基于FPGA的信号频谱分析系统

摘要 利用FPGA实现了信号的采集与频谱分析系统，对系统进行了模块划分，并分别给出了各模块的设计要点，完成了模拟信号采集模块、快速傅里叶变换模块、存储模块以及VGA显示模块的设计。最后对设计的各模块进行了功能与时序仿真，验证了系统设计的正确性与可靠性。试验表明，该设计可以实现信号的采集、频谱分析与显示等功能，系统稳定可靠。
关键词 A／D转换；信号采集；频谱分析；快速傅里叶变换；FPGA

数字信号处理技术飞速发展，其信号来源往往是模拟信号的A／DC输出。该频谱分析系统主要实现的功能包括对模拟信号进行采集，并对采集到的数字信号进行快速傅里叶变换(FFT)，最后将频谱分析结果显示在VGA上。系统的核心部分采用Altera公司的FPGA芯片CycloneII实现，采用ADI公司的AD7655来实现待分析模拟信号的A／D转换。

1 系统组成
系统通过FPGA控制AD7655芯片采集待分析的模拟信号，并对A／D采集所得来的数字信号进行FFT变换，计算结束后将结果放在存储器中，FPGA以存储器中的数据作为数据源进行控制，VGA将信号的频谱分析结果以图形的方式显示。系统由A／D采集模块、主控制模块、FIFO模块、FFT运算模块、数据存储模块、VGA控制模块等6个模块组成。各模块之间的关系如图1所示。

2 系统设计
2．1 A／D采集模块
系统控制模块在接收到采集使能信号后，便会启动A／DC来采集原始模拟信号。设计采用16位低功耗A／D转换器AD7655对模拟信号进行采样。AD7655有4个通道，1 Mbit·s-1采样率，输入模拟信号的范围为0～5 V。该芯片的时序如图2所示。