文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.09.041
中文引用格式: 葉忠輝,,蔣志迪,汪鵬君,,等. 基于自適應(yīng)TIADC的頻譜模塊設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2015,41(9):149-152,,156.
英文引用格式: Ye Zhonghui,,Jiang Zhidi,Wang Pengjun,,et al. Design of spectrum analyser based on adaptive TIADC acquisition[J].Application of Electronic Technique,,2015,41(9):149-152,,156.
0 引言
隨著電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展,,數(shù)字化系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛,頻譜分析儀成為電子信息頻域分析的重要工具,。積極研制性能優(yōu)異,、低成本和高速的頻譜分析模塊是數(shù)字化頻譜分析的發(fā)展方向[1],。單片ADC的高采樣率可實(shí)現(xiàn)頻譜的快速分析,但高速ADC芯片相對(duì)昂貴,,在生產(chǎn)成本上投入較大。為了實(shí)現(xiàn)低成本,、高速模塊化的頻譜模塊設(shè)計(jì),,在傳統(tǒng)采樣技術(shù)上引入TIADC采樣技術(shù)。TIADC采樣技術(shù)由單通道ADC決定采樣精度,,多通道時(shí)間交替采樣實(shí)現(xiàn)高采樣速度,,在采樣精度和轉(zhuǎn)換速率方面都表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。
TIADC能提高采樣率,,可以處理高中頻信號(hào),,增大頻譜分析的頻寬。由于芯片工藝水平的差異使多片ADC之間的時(shí)間失配誤差對(duì)數(shù)據(jù)采集的影響顯著[2],,而且寬頻帶譜線分析需要存儲(chǔ)大量的采集數(shù)據(jù),,不僅增加了運(yùn)算量,還降低了實(shí)時(shí)性,。文獻(xiàn)[3]中提出了基于交替采樣的頻譜模塊設(shè)計(jì),,但未對(duì)時(shí)延誤差進(jìn)行有效校正;文獻(xiàn)[4]提出了一種時(shí)域自相關(guān)的時(shí)延誤差自適應(yīng)校正方法,,但運(yùn)算復(fù)雜,。鑒此,本文基于TIADC采樣和數(shù)字下變頻技術(shù),,提出一種復(fù)用FFT模塊估計(jì)時(shí)延誤差和計(jì)算頻率量的頻譜分析模塊設(shè)計(jì),。
1 原理分析
1.1 TIADC采樣原理分析
多通道ADC組成時(shí)間交替采樣電路,設(shè)通道數(shù)為N,,采樣周期為T(mén)S,,采樣率為fS,相鄰采樣通道的采樣時(shí)鐘相位差為2π/N,。定義輸入模擬信號(hào)x(t),,m是采樣序列號(hào),則經(jīng)過(guò)N通道采樣后的序列為:
xn(mTS)=x(mNTS+nTS) n=0,,1,,…,N-1(1)
取N=4,,以四通道時(shí)間交替數(shù)據(jù)采集為例,,四路單片ADC構(gòu)成的TIADC采樣工作原理如圖1所示。
從圖1可知,,CLK0是第一通道采樣時(shí)鐘,,并將其作為時(shí)基參考,,則CLK1、CLK2和CLK3相位差分別為90°,、180°和270°,,而TIADC時(shí)鐘為CLK0的四倍頻,且相位差為0°,。四通道ADC在TIADC時(shí)鐘上升沿時(shí),,將采樣數(shù)據(jù)按序拼接輸出,從而提高信號(hào)的采樣率,。
1.2 下變頻FFT原理分析
數(shù)字下變頻是一種譜線的搬移,,使輸入信號(hào)從某一頻率搬移至零頻附近[5]。設(shè)采樣頻率fS,,本振信號(hào)頻率fI,,正交采樣的下變頻原理如圖2所示。
從圖2可知,,輸入信號(hào)在采樣頻率fS進(jìn)行采樣,,采樣輸出頻譜具有周期性,其頻譜周期為fS,,頻譜分析時(shí),,只需保留單個(gè)周期內(nèi)的頻率分量。采樣輸出信號(hào)與正交信號(hào)相乘,,將中頻率分量fI搬移至零頻處,。下變頻后的信號(hào)通過(guò)加窗濾波器處理,濾波帶寬為B,,濾除干擾譜線,,再作FFT運(yùn)算。
2 FFT模塊的結(jié)構(gòu)復(fù)用設(shè)計(jì)
通過(guò)對(duì)TIADC數(shù)據(jù)采集和數(shù)字下變頻FFT的理論分析,,提出一種復(fù)用FFT模塊的自適應(yīng)TIADC頻譜分析模塊設(shè)計(jì),。TIADC多通道間的時(shí)延誤差采用頻域互譜法,而信號(hào)的頻譜分析同樣需要作FFT運(yùn)算處理,,為提高FFT模塊的使用率,,設(shè)計(jì)FFT模塊的結(jié)構(gòu)復(fù)用。
2.1 FFT頻域時(shí)延估計(jì)
相鄰?fù)ǖ赖牟蓸有盘?hào)實(shí)為同一信號(hào)的時(shí)移函數(shù),,具有較強(qiáng)的自相關(guān)性[6],。通道間相關(guān)函數(shù)的最大值位置對(duì)應(yīng)著時(shí)延值。為提高峰值的分辨率,,采用相關(guān)峰的互譜插值方法來(lái)實(shí)現(xiàn),。頻域時(shí)延估計(jì)框圖如圖3所示。
以第一通道采樣序列x1(n)為參考基,,分別計(jì)算與其它各通道采樣序列xi(n)的相關(guān)函數(shù),。設(shè)計(jì)先將采樣序列x1(n)和x2(n)緩存N個(gè)點(diǎn),,再分別作長(zhǎng)度為2N的FFT運(yùn)算,運(yùn)算長(zhǎng)度不足自動(dòng)補(bǔ)零,,通過(guò)頻域補(bǔ)零可以提高相關(guān)函數(shù)峰值在時(shí)域的分辨率,。x1(n)和x2(n)作FFT得到頻譜X1(k)和X2(k),則相關(guān)函數(shù)的頻譜R(k)為:
互譜插值將相關(guān)函數(shù)的頻譜在頻域上作伸展,,而逆變換的時(shí)域波形不會(huì)發(fā)生改變,,也不會(huì)帶來(lái)新的誤差。根據(jù)互譜插值算法,,在互譜序列之間插入零值,進(jìn)行頻域擴(kuò)展,。取N1≥2N,,則擴(kuò)展后的互譜序列為:
通過(guò)插值得到的擴(kuò)展序列再作IFFT運(yùn)算,得到相關(guān)函數(shù)新的采樣序列r′(k),,新序列的采樣率相對(duì)于原來(lái)的提高了N1/2N倍,。最后搜索相關(guān)函數(shù)的最大值,確定其時(shí)間位置,,從而得到時(shí)延估計(jì)值,。
2.2 FFT模塊頻譜分析
信號(hào)頻譜分析的分辨率不僅取決于采樣率,還與FFT運(yùn)算點(diǎn)數(shù)的大小有關(guān),。計(jì)算頻譜的點(diǎn)數(shù)越大,,頻譜分析的分辨率越高,而在一個(gè)固定的高采樣率下,,增大采樣點(diǎn)數(shù)就需增加存儲(chǔ)空間和加大FFT運(yùn)算的難度,。數(shù)字下變頻FFT實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。
由圖4可知,,數(shù)字下變頻FFT整個(gè)過(guò)程可分為數(shù)字下變頻和FFT運(yùn)算,。假設(shè)整個(gè)頻帶中頻率為fI,在頻寬為B的范圍進(jìn)行FFT分析:以fS進(jìn)行采樣得到N點(diǎn)序列x(n),,再與數(shù)字本振頻率信號(hào)相混頻,,獲得I/Q兩路信號(hào)[7]。由此實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)x(n)頻譜X(k)平移fI,,原信號(hào)中頻率fI的分量移至零頻處,。再用帶寬為B的抽取濾波器對(duì)下變頻后信號(hào)進(jìn)行D倍抽取。
數(shù)字下變頻后得到I/Q兩路信號(hào),,通過(guò)加窗濾波器處理,,輸出為fI±B/2內(nèi)的頻率點(diǎn)數(shù),再作FFT運(yùn)算,,運(yùn)算點(diǎn)數(shù)減少D倍,,而頻譜分析效果不受影響,。FFT輸出值對(duì)應(yīng)每個(gè)頻率點(diǎn),取模后即得到信號(hào)的頻譜,。數(shù)字下變頻FFT能實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜的低存儲(chǔ)量和低運(yùn)算量,,極大地提高了頻譜分析的實(shí)時(shí)性。
2.3 FFT模塊復(fù)用
時(shí)延估計(jì)電路和頻譜計(jì)算都采用FFT模塊實(shí)現(xiàn),,分立使用FFT模塊造成硬件開(kāi)銷(xiāo)很大,。為了提高FFT模塊在設(shè)計(jì)中的利用率,減少硬件的資源浪費(fèi),,通過(guò)簡(jiǎn)單的邏輯控制對(duì)兩處FFT模塊使用結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,,以實(shí)現(xiàn)FFT模塊的復(fù)用。FFT模塊復(fù)用設(shè)計(jì)如圖5所示,。
為了實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)快速的,、實(shí)時(shí)的頻譜分析,F(xiàn)FT工作在高時(shí)鐘下,。四路ADC采樣數(shù)據(jù)與加窗濾波后的數(shù)據(jù)速率并不相同,,所以在作FFT運(yùn)算前需要作跨時(shí)域處理,以匹配寫(xiě)入和讀出的速率,。設(shè)通道間相關(guān)函數(shù)點(diǎn)數(shù)為N,,由互譜插值算法,F(xiàn)FT作長(zhǎng)度為2N運(yùn)算,。由于各通道采集進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)的,,以采樣N點(diǎn)所需時(shí)間為完成一次復(fù)用所需時(shí)間。計(jì)算FFT復(fù)用的總周期數(shù),,再允以一定的邏輯操作時(shí)間,,可以確定最小的FFT模塊工作頻率??鐣r(shí)域的輸入和輸出速率確定后,,可以定制異步FIFO的最小深度,合理利用資源,。
數(shù)據(jù)先通過(guò)FIFO緩存,,再由二選一選擇器完成FFT模塊的選通。一組數(shù)據(jù)的裝載起始信號(hào)和另一組數(shù)據(jù)完成標(biāo)志信號(hào)共同作為本組數(shù)據(jù)的選通使能信號(hào),。通過(guò)邏輯模塊的控制,,完成FFT模塊的復(fù)用設(shè)計(jì)。
3 系統(tǒng)框架及FPGA實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)
3.1 TIADC頻譜分析框架
頻譜模塊主要由四通道ADC和FFT模塊的復(fù)用電路組成,?;赥IADC采樣的頻譜分析框架如圖6所示。
四通道ADC組成頻譜分析的采樣電路,實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的交錯(cuò)采樣,。設(shè)計(jì)采用頻域互譜和Farrow濾波器組成頻譜分析的自適應(yīng)校正電路,,以FFT模塊為基礎(chǔ)計(jì)算通道間采樣序列的互譜,用IFFT計(jì)算互譜的相關(guān)函數(shù)進(jìn)而得到時(shí)延估計(jì)值,,并結(jié)合Farrow結(jié)構(gòu)分?jǐn)?shù)延遲濾波器完成TIADC采樣數(shù)據(jù)的自適應(yīng)校正,;校正后的四路ADC數(shù)據(jù)有序拼接,得到高速數(shù)據(jù),,再經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻處理后作FFT運(yùn)算,,從而得到信號(hào)的頻譜圖。數(shù)字下變頻減少數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量和頻譜分析運(yùn)算量,,從而可提高頻譜分析的實(shí)時(shí)性,。設(shè)計(jì)通過(guò)邏輯控制模塊,實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)拼接和FFT模塊復(fù)用,,從而優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),,完成信號(hào)的頻譜分析。
3.2 TIADC頻譜分析的FPGA實(shí)現(xiàn)
TIADC頻譜分析模塊主要包括四路ADC外采樣電路和信號(hào)處理電路,。信號(hào)的頻譜分析電路采用FPGA實(shí)現(xiàn),主要由ADC控制模塊,、時(shí)延誤差校正模塊,、數(shù)字下變頻模塊和FFT模塊組成。下面重點(diǎn)介紹FFT模塊和時(shí)延校正模塊的Farrow濾波器實(shí)現(xiàn),。
3.2.1 FFT模塊實(shí)現(xiàn)
FFT利用離散傅里葉變換旋轉(zhuǎn)因子的周期性和對(duì)稱(chēng)性來(lái)減少運(yùn)算量,。設(shè)計(jì)采用Xilinx自帶的IP核,以達(dá)到簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)目的,。FFT的IP核最高時(shí)鐘頻率達(dá)550 MHz,,最高吞吐率達(dá)到550 MS/s,最大轉(zhuǎn)換長(zhǎng)度點(diǎn)65 536,。在邏輯資源使用和轉(zhuǎn)換速度選擇中,,F(xiàn)FT的IP核提供4種運(yùn)算結(jié)構(gòu),能夠滿足各種設(shè)計(jì)需求,。
由于FFT的復(fù)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),,需要對(duì)輸入和輸出數(shù)據(jù)作載入或存儲(chǔ)處理,因此設(shè)計(jì)選用基2的Burst I/O結(jié)構(gòu),?;?結(jié)構(gòu)使用邏輯資源較少,提供數(shù)據(jù)的導(dǎo)入/導(dǎo)出處理階段,,有利于分段復(fù)用設(shè)計(jì),。FFT的IP核為快速傅里葉變換提供了性能良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),方便實(shí)現(xiàn)。
3.2.2 Farrow濾波器實(shí)現(xiàn)
通過(guò)互譜插值實(shí)現(xiàn)時(shí)延估計(jì),,確定時(shí)延誤差,,其相對(duì)于采樣周期Ts,大小為采樣周期的分?jǐn)?shù)倍,。設(shè)計(jì)采用分?jǐn)?shù)延遲濾波器對(duì)時(shí)間誤差進(jìn)行校正,。基于Farrow結(jié)構(gòu)的分?jǐn)?shù)延遲濾波器采用延時(shí)量d的P階多項(xiàng)式來(lái)近似分?jǐn)?shù)延時(shí)濾波器的系數(shù),,其傳輸函數(shù)H(z,,d)為:
Farrow結(jié)構(gòu)的分?jǐn)?shù)延遲濾波器可分解為多個(gè)固定系數(shù)的FIR濾波器。利用MATLAB計(jì)算各個(gè)FIR濾波系數(shù),,取階數(shù)L為12,,歸一化帶寬0.75。Farrow濾波器的幅頻特性如圖7(a)所示,,其硬件實(shí)現(xiàn)如圖7(b)所示,。
Farrow濾波器無(wú)需因誤差值變化而改變子濾波系數(shù),可由4個(gè)直接型FIR濾波器,、3個(gè)乘法器和3個(gè)加法器實(shí)現(xiàn),,硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,其中直接型FIR濾波器由FPGA的IP核完成,,可減少硬件資源開(kāi)銷(xiāo),。
4 實(shí)驗(yàn)與分析
本設(shè)計(jì)采用4片AD7980芯片構(gòu)成四通道時(shí)間交替采集電路。每個(gè)芯片的吞吐速率為1 MS/s,,四通道拼接可達(dá)4 MS/s,。核心邏輯控制采用Xilinx FPGA,型號(hào)XC6SLX45-2CSG324,。采用ISE13.1進(jìn)行邏輯綜合分析,,一個(gè)FFT模塊綜合約消耗資源32個(gè)XtremeDSP和9 KB RAM,復(fù)用FFT結(jié)構(gòu),,大大地降低了資源的開(kāi)銷(xiāo),。
由標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源輸出單頻12 kHz,幅度為1 V(峰峰值),,偏移量為直流1 V的正弦波,。單通道采樣率為600 kS/s,進(jìn)行TIADC采樣,,再作FFT的頻譜分析,,使用Xilinx內(nèi)置開(kāi)發(fā)工具ChipScope進(jìn)行在線調(diào)試, TIADC的采樣率為2.4 MS/s,,頻譜分析點(diǎn)數(shù)為1 024,。頻譜測(cè)量如圖8所示。
由圖8(a)和8(b)可知,其頻譜的實(shí)部和虛部在兩處取得峰值,,第一處峰值為信號(hào)的直流分量,,第二處取得峰值是信號(hào)的頻率量。圖8(c)為FFT序列的時(shí)序圖,,實(shí)部與虛部同時(shí)取得最大值,。由于ChipScope抓取的數(shù)據(jù)量大,數(shù)字形式不夠直觀,,所以將FFT序列保存為.ASCII類(lèi)型文件,,保留有效頻率分量,通過(guò)MATLAB觀察頻譜波形如圖8(d)所示,,在零頻處取得直流分量,,在11.72 kHz處取得頻率分量,在誤差允許范圍內(nèi),得到正確的信號(hào)頻譜圖,。
為驗(yàn)證TIADC頻譜模塊的工作穩(wěn)定性,,并分析其頻譜分析性能,實(shí)驗(yàn)分別給16組信號(hào)單頻正弦波作頻譜分析,,其輸入信號(hào)頻率和頻譜分析頻率如表1所示,。
表1給出實(shí)驗(yàn)組輸入信號(hào)的頻譜分析結(jié)果及其相對(duì)誤差。TIADC頻譜分析模塊工作采樣率為2.4 MS/s,,頻譜分辨率為2.343 kHz,,分析最大頻率為1.2 MHz。由表中測(cè)試結(jié)果可知,,輸入信號(hào)頻率低于8 kHz,相對(duì)誤差大于10%,,測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確,;輸入信號(hào)頻率在12 kHz~64 kHz之間,相對(duì)誤差約為2%,,測(cè)量值與實(shí)際值吻合較好,;其他組頻譜測(cè)量的結(jié)果相對(duì)在1%以下,測(cè)量值更精確,。從實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知,,TIADC頻譜分析模塊工作穩(wěn)定,正確地反映出了輸入信號(hào)的頻譜信息,。
5 結(jié)論
本文所提出時(shí)間交替頻譜模塊采用模塊化設(shè)計(jì),,設(shè)計(jì)算法易在FPGA中實(shí)現(xiàn)。四通道采樣時(shí)間誤差采用相關(guān)函數(shù)互譜插值,,其估計(jì)精度有更好的抗噪聲能力,,F(xiàn)arrow結(jié)構(gòu)分?jǐn)?shù)延遲濾波器進(jìn)行校正,其濾波系數(shù)無(wú)需因估計(jì)值不同而變化;數(shù)字下變頻實(shí)現(xiàn)高分辨率的頻譜分析而又不增加存儲(chǔ)難度和運(yùn)算量,;FFT模塊的復(fù)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化,,大大減少硬件開(kāi)銷(xiāo)。實(shí)驗(yàn)證明,,所設(shè)計(jì)的TIADC頻譜分析系統(tǒng)不僅能準(zhǔn)確分析輸入信號(hào)的頻譜信息,,提高了信號(hào)頻譜分析的頻寬,而且節(jié)約了硬件資源開(kāi)銷(xiāo),。TIADC頻譜模塊設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)高頻寬,、高分辨率的頻譜分析提供了有效的技術(shù)支持。
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