基于FPGA的简易频谱分析仪

张春水，张佳培，李文达，程文

（武汉大学电子信息学院，湖北武汉430079）

摘要:观测信号频谱在科研中具有重大意义，在教学实验中也有利于学生更直观深入地了解信号特征。采用单片机

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FFT和LCD显示。经测试，该系统能够分析信号带宽为0~5MHz，最低分辨率达到1Hz，而且信号频谱图能够很好地显示在LCD上。整个系统工作稳定，操作方便，且成本比其他频谱分析仪低很多。关

键

词:C8051；频谱分析；FPGA；快速傅里叶变换（FFT）

文献标识码:A

文件编号:1674-6236（2009）08-0076-03

中图分类号:TN79+1

SimplefrequencyspectrumanalyzerbasedonFPGA

ZHANGChun-shui，ZHANGJia-pei，LIWen-da，CHENGWen

（SchoolofElectronicInformation，Wuhanuniversity，Wuhan430079，China）

Abstract:Inthemodernscienceresearch，it’sveryimportanttoobservethefrequencyspectrumofsignalandit’shelpfulforthestudenttocomprehendthesignalcharacterdirectlyandin-depthintheexperimentclass.Asimplefrequencyspec-trumanalyzerusesC8051singlechipprocessorandFPGA，aswellashighspeedA/Dconverters.Thesystemincludessig-nalacquisition，linearsignalfrequencyshift，digitalfiltering，FFTandLCDdisplay.Theexperimentalresultsshowthesys-temanalyzessignalswiththebandwidthfrom0MHzto5MHzandtheminimumresolutionupto1Hz.Besides，thechartofthesignalfrequencyspectrumiswelldisplayedontheLCD.Thewholesystemworkssteadilyandoperatesexpedientlyandthesystem’scostismuchlowerthanothers.

Keywords:C8051；frequencyspectrumanalyzer；FPGA；FastFourierTransform（FFT）

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

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。

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

图1

系统总体设计框图

中的C8051F121作为控制器，CycloneⅢ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1Hz，可分析带宽为0～5MHz的各种信号。

由于单片机C8051F121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收稿日期：2009-03-02

稿件编号：200903012

3理论分析

随着高速A/D转换和DSP技术的发展，数字下变频的快

3.1数字下变频FFT

速傅里叶变换FFT（FastFourierTransform）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[1-3]。

张春水（－），男福建泉州人，。研究方向。