一种基于FPGA的数字频谱仪设计与实现

频谱分析仪主要用于信号成分分析，其应用领域相当广泛，在电磁干扰侦测分析、无线电通信、卫星接收系统等方面均有涉及。就具体信号分析手段而言，传统时域波形分析的确能够直观观察信号的幅度、频率、波形等响应变化，但局限于低频信号，高速信号下时域分析有着必然的缺憾。频谱分析是指将信号的频率、幅值等信息在频域中表示的一种分析方法，它对于任意信号进行傅里叶变换，进而将其分解为若干单一的谐波分量来研究，以获得信号的频率结构以及各谐波幅值和相位信息，这对于高频信号以及复杂信号分析意义十分重大。可以看出，频谱分析仪的重点是幅频特性与相频特性，尤其是幅频特性的计算。

1、核心原理论证

对于频谱分析仪，就具体的实现原理而言，主要存在三种思路：多通道并行滤波式、扫频外差分析式以及直接FFT式。

1.1、多通道并行滤波式

多通道并行滤波式方案的核心在于多个滤波器的制作，其思路主要是将全频段等分为若干个通带不重叠（或部分重叠）的带通滤波器，这些滤波器的过渡带带宽、甚至通带最大允许衰减等参数都几乎一致，仅仅是通带频率范围不一致。当信号并行送入每个滤波器之后，对于各个滤波输出进行能量检测，从而进一步确定各个频段的信号幅度，绘制出频谱图。显然，只有谐波分量对应频段的滤波器，输出信号可以采集到能量值，且能量值随谐波分量增大而增大。这种传统模拟频谱仪的缺点在于过于依赖模拟电路的搭建，硬件要求很高，容易产造成频率分辨率精度不足，甚至是测量误差。

1.2、扫频外差分析式

扫频外差分析式的核心在于混频模块的设计，其思路主要是利用一个连续扫频的本地振荡器，产生的本振信号与被测信号混频，这样被测信号谐波分量总会有机会落入后续中频滤波器的通带中。如果令本振信号的幅度保持不变，那么混频器的输出、中频滤波的输出、检波模块的输出都会与被测信号的对应谐波分量幅度成正比。将扫频器的控制电压（一般为线性）与检波模块的输出电压分别作为X和Y信号，即可得到被测信号的幅频特性图。这种方案实际上以扫频外差功能代替了并行滤波功能，降低了硬件要求，提高了系统性能。

1.3、直接FFT式

直接FFT式方案的核心在于高速FFT（FastFourierTransform）的计算，常规的单片机系统如ARM都无法完成，必须要依靠现场可编程门阵列（FPGA）等适合高速信号处理的开发系统，其思路主要是将信号进行波形调理后送入高速AD采样芯片，将采集得到的信号截取短时窗进行FFT计算，直接将计算结果输出为幅频特性图与相频特性图。显然，这种方案也有难点存在，那就是对于AD芯片的采样频率要求较高，但是如果有合适的AD芯片，那么这种数字型频谱仪与模拟型频谱仪相比，容错率将会更高，频率检测范围、频率分辨率等技术指标也会大大优化。

2、系统整体方案设计

简易数字式频谱仪主要由信号采集模块、高速FFT模块以及LCD显示模块组成。信号采集模块以AD9226芯片为核心，配合前置抗混叠滤波电路实现信号采集；高速FFT模块在FPGA开发系统通过编程实现；LCD显示模块选择4.3寸TFT液晶屏，实现可视化界面。简易数字式频谱仪的系统框图如图1。

图1