基于虚拟仪器的实时频谱分析仪设计

摘要

频谱分析仪是电子测量仪器中应用非常广泛的一种仪器。一台高性能频谱仪,即可完成大部分信号分析、射频测试功能。采用快速傅里叶变换(FFT)分析法的现代实时频谱仪的出现,进一步将频谱仪的应用领域扩展到快速变化的瞬态信号测试、宽带实时信号分析中。目前,我国的高档频谱分析设备主要依赖进口,价格昂贵。　　虚拟仪器充分利用计算机系统强大的数据处理能力,在基本硬件的支持下,利用软件完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等,通过软、硬件的配合来实现电子测量仪器的各种功能。虚拟仪器技术的出现,”硬件软件化”的构想,使发展低成本频谱分析设备成为可能。　　论文融合了实时频谱分析和虚拟仪器这两种前沿技术。采用FPGA(Field Pro-grammable Gate Array现场可编程门阵列)用LE(Logic Element逻辑单元)和触发器等硬件实现了全并行的FFT分析,并结合基于高速USB2.0接口的虚拟仪器技术在Windo-ws操作系统上构建了具有软实时特性的虚拟频谱分析系统。　　系统实现了信号的采集,用FPGA实现了数据抽取、抽取前抗混叠滤波、FFT、模块间接口和板级接口状态机,硬件与PC机经高速USB2.0接口通讯,结合NI Measurement Studio图形化工具在VC++环境下以多线程方式完成了软件设计。　　系统的测试结果表明,所设计的”基于虚拟仪器的实时频谱分析仪设计”在使用通用操作系统的PC上实现了具有软实时特性的频谱分析仪,实现了对12.5MHz以内基频信号频谱的实时分析,具有一定的教学和科研价值。

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第一章 绪论

§1.1 研究背景和意义

§1.2 国内外研究现状和发展趋势

§1.3 论文的主要研究内容

第二章 高速数据采集子系统设计

§2.1 数据采样原理概述

§2.2 数模转换电路设计

§2.3 时钟产生电路设计

第三章 信号处理子系统设计

§3.1 FIR滤波器

§3.2 数据抽取

§3.3 FFT原理及应用

§3.4 辅助模块与级间互连设计

§3.5 板级互连接口设计

第四章 高速USB2.0子系统设计

§4.1 USB2.0系统

§4.2 CY7C68013A芯片及GPIF接口

§4.3 USB2.0高速传输固件程序设计及驱动程序

§4.4 FIFO（CY7C4251V）设计

第五章 高速PCB设计

§5.1 高速电路设计理论

§5.2 高速PCB设计

第六章 虚拟仪器软件设计

§6.1 赛普拉斯应用程序接口

§6.2 多线程

§6.3 Measurement Studio进行人机界面设计

第七章 系统调试与功能验证

§7.1 系统调试概述

§7.2 各模块调试验证

§7.3 系统功能调试验证

§7.4 测量结果的误差分析

第八章 总结与展望

§8.1 总结

§8.2 展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果

附录A：硬件电路图

附录B：数据抽取Verilog部分程序