基于FPGA的頻譜儀2.4 GHz數字單元設計

閆大帥，張德海，陸 浩

（1.中國科學院 國家863計劃微波遙感技術實驗室，北京100190；2.中國科學院大學 國家空間科學中心，北京100049）

基于FPGA的頻譜儀2.4 GHz數字單元設計

閆大帥1，2，張德海1，陸 浩1

（1.中國科學院 國家863計劃微波遙感技術實驗室，北京100190；2.中國科學院大學 國家空間科學中心，北京100049）

為了實現對地球大氣痕量氣體探測的目的，提出了一種基于FPGA的太赫茲頻譜儀數字單元設計方案，完成了系統的硬件和軟件設計。該數字單元硬件部分由四路ADC完成2.4 GHz信號采樣，一片FPGA芯片完成信號復用和FFT頻譜運算，ADC選用ADC083000，FPGA芯片為Xilinx Virtex-5系列。由VHDL編程實現對系統各部分功能的控制。通過ChipScope工具進行功能驗證，該數字單元穩定可靠，可以運用于臨邊探測儀中。

臨邊探測；FPGA；頻譜儀；FFT

地球大氣是空間科學研究的重要目標和人類活動的舞臺，為了探究大氣痕量氣體的現狀，從1970年代開始，越來越多的衛星上開始搭載大氣成分探測儀，這對頻譜儀的帶寬、譜分辨率及穩定性提出了較高的要求。傳統的臨邊探測儀搭載的頻譜儀主要有如下 4種：多通道濾波頻譜儀（Filter—Banks Spectrometer，FBS）、聲光頻譜儀 （Acousto-Optical Spectrometer，AOS）、 自 相 關 頻 譜 儀 （Auto—Correlation Spectrometer，ACS）和FFT頻譜儀。

早期的頻譜儀為多通道濾波器組[1]，由功分器將輸入分為幾個或多個通道，每個通道有單獨的帶通濾波器和功率檢測器。這種頻譜儀造價昂貴，需要嚴格控制機械公差，易造成信道串擾，因此已經被其他技術取代。后來出現的聲光頻譜儀，具有體積小、功耗低的特性，最大帶寬在1～2 GHz范圍[2-3]，頻譜通道為數千個布拉格單元材料，其缺點是結構比較復雜，對工作環境要求甚高，因此限制了其在空間高精度測量中的應用。隨著寬帶多位高速ADC的發展，ADC的采樣率已能達2.5～10 GHz。Xilinx FPGA存儲和實時高速處理數字信號的能力大大提高，FFT IP核的功能逐漸完善，性能大幅提高，使得設計超寬帶、高分辨率FFT頻譜儀成為可能。2003年，國外論文報告已經研制出1 024個點、帶寬為100 MHz的FFT頻譜儀[4]，2007年出現了1 GHz帶寬、16384通道的FFT頻譜儀[5]，還出現了將32個1.5 GHz帶寬的頻譜儀組合成帶寬為32×1.5 GHz=48 GHz的FFT頻譜儀[6]。

文中介紹一種高速高可靠性的頻譜儀數字單元設計方案，系統采樣率為 2.4 GHz。ADC選用ADC08300完成高速采樣，使用Xilinx Virtex-5系列芯片完成數據處理和頻譜運算。Virtex-5系列芯片性能更強，功耗更低，片上資源更豐富，DSP計算能力更強大[7]。

1 頻譜儀數字單元硬件方案

數字單元的信號采集模塊分為4個通道，由4片ADC083000將采集的信號輸入FPGA，采樣位數8 bit，單端信號通過balun轉化為差分信號，鎖相環產生的時鐘由時鐘分發芯片ADCLK946分發出四路1.2 GHz的差分時鐘驅動4個ADC，保證了時鐘相位嚴格同步。采用DDR模式，等效采樣率為2.4 GHz。MAX811控制整個系統的復位，FPGA分別控制每個ADC的復位，4個OR管腳為高電平指示輸入電平超量程。采樣數據在ADC中實現1:4多路復用，輸入FPGA中完成復用、FFT運算和功率譜運算。頻譜數據最后通過串口上傳到PC。硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖

1.1 ADC及控制電路

高速ADC采用4片ADC083000芯片。ADCADC083000是一款低功耗高性能的CMOS模/數轉換芯片[8]，典型功耗1.8 W。如圖2 ADC功能框圖所示，被采信號在ADC內部通過1:4的多路復用模塊，所以輸出時鐘DCLK為輸入時鐘的四分頻，DCLK送給外部器件來鎖存數據。將OR連接到FPGA并驅動外接LED。

圖2 ADC模塊圖

AD的前端采用交流耦合方式輸入，由四路Balun實現單端轉差分電平。Balun有兩種器件可以選擇：ADTL2-18與TC1-1-13M+。ADTL2-18的輸入頻率范圍：30-1800MHz，TC1-1-13M+的輸入頻率范圍：4.5 to 3000 MHz。ADTL2-18與TC1-1-13M+各自的插入損耗與頻率的關系如圖3所示。TC1-1-13M+的輸入頻率范圍更寬。選擇TC1-1-13M+。

1.2 接口電路及PCB設計

圖3 Balun插損特性曲線[9-10]

由于電路頻率較高，且涉及數字信號和模型信號，所以ADC輸出采樣信號、DCLK時鐘及溢出指示時鐘都采用LVDS差分電平，每對差分線在布線時都要嚴格等長，在布線時總結的一些注意事項[11]如下：

1）由于PCB頂層和底層環境干擾大，為減少電磁兼容問題，信號線在頂層和底層盡量短。

2）ADC前端模擬信號和采樣后數據信號、電源信號和數據信號隔離走線，避免模擬數字，大小電流信號的耦合干擾。

3）高速時鐘信號線、ADC差分數據信號線沿一個方向走線。

4）相鄰兩層的信號走線互相垂直

5）Signal層和plane層互為相鄰，不同直流電壓放在不同的層。

2 頻譜儀數字單元系統設計

2.1 頻譜儀FFT算法簡介

FFT（Fast Fourier Transform）算法是計算DFT（Discrete Fourier Transform）的高效算法。算法最初由J.W.Cooley和J.W.Tukey于1965年提出。FFT算法可以分為時間抽取法和頻率抽取法兩類，一般只能處理數據長度N=2^M的情況，通過組合數基四可以處理一般數據長度的FFT運算[12]。各大FPGA廠商在自家開發工具中都推出了FFT IP核，加快了FFT算法工程應用的進展。其中由Xilinx公司研發的IP核V7.1，可以設置輸入數據長度、數據流結構、輸入數據和相位因子位寬、壓縮倍數、輸入輸出數據順序、優化選項等參數，可以根據用戶的需求方便地實現FFT算法[13]。

2.2 系統數據流程

系統主要技術指標如表1所示。

如圖4為FPGA中數據流程結構框圖。復用后的采樣數據進入FFT流水線。Xilinx IP核進行連續數據處理，故采用Streaming I/O結構，防止數據溢出，采用定點壓縮算法。通過VHDL編程實現FFT輸出后的平方和，調用IP核實現除法運算，得到功率譜。通過IP核調用8 bit×2048同步FIFO。數據累積一段時間后通過串口上傳到PC。大部分模塊使用IP核實現，保障了運行速度和資源利用的平衡[14]。

表1 頻譜儀數字單元指標

圖4 頻譜運算流程框圖

3 實驗結果

為了檢驗頻譜儀數字單元的功能，軟硬件系統調試完成后，采用Xilinx公司的ChipScope工具對系統進行了功能驗證[15]。

ChipScope可以在實驗中，在線實時讀出FPGA內部的信號，方便進行分析。基本原理是在程序中插入集成邏輯分析儀核 （ILA）和集成邏輯控制器核（ICON），捕獲用戶設置的信號存入BlockRAM中，然后通過JTAG接口傳入PC的ChipScope工具中實時顯示出波形。

實驗采用信號發生器產生連續波作為ADC信號的輸入，VHDL程序綜合通過后添加ChipScope IP核，CLK選擇FFT核的輸入時鐘，觸發信號分別為FFT核的輸入信號xn_re、xn_im、FFT核的輸出信號xk_re、xk_im以及done、dv等標志信號，運行后獲得實時波形。將實時波形數據導出，對FFT核輸入信號xn用MATLAB計算FFT，并按照SCALE_SCH比例進行壓縮，與FFT核輸出信號xk的波形比較[16]：

圖5 FPGA和MATLAB FFT運算結果比較

得到的波形對比如圖5所示，其中第一幅圖為xn的波形，可以看到確為連續波的采樣波形，下面四幅圖分別為MATLAB和FPGA FFT核運算結果實部虛部的對比，兩者結果一致，證明FFT IP核工作正常。實際應用中，考慮到FPGA處理數據量的大小，FPGA資源的多少以及運行速度，數據位寬和FFT點數可以方便地調整。

4 結束語

詳細介紹了基于FPGA的頻譜儀數字單元設計，ADC使用ADC08300，在Xilinx Virtex-5芯片中完成FFT及功率譜運算，方案易于升級，頻譜分辨率等參數可調，系統具有集成度高、體積小、質量輕、穩定可靠的特點，能夠在臨邊探測儀中得到應用。

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[8]National Semiconductor.ADC083000 8-Bit，3 GSPS， High Performance，Low Power A/D Converter[EB/OL].[2016-05-04].http://www.ti. com/lit/ds/symlink/adc083000.pdf.

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[10]Mini-Circuits.CDI.RF Transformer TC1-1-13M+ [EB/OL].[2016-05-04].http://www.minicircuits.

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[16]董長虹.Matlab信號處理與應用[M].北京:國防工業出版社，2005.

Design of 2.4 GHz spectrum analyzer digital unit based on FPGA

YAN Da-shuai1，2，ZHANG De-hai1，LU Hao1
（1.National Microwave Remote Sensing Laboratory，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.National Space Science Center，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

In order to achieve the purpose of the Earth atmospheric trace gas detection，a terahertz spectrum analyzer digital unit based on FPGA is designed in this thesis，with hardware and software design competed.The hardware part of the digital unit uses Quad ADC for signal sampling，an FPGA chip for signal multiplexing and FFT spectrum operation，with ADC selecting ADC083000，FPGA chip of Xilinx Virtex-5 series.The Software part uses the VHDL programming to control the function of each part of the system.Functional verification through ChipScope tool，the digital unit is stable and reliable，it can be applied to the limb sounder.

limb sounding；FPGA；spectrum analyzer；FFT

TN79+1

A

1674－6236（2017）10-0166-04

2016-04-20稿件編號：201604204

閆大帥（1990—），男，江蘇徐州人，碩士研究生。研究方向：高速數字頻譜儀及電路理論與技術。