基于fpga的数字式频谱分析仪

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1、本科生毕业设计（论文）开题报告毕业设计题目：基于FPGA的数字式频谱分析仪的设计学院：信息科学与工程学院专业班级：电子信息工程0703班学生姓名：海振国指导教师：于海雁2011年3月18日-13-基于FPGA的数字式频谱分析仪的设计一、课题研究的目的和意义频谱分析在生产实践和科学研究中有着广泛的应用。所谓频谱分析就是将信号源发出的信号强度按频率顺序展开，使其成为频率的函数，并考察变化规律。对于一个电信号的研究，我们可以分析它随时间变化的特性，也可以由它所包含的频率分量(即频谱分布)来描述。通常把前者称为时域分析，后者称为信号的频域分析。示波器是时域测量的典型仪器，频谱分析仪则是最重要的频域

2、分析仪器。当我们测量一个信号，通常所用的最基本的仪器是示波器，用来观察信号的波形、频率、幅度等，也即是从时域上来分析该信号，但信号非常复杂，许多信息是用示波器检测不出来的，例如我们要分析一个非正弦波信号，从理论上来说，非正弦波信号是各种不同频率、不同振幅的正弦波的矢量迭加，如果用示波器来测量，这时测量得到的是复合波形，并不能得到其频率的组成，如果要观察其频率组成，就要用频域法，横坐标为频率，纵坐标为各分量功率幅度，这样，我们就可以看到在不同频率点上功率幅度的分布，就可以知道非正弦波信号的组成频率成份，得到信号的更多信息，特别是，利用示波器很难看出正弦信号的微小波形失真，但在频谱仪上却能定量

3、地测出，哪怕是很小的谐波分量。-13-对信号进行频谱分析，可以得到信号的频率结构，了解信号的频率成分或系统的特征。在此基础之上，可实现对信号的跟踪控制，从而实现对系统状态的早期预测，发现潜在的危险并诊断可能发生故障的原因，对系统参数进行识别及校正。因此，频谱分析是揭示信号特征的重要方法，也是处理信号的重要手段。这些方法和手段己经广泛地应用于通信、雷达、地震、声纳、生物医学、物理、化学、音乐、经济等领域。而进行频谱分析的仪器就是频谱分析仪，它能自动分析电信号并在整个频谱上显示出全部频率分量情况，确定一个变化过程(称为信号)的频率成分，以及各频率成分之间的相对强弱关系。频谱分析仪正被广泛地用于

4、测量调制波的频谱、正弦信号的纯度和稳定性、放大器的非线性失真、信号分析与故障诊断等，对于频谱分析仪的具体应用，主要有以下几个方面：(1)对信号参数进行测量用频谱分析仪测量信号本身(即基波)及各次谐波的频率，以及各频率分量之间的间隔。①直接显示各次谐波的幅值，用以判断失真的性质及大小。②可以用做选频电压表，如测量工频干扰的大小。③根据谱线的抖动情况可以测量信号频率的稳定度。(2)用于信号仿真测量对于声音信号来说，通常所说的“音色”是对其频谱而言的，音色如何由其谐波成分决定。各种乐器或歌唱家的音色可用频谱来鉴别。由电子电路制作的电子琴是典型的乐器仿真，通过频谱仪对各种乐器的频谱进行精确的测量，

5、在电子琴的制作和调试过程中，与被仿乐器的频谱做精确的比对，从而提高电子琴的仿真效果。同理，可通过频谱仪的协助来实现语言的仿真。(3)用于电子设备调试通过频谱仪显示信号的各种频率成分及幅度，用于调试分频器、倍频器、混频器、频率合成器、放大器及各种网络分析等，非常方便。-13-对于非电信号的测量，如机械振动等，通过转换器均可用频谱分析仪进行测量。而对各类旋转机械、电机、机床等机器的主体或部件进行实际运行状态下的谱分析，可以提供设计数据和检验设计结果，或者找寻震源和诊断故障，保证设备的安全运行。(4)用于国防现代国防中，电子技术之间的较量发展成为一种新的形式，即电子对抗，利用电磁波之间的干扰与反

6、干扰，跟踪与反跟踪，进行对抗。利用频谱仪对敌方电台发射的信号进行有效的侦察、搜索和监视，是电子对抗的必要手段。同理，也可用来观察卫星地球站设备的工作情况。如上所述，频谱分析仪的应用非常广泛，而各行各业、各个部门对频谱分析仪应用的侧重点也不尽相同，对于需要在野外或测量现场来回测试、检查的应用，体积较大，重量较重，便携性不好的频谱分析仪就显得非常不方便，若有体积小、重量轻、便携性好的频谱分析仪，则会给其应用带来很大的方便，更好的发挥频谱分析仪的作用。传统频谱分析仪主要依靠模拟滤波器来分开各频率成分并进行频率成分测量。为了提高频谱分辨率，需要通频带很窄的滤波器，并且由于模拟滤波器中心频率会随时间

7、、环境温度“漂移”，因此制造高稳定度、高精度的的这种频谱分析仪比较困难。随着FFT的提出，利用数字方法进行频谱分析成为可能，这解决了很多传统频谱分析仪存在的问题，如“温漂”等。实现FFT算法有利用软件或利用纯硬件等不同方法，利用软件的方法可以在PC机或在DSP芯片上实现，其频谱分析主要是依靠软件计算来实现。而利用硬件方法的有FPGA或专用集成电路（ASIC）。随着技术的不断发展，目前FPGA芯片的性能和规模已达到很高的程