計(jì)算公式如式(1)所示：

式中，ShowNum為顯示點(diǎn)數(shù)；BW為分析帶寬，Hz；Step為頻點(diǎn)間步長(zhǎng)，Hz。

以60 MHz 分析帶寬、100K 步長(zhǎng)為例，該參數(shù)設(shè)置下上位機(jī)軟件自動(dòng)關(guān)聯(lián)的FFT 點(diǎn)數(shù)為1 024 點(diǎn)，通過(guò)式(1)計(jì)算出顯示點(diǎn)數(shù)為601 點(diǎn)，需要選取1 024 點(diǎn)頻譜數(shù)據(jù)中間的601 點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的處理與顯示，前后兩端共423 個(gè)點(diǎn)應(yīng)該被剔除。在本文中對(duì)輸入的每一幀頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)數(shù)計(jì)數(shù)編號(hào)，通過(guò)該點(diǎn)對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)器的值即可判斷該點(diǎn)是否位于顯示點(diǎn)的位置，從而在該頻譜幀到達(dá)檢波器時(shí)判斷每一個(gè)頻點(diǎn)為顯示點(diǎn)還是截?cái)帱c(diǎn)，若為顯示點(diǎn)則參與檢波運(yùn)算，若為截?cái)帱c(diǎn)則舍去跳轉(zhuǎn)到下一流程。

2.2 實(shí)時(shí)檢波器的實(shí)現(xiàn)

本文使用Xilinx Kintex UltraScale 系列的FPGA 進(jìn)行數(shù)字中頻信號(hào)處理，通過(guò)FIFO 對(duì)檢波過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存，設(shè)置FIFO 讀數(shù)模式為First Word Fall Through，以便在新頻譜數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)及時(shí)與FIFO 的輸出數(shù)據(jù)做比較，寬度為平均值檢波模式下所需累加器產(chǎn)生最大數(shù)據(jù)的寬度，深度為可容納最大顯示點(diǎn)的數(shù)據(jù)量。

圖3 所示為基于FIFO 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的檢波器邏輯控制框圖，上位機(jī)軟件設(shè)置檢波幀數(shù)、檢波類(lèi)型和顯示點(diǎn)數(shù)后，經(jīng)過(guò)FFT 變換后的頻譜數(shù)據(jù)輸入至實(shí)時(shí)幀檢波器進(jìn)行檢波，不同時(shí)間內(nèi)無(wú)縫捕獲的許多相鄰幀組成塊[6]，具體塊內(nèi)檢波實(shí)現(xiàn)流程如圖4 所示。

圖3 基于FIFO 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的檢波器邏輯控制

圖4 塊內(nèi)檢波流程圖

(1)頻譜數(shù)據(jù)編號(hào)：對(duì)每一幀到來(lái)的頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行編號(hào)，對(duì)于長(zhǎng)度為NFFT 的頻譜數(shù)據(jù)，編號(hào)應(yīng)為1～NFFT。

(2)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)：第一幀頻譜數(shù)據(jù)的顯示點(diǎn)暫存至FIFO 中。

(3)讀取數(shù)據(jù)并回寫(xiě)數(shù)據(jù)：后續(xù)幀頻譜數(shù)據(jù)的顯示點(diǎn)到達(dá)的同時(shí)讀取FIFO 數(shù)據(jù)，新的頻譜數(shù)據(jù)依次與FIFO輸出的頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比較或累加，根據(jù)不同的檢波方式將得到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入至FIFO(正峰值檢波使用比較器寫(xiě)入較大的值，負(fù)峰值檢波使用比較器寫(xiě)入較小的值，平均值檢波使用累加器寫(xiě)入累加值，實(shí)時(shí)刷新檢波直接寫(xiě)入輸入的頻譜數(shù)據(jù))，等待下一幀頻譜數(shù)據(jù)的顯示點(diǎn)到來(lái)時(shí)再進(jìn)行比較或累加。

(4)輸出數(shù)據(jù)：處理的頻譜數(shù)據(jù)幀數(shù)達(dá)到軟件設(shè)置的檢波幀數(shù)后輸出檢波頻譜數(shù)據(jù)，其中均值檢波需要將FIFO 輸出的累加值除以檢波幀數(shù)進(jìn)行平均運(yùn)算，其他檢波方式則直接輸出FIFO 的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

(5)重置參數(shù)：清零檢波幀數(shù)計(jì)數(shù)器，準(zhǔn)備進(jìn)行下一個(gè)塊的檢波。

由于本系統(tǒng)中FPGA 的處理時(shí)鐘為204.8 MHz，F(xiàn)FT頻譜數(shù)據(jù)速率為102.4 MHz，在輸出檢波數(shù)據(jù)幀的過(guò)程中不會(huì)被新的頻譜數(shù)據(jù)所覆蓋，因此只需要單路檢波器即可滿(mǎn)足要求。若存在輸入頻譜數(shù)據(jù)覆蓋輸出頻譜數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)，可將該結(jié)構(gòu)擴(kuò)展為采用兩個(gè)相同的FIFO 進(jìn)行乒乓操作。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 仿真測(cè)試

使用Vivado 自帶仿真器對(duì)實(shí)時(shí)檢波器程序進(jìn)行仿真，以正峰值檢波為例。設(shè)置FFT 點(diǎn)數(shù)為1 024 點(diǎn)，顯示點(diǎn)數(shù)為601 點(diǎn)，塊檢波幀數(shù)為2 幀，檢波模式選擇正峰值檢波。圖5為檢波器仿真波形圖，data_in為輸入1 024點(diǎn)數(shù)的頻譜，第一幀信號(hào)頻率為143.6 MHz，第二幀信號(hào)頻率為163.6 MHz，data_out為經(jīng)過(guò)檢波輸出后的601 個(gè)點(diǎn)的顯示頻譜，可以看出輸出頻譜同時(shí)保留了143.6 MHz和163.6 MHz 兩個(gè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了正峰值檢波與分析帶寬外數(shù)據(jù)的截?cái)唷?/p>

圖5 檢波器仿真輸出正峰值檢波頻譜

3.2 實(shí)際測(cè)試

連接信號(hào)源輸出端和實(shí)時(shí)頻譜儀輸入端，設(shè)置信號(hào)源輸出頻率為6 GHz，實(shí)時(shí)頻譜儀分析帶寬為60 MHz，步長(zhǎng)為25 kHz，塊檢波幀數(shù)為4 000 幀，分別設(shè)置實(shí)時(shí)頻譜儀的檢波方式為正峰值、負(fù)峰值、平均值和實(shí)時(shí)刷新，得到不同檢波模式的輸出頻譜圖如圖6 所示。由實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可以得出，該實(shí)時(shí)檢波器可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)頻譜儀的檢波需求。

圖6 不同檢波模式下輸出頻譜

4 結(jié)論

本文利用FPGA 的FIFO 資源設(shè)計(jì)了一種可應(yīng)用于實(shí)時(shí)頻譜儀的幀檢波器，實(shí)驗(yàn)證明該檢波器可實(shí)現(xiàn)正峰值、負(fù)峰值、平均值和實(shí)時(shí)刷新四種檢波功能，能夠根據(jù)需要靈活設(shè)置檢波幀數(shù)與檢波模式，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)頻譜儀的檢波需求。在參與檢波運(yùn)算前對(duì)分析帶寬外數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，減輕了后續(xù)數(shù)據(jù)的處理壓力。基于FIFO 資源實(shí)現(xiàn)的檢波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用邏輯資源較少，可在實(shí)時(shí)頻譜儀中廣泛推廣使用。