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随着微电子技术、信号处理技术和计算机技术的迅速发展,对信号在频域进行测量和分析的要求也越来越高,传统的频谱分析仪已经显现出一系列的缺点。因此,高分辨率、宽频带、实时的现代频谱分析仪成为目前人们研究的重点和前沿课题。本文围绕基于FPGA的频谱分析系统的研制,开展了以下几个方面的研究和设计工作:1.重点研究了现代频谱仪中最关键的数字下变频电路,对本系统采用的数字下变频(DDC)方案进行了确定,讨论了DDC中混频电路和抽取滤波器的FPGA实现方法。对于数字混频电路,采用NCO数控振荡器产生双路正交本振信号。研究了基于查找表法的NCO电路实现结构,针对NCO输出信号杂散较大的缺点,通过在FPGA实现时加入抖动技术,使信号的杂散谐波改善了8个dB。在抽取滤波模块,结合FPGA芯片并行流水分布的特点,给出了多级抽取滤波的实现方案。同时,详细探讨了积分梳状滤波器(CIC)和多相滤波器的FPGA实现结构,设计了一款抽取因子可调的多级CIC滤波器,其阻带衰减可以达到-70dB。并且结合FIR滤波器完全并行的乘累加结构和传统多相滤波器的开关结构,改进了多相滤波器的硬件实现方法,使设计的多相滤波器在抽取倍数很大时,仍消耗较少的硬件资源,且处理速度较快,尤其适宜于中频信号向基带信号变频的滤波处理。2.采用改进的基-2蝶形运算单元,设计并用FPGA实现了1024点高速FFT处理器。处理器采用10级流水线结构,每级将乘法器的旋转因子输入端固定为常数,以进一步提高处理器的速度,而中间结果则以双端口RAM存储。该处理器的时钟频率可以稳定运行于100MHz,在进入不间断流水后,完成一次FFT运算的时间小于63μs,计算误差小于1%,满足实时谱分析的要求。3.采用上述的DDC电路和高速FFT处理器,设计了一款基于FPGA的频谱分析系统,并阐述了系统中的信号采集、存储和显示技术,完成了RAM、异步FIFO、SRAM控制器和VGA显示控制器等电路的设计。4.对频谱分析系统的各模块电路和系统总体进行了硬件测试,测试指标验证了设计的正确性和有效性。整个频谱分析系统的数字处理部分采用一片FPGA芯片完成,实现了真正的可编程单芯片(SOPC)系统。