一種基于NIOSⅡ處理器的頻譜分析系統設計

(1.贛南師范學院科技學院，江西贛州341000;2.鄭州鐵路職業技術學院，鄭州450052)

(1.贛南師范學院科技學院，江西贛州341000;2.鄭州鐵路職業技術學院，鄭州450052)

介紹基于NIOSⅡ頻譜分析系統采用離散傅立葉變換(DFT)算法原理。該系統利用NiosⅡ軟核處理器，加上LCD、鍵盤、AD芯片、濾波器和簡單的外圍電路，完成了信號的采集、處理和數字DFT，并把結果送到LCD顯示。測試結果表明，本頻譜分析系統能分析帶寬為0～5MHz的信號，分辨率達到1Hz。本系統具有性能穩定、結構簡單、操作方便、可在線升級和成本低的優點。

頻譜分析;DFT;NIOSⅡ;FPGA

頻譜分析是微電子測量領域中最重要的測量參數之一，目前市場上的頻譜分析系統多以硬件電路來實現，其內部結構復雜，而且是不可升級的封閉系統，而且價格昂貴［1］。本系統使用 Altera公司的NiosⅡ軟核處理器實現CPU，利用FPGA實現DFT，在FPGA上實現整個系統的構建。關鍵的硬件模塊使用用Altera公司軟件QuartusⅡ完成設計。整個頻譜分析系統利用利用NiosⅡ軟核處理器通過Avalon總線進行控制。

1 離散傅立葉變換(DFT)算法原理

設χr(t)為連續信號，最高頻率為fa，持續時間為T。通過對χr(t)以T為采樣間隔進行采樣可以得到。如果采樣N后對Xr(jω)作零階就可以得到［2］:

對區間進行采樣間隔為M采樣N點，此時采樣頻率fc=MN，把f=kM代入式(1)后，令，通過對連續信號采樣進行DFT并且乘上T的近似方法得到頻譜特性:

信號的頻譜可以表示為:

采樣速度fc滿足fc＞2fa時可以避免DFT運算時發生頻率混疊現象。增加記錄時間和采樣點數可以提高譜的分辨率，同時譜分析的范圍不會減少。提高分辨率的條件是滿足時域采樣定理，采樣頻率fc最好是最高頻率fa的3倍～5倍［3］。

2 系統硬件設計

2.1 系統整體硬件設計

系統是基于NIOSⅡ系統實現的。整機設計方案如圖1所示，包括:預處理電路、AD電路、在FPGA上實現的NIOSⅡ系統和DFT處理模塊、SDRAM芯片、TFT-LCD。其中NIOSⅡ系統是核心，與液晶顯示模塊、鍵盤和D/A轉換器等外圍部件構成了一個完整的主控系統。

圖1 NIOSⅡ系統整體方框圖

2.2 NIOSⅡ系統制定

設計里采用具有低靜態和動態功耗低優點的Altera公司的cycloneⅡ型號FPGA芯片。在QuartusⅡ平臺上完NIOSⅡ的制定。

需要定制的內容包括一個NiosⅡ嵌入式處理器、一個JTAG UART、Avalon總線、SDRAM、UART(RS-232)、I/O口、System ID［4］。完成定制后NiosⅡ系統的模塊信息列表如圖2所示。

圖2 NiosⅡ系統模塊信息列表

2.3 DFT模塊設計

DFT模塊的主要功能不但要進行DFT轉換，還要控制采樣速率、保持波形和數據存儲。內部主要包括乘累加器、平方器、加法器和開方器4部分。首先經過乘累加器(MULT_ADD)計算x(n)× sin和x(n)cos，計算結果通過平方器(MUL)和加法器(ADD)可以的到|X(k)|2，然后再使用開方器開方就能得到相應的|X(k)|，從而實現DFT變換［5］。在 FPGA內部建 16 bit雙口RAM用來存儲數據(數據位由8 bit增加到16 bit)。這樣使刷新數據和顯示讀出數據能實現了同時進行，所以不會產生邏輯沖突。其DFT模塊連接圖如圖3所示。

2.4 語音信號與處理電路

語音信號與處理電路圖4所示，前置放大器由INA163實現，通過調節R g改變放大倍數，采用固定增益的超低電壓、TPA6102實現語音信號的二級放大。使用電阻分壓實現預處理信號的幅度調整［6］。

2.5 AD設計

選用高速A/D轉換器ADS2807做為A/D轉換器，這種A/D轉換器的最高采樣時鐘為50Msample/s。高速運放AD811可以提供適當的輸入信號增益，用來匹配輸入電壓的范圍［7］。A/D轉換器硬件電路如下圖5所示。

圖3 DFT模塊

圖4 語音信號預處理電路

圖5 AD轉換電路

3 系統軟件設計

系統軟件流程框圖如下面圖6所示，軟件系統實現的主要功能有:液晶顯示驅動和對鍵盤進行掃描與信號預處理以及DFT數據處理，其中DFT計算和數據處理是核心功能。

圖6 系統軟件流程框圖

系統軟件部分運用Verilog HDL與C語言相結合的方式編寫，最終在SOPC Builder和QuartusⅡ環境下完成定制［8］。

點擊開始后系統進行初始化，軟件檢測聲音信號，系統按照預先設定采樣速率進行數據采集，然后啟動A/D，存數據進FIFO，系統通過總線把數據傳輸到DFT模塊進行數據處理與計算。最后將結果輸送到LED顯示［9］。

4 測試結果和結論

4.1 測試結果

通過給頻譜分析系統輸入一個峰-峰值為2 V、頻率為100 Hz的方波信號來驗證本系統的正確性，具體的顯示結果如圖7所示。

圖7 測試結果

顯示的結果表明頻譜只有奇次諧波，并且基波、三次諧波、五次諧波和七次諧波的幅值和方波理論頻譜基本吻合，也就是幅值滿足1、1/3、1/5、1/7的理論數值［10］。測量值和理論值的對比結果如表1所示。

表1 幅度測量值與理論值比較

本頻譜分析系統顯示的頻譜圖正確，幅度測試的誤差較小，能夠完成信號頻譜的測量，達到了預期設計的要求。

4.2 結論

本系統利用NiosⅡ軟核設計CPU控制系統，數字DFT的算法是在FPGA內部完成。這樣不但能夠實時進行信號處理，而且節省了硬件資源;可以根據實際的需要對模塊進行替換升級，可以應用在不同的領域;系統實現了片上設計，降低了系統成本。系統運行穩定，具有很好的應用前景。

［1］劉祖深.頻譜分析儀全數字中頻設計研究與實現［J］.電子測量與儀器學報，2009，23(2):39-45.

［2］陳小橋，胥鳴，葛文麗.基于FPGA的數字頻譜分析儀的設計與研究［J］.武漢大學學報(工學版)，2010，43(2):269-272.

［3］宋澤琳，鄭恩讓，馬令坤.基于NiosⅡ處理器的液晶顯示接口及驅動程序設計［J］.液晶與顯示，2011，26(2):205-209.

［4］趙擎天，尉廣軍，姚義.基于SOPC的多路并行同步數字信號采集系統設計［J］.軍械工程學院學報，2010，32(7):96-99.

［5］傅中君，周根元，陳鑒富.基于準同步DFT的非整數諧波分析算法［J］.儀器儀表學報，2012，33(1):235-240.

［6］黃翔東，王兆華.全相位FFT相位測量法的抗噪性能［J］.數據采集與處理，2011，26(3):286-291.

［7］周文委，王涌.一種DDS信號發生方法與頻譜研究［J］.電子器件，2009，32(6):620-622.

［8］任全會，黃根嶺.基于SOPC全相位FFT相位差測量系統研究與實現［J］.電測與儀表，2012，49(11):30-34.

［9］章堅武，趙琪，鄒婧媛.避免干擾的低能耗無線傳感器網絡動態頻譜分配算法［J］.傳感技術學報，2009，22(10):1481-1485.

［10］袁慧梅.非正弦無功功率計算的FPGA設計與實現［J］.電測與儀表，2012，49(1):90-93.

一種基于NIOSⅡ處理器的頻譜分析系統設計

黃成華1*，付 濤2

Design of Spectrum Analyzer System Based on NIOSⅡProcessor

HUANG Chenghua1*，Fu Tao2
(1.College of Science and Technology，Gannan Normal University，Ganzhou Jiangxi341000，China; 2.Zhengzhou Railway Vocational and Technical College，Zhengzhou450052，China)

A realization method for spectrum analyzer system of NIOⅡ is introduced.The system uses the Discrete Fourier Transform(DFT)algorithm principle，and NiosⅡsoft-core processor，coupled with the LCD，keyboard，AD chip filter and a simple external circuit to complete signal acquisition，signal processing，digital DFT，and displays the data on the LCD with the help of LCD，The test results shows that the spectrum analyzer system can analyze the signal bandwidth of 5MHz resolution of 1Hz.This system has a stable performance，simple structure，convenient operation，online upgrade and low cost advantages.

spectrum analyzer;DFT;NIOSⅡ;FPGA

10.3969/j.issn.1005－9490.2013.06.018

TP317.4;TN911.73 文獻標識碼:A 文章編號:1005－9490(2013)06－0833－04

2013-07-01修改日期:2013-07-25

EEACC:6140;7210

黃成華(1978-)，男，漢族，江西贛州人，贛南師范學院科技學院工作，實驗師，通信與信息系統碩士(南昌大學)，研究方向為電子通信、計算機技術，gzhuangchenghua@163.com;

付 濤(1980-)，男，漢族，河南洛陽人，碩士，講師，主要研究方向為電子工程，傳感檢測，電子測量。