摘要
本實驗基于FPGA開發(fā)板DE2-115和AD/DA板THDB-ADA設計一個信號產(chǎn)生與頻譜分析的系統(tǒng)。運用Quartus II軟件進行編程，首先，設計一個參數(shù)可變的LFM信號發(fā)生器和數(shù)字FIR濾波器。然后，通過DAC將其轉換為模擬中頻信號輸出，再對外接信號進行ADC采樣，最后，對信號進行頻譜分析。
關鍵詞：FPGA, Quartus II, LFM, ADC/DAC
一、實驗器材
1、FPGA
FPGA（Field－Programmable Gate Array）是一種半定制的集成數(shù)字芯片，其最大特點是現(xiàn)場可編程。內(nèi)部結構由CLB、RAM、DCM、IOB、Interconnect等構成。
圖1 FPGA內(nèi)部結構
FPGA開發(fā)的一般流程：
設計輸入：硬件描述語言，IP核，原理圖；
編譯：綜合，F(xiàn)itter，時序；
仿真：Modelsim；
下載調(diào)試：SignalTap。
2、DE2-115開發(fā)板
圖2 開發(fā)板示意圖
2.1 開發(fā)板資源
Altera Cyclone? IV 4CE115 FPGA 器件
Altera 串行配置芯片： EPCS64
USB Blaster 在線編程；也支持JTAG和AS可編程方式
2MB SRAM
兩片 64MB SDRAM
8MB Flash memory
SD卡插槽
4個按鈕
18個滑動開關
18個紅色LED
9個綠色LED
50M時鐘源
24位音頻編解碼器，麥克風插孔
電視解碼
RJ45 2G以太網(wǎng)接口
VGA連接器
含有USB_A和USB_B連接器的主從控制器
RS232收發(fā)器和9針連接器
PS/2鼠標和鍵盤連接器
紅外接收器
2.2 ControlPanel工具
ControlPanel是開發(fā)板自帶的一個工具軟件，可以通過該軟件提供的圖形界面直接對FPGA上的各個外設進行操作。通過該操作可以確認PC機與開發(fā)板的連接是否正確，開發(fā)板的硬件工作是否正常。
ControlPanel的安裝過程如下：
確保QUARTUS II 10.0 或以上版本能被成功安裝；將開關RUN/PROG切換到RUN位置；將USB接線連接至USB驅動端口，供12V電源并打開開關；打開主機上的可執(zhí)行文件DE2_115_ControlPanel.exe，controlPanel的用戶界面如下：
圖3 用戶界面
DE2_115_ControlPanel.exe一旦被啟動，DE2_115_ControlPanel.sof程序流文件將會被自動加載；如果未連接，點擊CONNECT，點sof文件將會重新加載到板子上；注意，控制面板將會占用一直到你關閉那個端口，除非你關閉USB端口，否則你不能使用QUARTUS II來下載文件；控制面板現(xiàn)在可以使用了，通過設置一些LED燈ON/OFF的狀態(tài)來觀察DE2-115上的狀態(tài)。
2.3 DE2-115開發(fā)板
JTAG配置FPGA：
連接電源適配器打開電源開關
將下圖開關到RUN位置進行調(diào)試
連接USB連接線連到DE2-115開發(fā)板的USB BLASTER端口
下載.sof后綴名的文件來對FPGA進行編程
如需對配置芯片變成開關需要打到PROGRAM位置
開發(fā)板代碼設計流程：
圖4 設計流程
利用System Builder建立工程，系統(tǒng)將自動根據(jù)需求進行管腳分配和相關設置。
輸入工程名字，將自動設置為頂層設計實體；
用戶根據(jù)自己的需求，選擇需要使用的模塊the DE2-115 ，System Builder將會自動產(chǎn)生相關聯(lián)的引腳配置；
用戶可以自己定義引腳的名字、位置、目錄、和IO標準
通過高速中間接口可以外掛子卡
he DE2-115 System Builder 可以使用戶加載某個配置，保存用戶的配置；將會產(chǎn)生QUARTUS II 的文件。
3、A/D、D/A開發(fā)板
ADDA擴展板是 利用HSMC接口進行擴展的子卡，相當于FPGA的一個外設。擴展板提供兩路
65
M
65M
65M，
14
14
14位采樣分辨率的ADC以及兩路
125
M
125M
125M，
14
14
14位采樣精度的DAC。采樣時鐘設置靈活可以采用多種形式。信號輸入和輸出采用變壓器耦合方式，頻率范圍為
0.1
M
H
z
?
800
M
H
z
0.1MHz~800MHz
0.1MHz?800MHz。
ADC的基本參數(shù)：集成雙端口14位AD；
3
V
3V
3V供電
（
2.7
V
?
3.6
V
）
（2.7V-3.6V）
（2.7V?3.6V）；
S
N
R
=
71.6
d
B
SNR=71.6dB
SNR=71.6dB；固定的模擬輸入范圍
0
V
?
2
V
0V~2V
0V?2V。
二、實驗內(nèi)容
1、實驗簡介
本實驗利用DE2-115開發(fā)板產(chǎn)生一個參數(shù)可變的線性調(diào)頻（LFM）信號，利用數(shù)字濾波器改變LFM信號的幅頻特性，并通過DA擴展板轉換為模擬中頻信號。通過AD擴展板采集該信號，經(jīng)過數(shù)字正交下變頻轉換為數(shù)字基帶信號，并對此基帶信號進行頻譜分析。
基本要求：
產(chǎn)生LFM脈沖，通過調(diào)試工具設置信號參數(shù)，使得脈沖寬度在1us~1s內(nèi)可變，帶寬在5MHz~10MHz可變，脈沖重復周期在10us~2s內(nèi)可變，載波頻率在5MHz~20MHz可變，輸出信號幅度在0.1~1V可變，以上參數(shù)可任意組合，產(chǎn)生的信號通過DAC輸出，DAC數(shù)據(jù)更新率為120MHz。
將上面產(chǎn)生的LFM脈沖先通過截止頻率為5MHz，阻帶頻率為10MHz的FIR低通濾波器，再通過DAC輸出。
將上面產(chǎn)生的LFM脈沖先通過截止頻率為5MHz，阻帶頻率為10MHz的FIR低通濾波器，再通過DAC輸出。
提高要求：
LFM信號的參數(shù)可變范圍進一步擴展，范圍越大越好。
多組FIR濾波器的沖擊響應可實時切換。
頻譜分析的分辨率進一步提高。
2、LFM信號的產(chǎn)生
2.1 LFM基帶信號
LFM基帶信號的數(shù)學表達式：
s
(
t
)
=
r
e
c
t
(
t
/
T
)
?
e
(
j
π
K
t
2
?
)
,
?
T
/
2
≤
t
＜
T
/
2
s(t)=rect(t/T)\ e^( j\pi Kt^2\ ),-T/2\le t＜T/2
s(t)=rect(t/T)?e(jπKt2?),?T/2≤t＜T/2
其中，
r
e
c
t
(
)
rect()
rect()是矩形脈沖函數(shù)，
T
T
T是脈沖持續(xù)時間，單位是
s
s
s，
K
K
K是調(diào)頻斜率，單位是
H
z
/
s
Hz/s
Hz/s。
LFM信號的瞬時相位為：
ψ
(
t
)
=
π
K
t
2
\psi\left(t\right)=\pi Kt^2
ψ(t)=πKt2
LFM信號的瞬時頻率為：
f
(
t
)
=
1
2
π
d
ψ
(
t
)
d
t
=
K
t
f\left(t\right)=\frac{1}{2\pi}\frac{d\psi\left(t\right)}{dt}=Kt
f(t)=2π1?dtdψ(t)?=Kt
LFM信號的帶寬為：
B
=
K
T
B=KT
B=KT
LFM基帶信號時域波形
圖5 帶寬為10MHz，脈寬為10us的LFM信號
2.2 LFM帶通信號
LFM帶通信號的數(shù)學表達式：
s
(
t
)
=
r
e
a
l
(
r
e
c
t
(
t
/
T
)
e
(
j
(
2
π
f
c
t
+
π
K
t
2
)
)
)
,
?
T
/
2
≤
t
＜
T
/
2
s(t)=real(rect(t/T) e^(j(2πf_c t+πKt^2))),-T/2≤t＜T/2
s(t)=real(rect(t/T)e(j(2πfc?t+πKt2))),?T/2≤t＜T/2
其中，
r
e
a
l
(
)
real()
real()是取復數(shù)實部函數(shù)，
f
c
f_c
fc?是載波頻率，單位是
H
z
Hz
Hz。
LFM帶通信號的瞬時相位為：
ψ
(
t
)
=
2
π
f
c
t
+
π
K
t
2
ψ(t)=2πf_c t+πKt^2
ψ(t)=2πfc?t+πKt2
LFM信號的瞬時頻率為：
f
(
t
)
=
1
/
2
π
d
ψ
(
t
)
/
d
t
=
f
c
+
K
t
f(t)=1/2π dψ(t)/dt=f_c+Kt
f(t)=1/2πdψ(t)/dt=fc?+Kt
LFM信號的帶寬為：
B
=
K
T
B=KT
B=KT
LFM帶通信號時域波形
圖6 載波為
10
M
H
z
10MHz
10MHz，帶寬為
10
M
H
z
10MHz
10MHz，脈寬為
10
u
s
10us
10us的LFM實帶通信號LFM帶通信號頻譜
圖7 載波為
10
M
H
z
10MHz
10MHz，帶寬為
10
M
H
z
10MHz
10MHz，脈寬為
100
u
s
100us
100us的LFM實帶通信號
2.3 DDS產(chǎn)生LFM信號
瞬時頻率：
f
(
n
T
s
)
=
f
c
+
K
n
T
s
f(nT_s )=f_c+KnT_s
f(nTs?)=fc?+KnTs?
DDS的頻率調(diào)諧字FTW和輸出頻率
f
o
f_o
fo?的關系：
F
T
W
=
f
o
/
f
s
2
N
FTW=f_o/f_s 2^N
FTW=fo?/fs?2N
其中，N是DDS的相位累加器位數(shù)，$f_s=1?T_s $為DDS的時鐘頻率。因此，用DDS產(chǎn)生LFM信號時，對應的頻率調(diào)諧字為：
F
T
W
(
n
)
=
r
o
u
n
d
(
f
o
/
f
s
2
N
)
=
r
o
u
n
d
(
f
c
/
f
s
2
N
+
n
K
〖
T
s
〗
2
2
N
)
FTW(n)=round(f_o/f_s 2^N )=round(f_c/f_s 2^N+nK〖T_s〗^2 2^N)
FTW(n)=round(fo?/fs?2N)=round(fc?/fs?2N+nK〖Ts?〗22N)
3、FIR濾波器
3.1 FIR濾波器設計方法
窗函數(shù)法：是一種在時域設計FIR數(shù)字濾波器的方法，用窗函數(shù)對理想濾波器的沖擊響應進行加權。
頻率取樣法：從頻域出發(fā)，對理想濾波器頻域特性進行等間隔采樣，將采樣值作為待設計濾波器的頻率特性，對其做IDFT得到濾波器的沖擊響應。
最優(yōu)設計方法：等波紋切比雪夫逼近法，采用“最大誤差最小”準則得到最佳濾波器。
3.2 MATLAB設計FIR濾波器
MATLAB函數(shù)：fir1、fir2、firpm
FIR濾波器設計工具：fdatool
4、 基于FFT的頻譜分析
4.1 FFT原理
FFT是快速傅里葉變換的簡稱，可對離散信號進行頻域分析。
若時域離散序列
x
(
n
)
，
0
≤
n
≤
N
?
1
，
x(n)，0≤n≤N-1，
x(n)，0≤n≤N?1，對其作N點FFT運算得到
X
(
k
)
X(k)
X(k):
X
(
k
)
=
∑
(
n
=
0
)
(
N
?
1
)
?
〖
x
(
n
)
e
(
?
j
2
π
/
N
k
n
)
〗
X(k)=∑_(n=0)^(N-1)?〖x(n)e^(-j 2π/N kn) 〗
X(k)=(∑?n=0)(N?1)?〖x(n)e(?j2π/Nkn)〗
其中，
｜
X
(
k
)
｜
｜X(k)｜
｜X(k)｜是歸一化頻率
2
π
/
N
k
2π/N k
2π/Nk的信號分量的幅度，
a
r
g
?
(
X
(
k
)
)
arg?(X(k))
arg?(X(k))是其相位。
4.2 頻譜分析原理
對模擬信號進行低通采樣或者帶通采樣得到實信號；
對實信號正交下變頻，得到零中頻復信號；
對零中頻信號作FFT，得到被分析信號的幅頻特性和相頻特性。
三、實驗過程
圖8 實驗流程
本次實驗使用了PLL IP核、NCO IP核、FIR IP核、FFT IP核以及乘法和加法器IP核。
PLL IP核：鎖相環(huán)IP核，利用50MHz系統(tǒng)時鐘，產(chǎn)生
125
M
H
z
125MHz
125MHz和
65
M
H
z
65MHz
65MHz的時鐘信號，分別驅動DAC和ADC模塊。
NCO IP核：根據(jù)隨時間變化的頻率控制字，輸出正余弦信號，得到線性調(diào)頻(LFM)信號。
FIR IP核：導入由matlab生成的系數(shù)文件(.txt)，對輸入數(shù)據(jù)進行濾波。本次實驗一共設計了兩個低通濾波器，一個是對LFM信號進行濾波的濾波器，它的通帶截止頻率為
5
M
H
z
5MHz
5MHz，阻帶截止頻率為
10
M
H
z
10MHz
10MHz的低通FIR濾波器，另一個是在正交下變頻中使用的低通濾波器，它的通帶截止頻率為
2.5
M
H
z
2.5MHz
2.5MHz，阻帶截止頻率為
5
M
H
z
5MHz
5MHz。
FFT IP核：設置點數(shù)，可以對輸入數(shù)據(jù)進行相應點數(shù)的FFT/IFFT運算，將時域輸入轉換成頻域輸出。
1、設置參數(shù)
圖9 LFM_1參數(shù)設置
打開In-System Sources and Probes Editor工具，進行參數(shù)設置，
s
o
u
r
c
e
1
source1
source1調(diào)節(jié)幅度，
s
o
u
r
c
e
2
source2
source2調(diào)節(jié)脈沖寬度，
s
o
u
r
c
e
3
source3
source3調(diào)節(jié)脈沖重復周期，
s
o
u
r
c
e
4
source4
source4調(diào)節(jié)載頻，
s
o
u
r
c
e
5
v
調(diào)
節(jié)
帶
寬
，
source5v調(diào)節(jié)帶寬，
source5v調(diào)節(jié)帶寬，source6$調(diào)節(jié)FFT輸出幅頻特性大小。
要產(chǎn)生一個幅度為
1
V
1V
1V，脈寬為
1
u
s
1us
1us，脈沖重復周期為
2
u
s
2us
2us，載頻
6
M
H
z
6MHz
6MHz，帶寬
5
M
H
z
5MHz
5MHz的LFM信號，則
s
o
u
r
c
e
1
=
1
，
s
o
u
r
c
e
2
=
1
，
s
o
u
r
c
e
3
=
2
，
s
o
u
r
c
e
4
=
6
，
s
o
u
r
c
e
5
=
5
，
s
o
u
r
c
e
6
=
0
source1=1，source2=1，source3=2，source4=6，source5=5，source6=0
source1=1，source2=1，source3=2，source4=6，source5=5，source6=0。
圖10 LFM_2參數(shù)設置
產(chǎn)生一個幅度為
1
V
1V
1V，脈寬為
10
u
s
10us
10us，脈沖重復周期為
20
u
s
20us
20us，載頻
5
M
H
z
5MHz
5MHz，帶寬
5
M
H
z
5MHz
5MHz的LFM信號。
2、硬件調(diào)試
圖11 調(diào)試結果1
打開SignalTap II Logic Analyzer工具，添加需要觀測的信號，運行，可以看到信號波形。其中DAC_DA信號是幅度為
1
V
1V
1V，脈寬為
1
u
s
1us
1us，脈沖重復周期為2us，載頻
6
M
H
z
6MHz
6MHz，帶寬
5
M
H
z
5MHz
5MHz的LFM信號，可以看到占空比為
1
/
2
1/2
1/2；DAC_DB是經(jīng)過濾波以后的LFM信號，可以觀察到高頻部分的衰減；ADC_DB是經(jīng)過濾波后的數(shù)字LFM信號，result信號是對其進行FFT運算后的結果。
圖12 調(diào)試結果2
幅度為1V，脈寬為10us，脈沖重復周期為20us，載頻5MHz，帶寬5MHz的LFM信號的硬件調(diào)試結果。將AD/DA拓展板上的DAC_DA接口和ADC_DB接口相連，通過SignalTap II工具可以得到?jīng)]有經(jīng)過低通濾波的LFM信號的幅頻和相頻特性，從上往下數(shù)第二條波形是該LFM信號的幅頻特性。將該帶通信號ADC_DB正交下變頻，得到零中頻信號，再進行FFT，倒數(shù)第二條波形是正交下變頻之后的幅頻特性，最后一條波形是采用Cordic算法得到的相頻特性。
圖13 濾波后的調(diào)試結果
將AD/DA拓展板上的DAC_DB接口和ADC_DB接口相連，通過SignalTap II工具可以得到經(jīng)過低通濾波的LFM信號的幅頻和相頻特性，從上往下數(shù)第二條波形是經(jīng)過低通濾波的LFM信號的幅頻特性。將該帶通信號ADC_DB正交下變頻，得到零中頻信號，再進行FFT，倒數(shù)第二條波形是正交下變頻之后的幅頻特性，最后一條波形是相頻特性。
3、示波器觀察
打開In-System Sources and Probes Editor工具，進行參數(shù)設置，
s
o
u
r
c
e
1
=
0
，
s
o
u
r
c
e
2
=
10
，
s
o
u
r
c
e
3
=
20
，
s
o
u
r
c
e
4
=
10
，
s
o
u
r
c
e
5
=
10
，
s
o
u
r
c
e
6
=
5
source1=0，source2=10，source3=20，source4=10，source5=10，source6=5
source1=0，source2=10，source3=20，source4=10，source5=10，source6=5。產(chǎn)生脈寬為
10
u
s
10us
10us，脈沖重復周期為
20
u
s
20us
20us，載頻
10
M
H
z
10MHz
10MHz，帶寬
10
M
H
z
10MHz
10MHz的LFM信號。
圖14 時域波形
通過顯示光標，可以在示波器上看到脈寬為
10
u
s
10us
10us，重復周期為
20
u
s
20us
20us的LFM信號。
圖15 原信號頻譜
按下示波器上的FFT按鍵，顯示該LFM信號的頻譜，通過顯示光標，可以看到信號的載頻為
10
M
H
z
10MHz
10MHz，帶寬為
10
M
H
z
10MHz
10MHz。
圖16 濾波后的時域波形
這是LFM信號通過通帶截止頻率為
5
M
H
z
5MHz
5MHz，阻帶截止頻率為
10
M
H
z
10MHz
10MHz的低通濾波器后輸出的波形。
圖17 濾波后的頻譜
由于濾波器的過渡帶為
5
M
H
z
?
10
M
H
z
5MHz~10MHz
5MHz?10MHz，所以經(jīng)過濾波后，信號的幅頻特性在
5
M
H
z
?
10
M
H
z
5MHz~10MHz
5MHz?10MHz內(nèi)有了衰減，
10
M
H
z
10MHz
10MHz以上的頻率成分被濾除。文章來源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-439363.html
四、實驗總結
通過這一個星期的電類綜合實驗，我學會了Quartus II軟件的使用，熟悉了Quartus II軟件內(nèi)部的調(diào)試工具，熟悉了verilog語言的使用，了解了LFM信號的產(chǎn)生和數(shù)字處理、頻譜分析。從一開始的一籌莫展，到一步一步的實現(xiàn)這個過程中，我學到了很多學習新知識的方法，掌握了專業(yè)知識，同時鍛煉了動手的能力。
回顧整個設計過程，發(fā)現(xiàn)自己真的有很多不足。在實驗過程中，學到了很多有關電子技術理論和實際方面的知識，從理論中得出結論，才能真正的提高自己的實際動手能力和獨立能力，從中獲得經(jīng)驗和知識。對以前所學過的知識理解不夠深，不夠透，掌握不夠牢固。
之前，在課本上學習過很多數(shù)字信號處理的方法，但是從未動手實踐過，在這次實踐的同時，發(fā)現(xiàn)了以前知識的短板。理論知識掌握了還是遠遠不夠的，還需要會使用matlab仿真，會使用verilog語言編寫代碼，會使用Quartus II軟件硬件調(diào)試，會使用示波器觀察信號等等，在實踐之后才知道要真正實現(xiàn)一個系統(tǒng)，理論學習只是特別小的一部分，但也是第一步。在該如何設計，并且使之能實現(xiàn)我們需要的功能這個過程中，培養(yǎng)了我們的設計思維，增加了實際操作能力。這次讓我體會到了實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的艱辛與成功之后的喜悅。尤其是Quartus II軟件的編程花費了我大量的時間，但是最終基本完成了實驗目標。
因為我平時接觸FPGA較少，不是這個專業(yè)的，在此要多謝楊同學的指導。
程序鏈接： link.文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-439363.html
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