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基于LabVIEW与FPGA虚拟频谱分析仪的设计与实现

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摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 频谱分析仪研究现状

1.2.1 虚拟仪器国研究现状

1.3 研究内容和研究目标

1.4 本文的工作及章节安排

第二章 信号频谱分析的技术研究

2.1 频谱分析仪分类及原理

2.1.1 扫频频谱分析仪

2.1.2 矢量信号分析仪

2.1.3 实时频谱分析仪

2.2 信号频谱分析仪的技术指标

2.2.1 频率分辨率

2.2.2 灵敏度

2.2.3 测量动态范围

2.2.4 相位噪声

2.3 离散频谱的的误差分析

2.3.1 频谱混叠

2.3.2 频谱误差能量泄漏

2.3.3 栅栏效应

2.4 离散频谱误差解决方法

2.4.1 频谱混叠解决思路

2.4.2 频谱泄漏解决思路

2.4.3 栅栏效率解决思路

2.5 本章小结

第三章 频谱分析仪系统设计方案

3.1 引言

3.2 系统的硬件方案

3.2.1 主要器件选型

3.3.2 硬件系统设计

3.4 系统软件方案

3.4.1 LabVIEW软件平台介绍

3.4.2 软件系统设计框架

3.5 主要指标

3.6 本章小结

第四章 硬件系统设计

3.1 数字滤波器的设计

3.2 DDR控制器设计

4.4 千兆以太网数据传输设计

4.4.1 UDP/IP传输协议

4.4.2 MAC层设计

4.4.3 数据校验

4.5 Qsys系统的搭建

4.5.1 Osys系统介绍

4.5.2 Avalon接口规范

4.5.3 基于SOPC数据采集模块设计

4.6 本章小结

第五章 虚拟频谱仪软件设计

5.1 动态链接库技术介绍

5.2 以太网数据采集驱动设计

5.1.2 主机与从机的通信协议

5.1.3 WinPcap底层网络访问

5.1.4 数据捕获的DLL程序编写

5.1.5 LabVIEW中以太网数据传输

5.2 USB接口命令解析

5.3 LabVIEW多线程技术编程

5.4 数据处理模块设计

5.4.1 数据分析

5.4.2 数据的存储

5.5 本章小结

第六章 平台测试与分析

6.1 硬件平台的搭建

6.2 数据处理速度测试和分析

6.2.1 性能分析

6.2.2 测试方案

6.3.1 以太网数据传输测试

6.3.2 频率范围测试

6.3.3 信号带宽与频率范围的测试

6.3.4 动态范围测试

6.3.5 功率范围的测试

6.4 本章小结

第七章 总结及展望

参考文献

致谢

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摘要

频谱分析仪在通信、雷达监测等领域的科学研究中,发挥日益重要的作用。具有宽带信号采样、深存储捕获、实时宽带谱分析、高速数据传输等技术的实时数字频谱分析仪逐渐成为研究热点。随着计算机性能和嵌入式技术飞速发展,传统的大型、高集成化的仪器正逐渐朝着小型化和虚拟化的方向发展,而将PC机与硬件器件结合的虚拟仪器技术日益成为主流方式。本文主要讨论了虚拟仪器技术与SOPC技术相结合,实现高性能实时频谱分析仪的设计方案。
  首先从阐述频谱分析仪的技术理论,总结了频谱仪的技术特点及要求,并根据实时频谱分析仪的工作原理和系统所要求的技术指标,设计了以FPGA为硬件基础,LabVIEW为软件核心的高性能虚拟频谱分析仪系统,并分析了相关技术中可能存在误差的关键技术指标。在此基础上结合宽带数字中频系统的应用需求,提出了适用于LabVIEW与FPGA高速协同处理数据的方案:首先射频前端根据带通采样定理对模拟高频信号采样,接着采用数字下变频将信号从高频转为中频,保证有效信号不失真的情况下,对信号数据进行抽取滤波处理,得到低速率基带信号,在此基础上完成后续的FFT处理,提取所需的频谱信息,实现整个频谱仪的频谱测量功能。
  接下来文章论述了虚拟频谱分析仪的硬件系统架构。总体介绍了数字中频的硬件结构和在FPGA数据传输中各模块的设计,包括数字中频信号处理模块、大容量数据存储模块、高速数据传输模块及Qsys系统的构建。并给出了各个模块的算法原理与仿真测试结果。
  此外,虚拟频谱分析仪应用软件程序是在计算机硬件环境下进行设计开发,将计算机作为硬件设备和LabVIEW软件来实现传统仪器设备的分析和处理机制。在数据传输设计上,通过USB端口连接下位机FPGA板卡完成数据采样和存储控制,利用自主开发的API和LabVIEW中丰富的库函数,实现上位机数据接收。在功能模块和子VI的设计上,结合虚拟仪器技术优势,采用特有的G语言进行开发,对采集到的信号或已存储好的信号文件进行分析,通过不同的控件和函数实现对输入信号的时域分析、频域分析、信号处理分析和显示功能等等。
  本文介绍的虚拟频谱分析仪,具有操作简单、良好的UI、频谱分析效率高、性能功能强大等特点,且支持二次开发。仪器的界面通过计算机的显示器显示,比传统频谱仪的LCD显示更加清晰和多样化,各类控制器件设计与实物相似,用户通过前面板进行分析逻辑操作,实现频谱仪的功能。系统具有较高的传输性能,测试结果误差即分辨率带宽在2%范围内,频谱范围覆盖至1.5GHz,且最大信号带宽达56MHz,因此满足工程应用使用需求。且采用的SOPC技术能保证分析平台具有体积小、成本低、自主可控、配置灵活等特点,具备工程创新价值。

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