基于FPGA的高精度相位差测量算法实现

本平台使用的FPGA芯片是Xilinx公司的Virtex-5系列的XC5SX95T芯片；D／A芯片使用AD公司的AD9957芯片，A／D芯片采用AD公司的AD94 61芯片；数据输出端使用ChipScope在线调试软件。中频信号频率设定为70 MHz。A／D芯片采样频率为32 MHz，则根据带通采样定律，输入接收端FPGA芯片的数字信号的频率分量主要有38 MHz和6 MHz。本实验就是利用6 MHz的频率分量进行相位差测量的。
相关测量法和FFT测量法在FPGA内部的硬件实现流程图如图3所示，其中图3(a)是相关测量法的硬件实现流程图，图3(b)是FFT测量法的硬件实现流程图。

Xilinx公司为硬件工程师提供了大量预先设计好、经过严格测试和优化过的电路功能模块(IP Core)，这大大降低了硬件设计的繁琐程度。本实验中相位差算法的硬件实现就充分运用了这一优势。图3硬件实现流程图中的DDS模块、低通滤波器模块和FFT模块都可以通过调用IP Core来实现，而反正切模块可以通过调用坐标旋转数字计算(CORDIC)模块来实现。
2．2 测量结果
在硬件实现过程中，为了防止频率泄漏，固定数据长度和FFT变换长度N为2 048。为了比较硬件测量结果与软件计算结果的性能，将经过A／D芯片接收的数字信号导出至Matlab软件进行理论相位差值计算，所得到的结果与ChipSeope显示的硬件测量相位差值结果进行比较。图4显示了在发射端相位差一定的条件下，两种算法各自的硬件测量结果与理论计算结果的误差曲线。
实验结果表明，FFT测量法的精度比相关测量法的精度要稍微高，无论是FFT测量法还是相关测量法，硬件测试的结果与理论计算的结果非常接近，误差很小。该硬件实验平台可实现中频信号的高精度相位差测量。

3 结论
首先对比了相关法和FFT法这两种相位差测量算法的性能，得出FFT测量法对白噪声的抑制能力要强于相关测量法，在高信噪比时两种算法均可达到较高测量精度。通过对不同数据长度的信号进行仿真分析，得出为了防止硬件实现上频谱泄漏造成的FFT测量法性能的下降，需要在硬件实现的时候控制信号数据长度N为2的整数次幂。然后，在基于高性能的FPGA芯片XC5SX95T的基础上，搭建了硬件实验平台，通过硬件实测，得出对于中频信号两种算法硬件实测结果与理论仿真结果之间的误差很小，都具有很高的精度。该实验平台可实现高精度的相位差测量，在工程应用中，可以根据信号的特点以及工程的实际需求选择运用这两种方法。