基于FPGA的多通道宽带数字频谱仪设计

刘 欣刘东亮

（①国家无线电监测中心 北京100037 ②中国科学院国家天文台 北京 100012）

基于FPGA的多通道宽带数字频谱仪设计

刘 欣①刘东亮②

（①国家无线电监测中心 北京100037 ②中国科学院国家天文台 北京 100012）

为了进一步提高数据处理效率和满足射电天文后端设备发展与类似密集型数据处理的需求，文章给出了一种基于FPGA的多通道宽带数字频谱仪系统仿设计，具有16K通道数，2GHz的处理带宽，可以达到128kHz的频谱分辨率。主要介绍了频谱仪的设计思路，给出CAD设计方案、生成模型验证和仿真结果测试。

数字频谱仪；FPGA；多通道数

引言

频谱仪被广泛使用在科研工作中，是进行频谱转换与测量的专用设备，用来对各种信号进行处理分析。近年来，随着半导体技术的发展，宽带高速ADC、高性能数字信号处理芯片（FPGA）以及高性能计算机总线的出现，使基于FFT原理的数字频谱技术迅速发展起来。

目前国内外比较常见的频谱仪系统是基于Xilinx Virtex系列的FPGA的数字信号处理系统[1]。例如美国加州大学伯克利分校近年来也在研制类似的频谱仪，其功能包括高速采样量化信号、频带调制、多相滤波、傅里叶变换和对数字信号的高速传输（通过两个10Gb网络端口（CX4）将数据以UDP包形式输出），输出端可接驳BEE2系统、交换机和高速网卡等，这一系列频谱仪的主要特点是具有多个Z-DOK接口,可以接驳多种I/O板（包括双路1GSa/s的采样卡或者四路250MSa/s的模数，数模转换卡)[2]。与此同时，德国马普研究所近来也在研发一种扩展带宽快速傅里叶变换频谱仪系统[3]，该系统采用赛灵思最新的Xilinx Virtex-6可编程逻辑门电路（FPGA）处理核心，配备实时带宽单通道4GHz、双通道2.5GHz的数字转换和采样模块，实现了16K傅里叶变换通道的高分辨率数字频谱分析能力。

综合以上特点，结合目前Xilinx最新发展的Virtex系列FPGA技术发展，进行了多通道宽带数字频谱仪系统仿真设计。

1 频谱仪设计框架

频谱仪的主要原理是将接收输入的基带混合中频(IF)信号进行外差式采样，将输入的信号进行量化与编码的数字测量后，通过数据总线传输至FPGA芯片核心，进行多相滤波与快速傅里叶变换运算的数字信号处理，然后计算信号的功率谱数据，得到信号测量结果，并按照X轴为频率，Y轴为功率谱的数据矩阵，将测量结果存储在频谱仪内置的存储芯片中。通过频谱仪的网络接口，可将数据输出至后端接收电脑，实现进一步的测量处理与图形绘制等工作。频谱仪机柜将多套频谱仪整合封装，并设置统一的电源与时钟模块。通用的频谱仪设计框图如图1所示。

图1 频谱仪设计框图

2 多通道频谱仪的具体设计

不同于传统的Verilog语言底层设计，Xilinx近年来引入系统级模块化设计的概念，在这种方式下，不仅可以更直观、快速和灵活地进行系统级模块的构建，而且可以使设计者把更多精力集中在核心算法的实现上，而不必拘泥于具体实现方式。

在Matlab Simulink平台下，调用Xilinx System Generator函数库和Xilinx函数库，依次连接ADC、PFB和FFT模块。ADC模块的时钟频率为2048MHz（1024MHz奈奎斯特采样率），ADC四路同步输出，因此全局时钟为1/4的ADC频率，512MHz；PFB和FFT模块中设置大小为16K通道输出，之后连接实部虚部的分离模块和系数量化模块，将FFT输出的18bit按比特位选择其中的8bit，并将输出合并为128bit的总数据链路。设计如图2所示。

图2 Simulink中频谱仪的ADC与FFT模块设计

图3 基于窗函数的多相滤波器设计

传统的FFT处理过程中会产生一定的频谱泄露，为了实现更好的相邻频带频响特性，在设计中加入了基于窗函数的相滤波器组，经过FFT处理过的每个通道频谱得到最大信噪比。

如图3所示，整体设计调用Xilinx自带FIR滤波器模块进行拼接，FIR采用4抽头汉宁窗算法。通过多相FIR滤波器对输入的信号进行预谱带处理后，传输到后端的1024通道FFT模块中。

如果直接将128bit总数据链路输入到传输模块，则无法控制每个IP数据包中对应的频谱信息，因此设计中Bram寄存器对数据流进行重组。此模块的功能为顺序输入数据，按预存次序输出。将16K通道对应分配到16IP中，每个IP接收对应的1024个通道，通过数据流调整模块和IP数量的对应控制，可以实现对信号频谱的任意目标分配，非常灵活。

3 性能测试和分析

整体设计中，由于采用了FIR4抽头汉宁窗算法的多相滤波器组与FFT相结合的频谱仪处理核心，使得其多通道频谱输出旁带得到很好的抑制。比较而言，汉宁窗的主瓣与海明窗相当，比同阶的矩形窗宽，旁瓣最大泄漏为-43dB，矩形窗为-21dB，汉宁为-53dB。汉宁窗旁瓣随其阶数的增加以-5.2dB/个的速度衰减，为最快，海明窗与矩形窗则都以-1.3dB/个的速度在下降。海明窗的旁瓣衰减略比汉宁窗大，但是随旁瓣增加其衰减很慢。因此,实际信号分析中常常选用汉宁窗，只要选择恰当的阶数，使用汉宁窗截断的时候，频谱泄漏可以更小，这样就可以有效改善FFT输出的频率响应，抑制频谱泄露。

本研究在Matlab中对实际设计进行了测试，如图4所示，在加入多相滤波器组后的FFT输出旁瓣抑制近-65dB，较之单独FFT输出的-35db旁瓣，旁带干扰大大降低。

图4 多相4抽头FIR滤波器响应

对于频谱仪整体响应，在Matlab Simulink平台下，给系统输入叠加脉冲信号的白噪声输入进行系统测试。频谱仪输出测试结果见图5，从图中可以看出在对应的通道中得到了叠加信号频谱响应，验证频谱仪设计仿真工作正常。

图5 白噪声谱仿真测试结果

4 结论

稳定高速的实时宽带数字频谱仪系统可以提高整个数据接收系统的信号传输性能,在此需求下本文重点介绍了频谱仪的设计思路，给出CAD设计方案，生成模型验证，进行了仿真。从测试结果来看，达到了在实际应用中的设计要求。在此基础上，还对比验证了加窗后的FFT处理，可以有效地降低通道间的频谱泄露。在后续工作中，将在现有初步研究的基础上进行更进一步的系统分析和测试,针对特殊环境使用的可靠性等方面进行测试。

[1]Parsons,A.,et al.A Scalable Correlator Architecture Based on Modular FPGA Hardware and Data Packetization[J].PASP, 2008,120(873):1207-1221.

[2]A.Parsons,D.Backer,C.Chang,et.al.PetaOp/Second FPGA Signal Processing for SETI and Radio Astronomy[J].Proc. 10th Asilomar Conference on Signals,Systems and Computers,Paci_c Grove,CA,November 2006.

[3]http://www.radiometer-physics.de/rpg/html/Products_Spectrometers.html[EB/OL].

Design the Multi-Channel Wideband Digital Spectrometer based on FPGA

Liu-Xin①Liu Dong-liang②
（①The State Radio-monitoring Center Testing Center,Beijing 100041;②National Astronomical Observatories,CAS,Beijing 100012）

The FPGA based multi-channel wideband digital spectrometer was designed for the further improving the efficiency of data processing and fulfilling the developmental needs on the radio astronomy back-end equipments and similar intensive data processing.The multi-channel wideband digital spectrometer designed has 16K multi-channel with the bandwidth of 2GHz generating a spectral resolution up to 128kHz.We introduce the design frame,give the CAD design scheme and generate the model validation and the simulation results test.

digital spectrometer；FPGA；Multi-channel

TM935.21

A

1005-5738(2014)02-113-04

[责任编辑：周晓艳]

2014-09-24

2013年度国家自然科学基金青年项目“基于ROACH高性能射电望远镜频谱分析系统研制”阶段性成果，项目号：11203040

刘欣，男，汉族，山东德州人，国家无线电监测中心高级工程师，主要研究方向为无线电监测、数字信号处理。