基于FPGA+DSP的頻譜監(jiān)測儀設計及實現(xiàn)

隨著微波技術的廣泛發(fā)展，空間和地面電磁環(huán)境越來越復雜，無線電頻譜資源作為公共資源的一種，需要頻譜管理部門進行有效的分配和監(jiān)控。特別是在頻帶日益擁擠、自然和人為干擾日益增大的情況下，頻譜監(jiān)測系統(tǒng)有必要進行監(jiān)測，檢測存在的干擾，以便采取措施將影響降至最低，確保頻譜資源得到合理的利用。

電磁頻譜監(jiān)測分析儀是應對當前電磁信號頻譜檢測挑戰(zhàn)，兼?zhèn)涓叻直媛屎透咚阉魉俣鹊臋z測設備。頻率分辨率的提高意味著幅度檢測靈敏度和頻率分辨能力雙提升、因此其高分辨率、高速掃描的特點意味著在電磁信號檢測領域擁有強大的檢測效率。本系統(tǒng)采取了基于FPGA，DDR2內(nèi)存卡和多DSP的信號高速存儲及處理，多模式多窗口信號檢測，多域信號分析的技術路線，是一臺性能很高、功能較為強大的電磁信號檢測分析儀器，有著傳統(tǒng)檢測儀器無法比擬的優(yōu)點和廣泛用途。

1 系統(tǒng)硬件方案

頻譜監(jiān)測分析儀系統(tǒng)組成包括了超外差信號接收，強大的中頻信號采集處理系統(tǒng)，以及內(nèi)嵌計算機系統(tǒng)這三大主要部分。超外差信號接收包括射頻通道、微波驅(qū)動、本振合成，信號經(jīng)過三次變頻，變頻到采樣中頻，中頻采集處理系統(tǒng)基于軟件無線電設計思想，包括中頻電路、數(shù)字中頻及存儲單元、多DSP并行信號處理。內(nèi)嵌計算機操作系統(tǒng)為Windows XP，是整機軟件的載體，并可配置外接設備。整機原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2系統(tǒng)軟件設計

2.1平臺和開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)擬采用測試儀器行業(yè)主流的Wintel架構搭建控制平臺，主控制器采用高性能CoreDuo雙核處理器，選用Windows XP作為軟件運行平臺，充分滿足用戶的使用習慣以及數(shù)據(jù)資源共享的需要;整機軟件開發(fā)環(huán)境采用了VS2005集成開發(fā)環(huán)境，并利用VisualSourceSafe進行團隊化開發(fā)管理。

2.2數(shù)據(jù)處理模塊設計

數(shù)據(jù)處理模塊主要是對信號進行采集，然后將數(shù)據(jù)送入計算機。數(shù)據(jù)處理模塊的核心工作就是把所要采集的信號進行量化和采集。該模塊的詳細軟件設計如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理模塊軟件設計流程圖

2.3用戶接口和界面設計

本系統(tǒng)設計了掃描檢測和多域分析(內(nèi)含調(diào)制識別)兩種主要的測量功能，對于每種測試功能，均可在操作界面固定位置激活參數(shù)測試向?qū)?，并通過下拉式菜單、快捷按鈕、傳統(tǒng)菜單和眾多的對話框?qū)崿F(xiàn)和用戶的友好交互，用戶可以定制參數(shù)測試方法后儲存為參數(shù)測試解決方案，后續(xù)使用時可以直接調(diào)用該解決方案，實現(xiàn)一鍵化測試、測試參數(shù)報表方式靈活可選，以便更加貼近不同需求。

2.4控制和數(shù)據(jù)傳輸接口設計

在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集與傳送速率高達幾十兆字節(jié)/秒，要求整機具備USB、LAN、GPIB、并口、串口等各種通信協(xié)議，支持1024×768的TFT顯示及LVDS接口，支持可配置的打印方案，支持海量/移動存儲設備，需要實現(xiàn)對數(shù)字中頻模塊、模擬電路模塊、專用外設以及通用外設的控制，這其中有高速處理器件，海量存儲器件，部分功能I/O中使用慢速或者串行器件，如果采用單一制式的總線進行接口設計顯然是不合理的，這里采用的是PCI、USB、自定義儀器控制總線相結合的復合總線形式。3系統(tǒng)主要技術的實現(xiàn)

3.1高速數(shù)據(jù)采集PCB設計技術

一個理論上完善的系統(tǒng)設計，在實現(xiàn)時很難達到理論設計的要求，這是因為實際存在的各種干擾都對電路有影響，而且還要處理好地線排布、電源去耦、信號傳輸線的反射等實際問題。下面是針對這些問題本項目采用的一些設計技巧：避免走線的直拐角，盡可能地用45°走線或弧線;盡可能少用過孔，因為每一個過孔都是一個阻抗不連續(xù)點;盡量加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的關系是：地線。>電源線>信號線;信號間的串擾對相鄰平行走線的長度和走線間距極其敏感，因此相鄰走線層的信號線的總體走線方向一般要互相垂直，在同一走線層上盡量使高速信號線與其他平行信號線間距拉大，平行長度縮小;在優(yōu)化布局的基礎上，盡量縮短高速信號的長度，控制信號組延遲的一致性是布線時的重要任務;不用樁線，因為任何樁線都是噪聲源，如果樁線短，可在傳輸線的末端端接就可以了，如果樁線長，會以主傳輸線為源，長生很大的反射，使問題復雜化。

3.2多DSP互聯(lián)技術

為了提高信號處理速度，采用多DSP處理器，采用的DSP型號為ADI公司的ADSP-TS20IS.本系統(tǒng)采用3個高性能DSP高速處理，其中2個為信號處理DSP，1個為管理DSP.作為2個信號處理DSP，分時接收前端A/D的采樣數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)字并行濾波器組處理提取信號的頻率信息、功率信息、帶寬信息，2個DSP的處理結果送給管理DSP.管理DSP是數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)管理層之間的紐帶，負責協(xié)同多DSP處理系統(tǒng)的工作，本系統(tǒng)采用的多DSP連接框圖如圖3所示。

圖3 多DSP連接框圖

3.3能量檢測技術

閾值設定和計算是進行信號能量檢測的前提和關鍵，用戶監(jiān)測分析頻率范圍比較窄的情況下可以采用電平閾值方式，電平閾值作為單一電平設定和使用比較簡單方便，但在頻段較寬的情況下，電平閾值無法有效完成多個波段同時掃描的情況下較小電平信號的監(jiān)測，為此設計了自動閾值算法(見圖4)，自動閾值由軟件根據(jù)頻譜數(shù)據(jù)自動計算背景噪聲功率，并通過加一個偏移值，很好的把噪聲和信號區(qū)分開。

圖4 自動閥門門限算法

4系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

本文設計的頻譜監(jiān)測分析儀各種功能都已經(jīng)實現(xiàn)，幾個功能實現(xiàn)界面如圖5，圖6所示，在頻譜監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。

圖6 能量檢測
5結論

本文設計了一個頻譜監(jiān)測分析儀的總體方案，即由超外差信號接收，強大的中頻信號采集處理系統(tǒng)以及內(nèi)嵌計算機系統(tǒng)這三大主要部分組成。在設計總體方案的同時，給出了實現(xiàn)此總體方案的幾個關鍵技術。實踐證明，該頻譜監(jiān)測系統(tǒng)具有高分辨率、高速度搜索、高速存儲及處理的特點，有良好的應用前景。