劉 欣劉東亮

（①國(guó)家無線電監(jiān)測(cè)中心 北京100037 ②中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái) 北京 100012）

基于FPGA的多通道寬帶數(shù)字頻譜儀設(shè)計(jì)

劉 欣①劉東亮②

（①國(guó)家無線電監(jiān)測(cè)中心 北京100037 ②中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái) 北京 100012）

為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)處理效率和滿足射電天文后端設(shè)備發(fā)展與類似密集型數(shù)據(jù)處理的需求，文章給出了一種基于FPGA的多通道寬帶數(shù)字頻譜儀系統(tǒng)仿設(shè)計(jì)，具有16K通道數(shù)，2GHz的處理帶寬，可以達(dá)到128kHz的頻譜分辨率。主要介紹了頻譜儀的設(shè)計(jì)思路，給出CAD設(shè)計(jì)方案、生成模型驗(yàn)證和仿真結(jié)果測(cè)試。

數(shù)字頻譜儀；FPGA；多通道數(shù)

引言

頻譜儀被廣泛使用在科研工作中，是進(jìn)行頻譜轉(zhuǎn)換與測(cè)量的專用設(shè)備，用來對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行處理分析。近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，寬帶高速ADC、高性能數(shù)字信號(hào)處理芯片（FPGA）以及高性能計(jì)算機(jī)總線的出現(xiàn)，使基于FFT原理的數(shù)字頻譜技術(shù)迅速發(fā)展起來。

目前國(guó)內(nèi)外比較常見的頻譜儀系統(tǒng)是基于Xilinx Virtex系列的FPGA的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)[1]。例如美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校近年來也在研制類似的頻譜儀，其功能包括高速采樣量化信號(hào)、頻帶調(diào)制、多相濾波、傅里葉變換和對(duì)數(shù)字信號(hào)的高速傳輸（通過兩個(gè)10Gb網(wǎng)絡(luò)端口（CX4）將數(shù)據(jù)以UDP包形式輸出），輸出端可接駁BEE2系統(tǒng)、交換機(jī)和高速網(wǎng)卡等，這一系列頻譜儀的主要特點(diǎn)是具有多個(gè)Z-DOK接口,可以接駁多種I/O板（包括雙路1GSa/s的采樣卡或者四路250MSa/s的模數(shù)，數(shù)模轉(zhuǎn)換卡)[2]。與此同時(shí)，德國(guó)馬普研究所近來也在研發(fā)一種擴(kuò)展帶寬快速傅里葉變換頻譜儀系統(tǒng)[3]，該系統(tǒng)采用賽靈思最新的Xilinx Virtex-6可編程邏輯門電路（FPGA）處理核心，配備實(shí)時(shí)帶寬單通道4GHz、雙通道2.5GHz的數(shù)字轉(zhuǎn)換和采樣模塊，實(shí)現(xiàn)了16K傅里葉變換通道的高分辨率數(shù)字頻譜分析能力。

綜合以上特點(diǎn)，結(jié)合目前Xilinx最新發(fā)展的Virtex系列FPGA技術(shù)發(fā)展，進(jìn)行了多通道寬帶數(shù)字頻譜儀系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)。

1 頻譜儀設(shè)計(jì)框架

頻譜儀的主要原理是將接收輸入的基帶混合中頻(IF)信號(hào)進(jìn)行外差式采樣，將輸入的信號(hào)進(jìn)行量化與編碼的數(shù)字測(cè)量后，通過數(shù)據(jù)總線傳輸至FPGA芯片核心，進(jìn)行多相濾波與快速傅里葉變換運(yùn)算的數(shù)字信號(hào)處理，然后計(jì)算信號(hào)的功率譜數(shù)據(jù)，得到信號(hào)測(cè)量結(jié)果，并按照X軸為頻率，Y軸為功率譜的數(shù)據(jù)矩陣，將測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)在頻譜儀內(nèi)置的存儲(chǔ)芯片中。通過頻譜儀的網(wǎng)絡(luò)接口，可將數(shù)據(jù)輸出至后端接收電腦，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的測(cè)量處理與圖形繪制等工作。頻譜儀機(jī)柜將多套頻譜儀整合封裝，并設(shè)置統(tǒng)一的電源與時(shí)鐘模塊。通用的頻譜儀設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 頻譜儀設(shè)計(jì)框圖

2 多通道頻譜儀的具體設(shè)計(jì)

不同于傳統(tǒng)的Verilog語言底層設(shè)計(jì)，Xilinx近年來引入系統(tǒng)級(jí)模塊化設(shè)計(jì)的概念，在這種方式下，不僅可以更直觀、快速和靈活地進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)模塊的構(gòu)建，而且可以使設(shè)計(jì)者把更多精力集中在核心算法的實(shí)現(xiàn)上，而不必拘泥于具體實(shí)現(xiàn)方式。

在Matlab Simulink平臺(tái)下，調(diào)用Xilinx System Generator函數(shù)庫和Xilinx函數(shù)庫，依次連接ADC、PFB和FFT模塊。ADC模塊的時(shí)鐘頻率為2048MHz（1024MHz奈奎斯特采樣率），ADC四路同步輸出，因此全局時(shí)鐘為1/4的ADC頻率，512MHz；PFB和FFT模塊中設(shè)置大小為16K通道輸出，之后連接實(shí)部虛部的分離模塊和系數(shù)量化模塊，將FFT輸出的18bit按比特位選擇其中的8bit，并將輸出合并為128bit的總數(shù)據(jù)鏈路。設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 Simulink中頻譜儀的ADC與FFT模塊設(shè)計(jì)

圖3 基于窗函數(shù)的多相濾波器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的FFT處理過程中會(huì)產(chǎn)生一定的頻譜泄露，為了實(shí)現(xiàn)更好的相鄰頻帶頻響特性，在設(shè)計(jì)中加入了基于窗函數(shù)的相濾波器組，經(jīng)過FFT處理過的每個(gè)通道頻譜得到最大信噪比。

如圖3所示，整體設(shè)計(jì)調(diào)用Xilinx自帶FIR濾波器模塊進(jìn)行拼接，F(xiàn)IR采用4抽頭漢寧窗算法。通過多相FIR濾波器對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行預(yù)譜帶處理后，傳輸?shù)胶蠖说?024通道FFT模塊中。

如果直接將128bit總數(shù)據(jù)鏈路輸入到傳輸模塊，則無法控制每個(gè)IP數(shù)據(jù)包中對(duì)應(yīng)的頻譜信息，因此設(shè)計(jì)中Bram寄存器對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行重組。此模塊的功能為順序輸入數(shù)據(jù)，按預(yù)存次序輸出。將16K通道對(duì)應(yīng)分配到16IP中，每個(gè)IP接收對(duì)應(yīng)的1024個(gè)通道，通過數(shù)據(jù)流調(diào)整模塊和IP數(shù)量的對(duì)應(yīng)控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)頻譜的任意目標(biāo)分配，非常靈活。

3 性能測(cè)試和分析

整體設(shè)計(jì)中，由于采用了FIR4抽頭漢寧窗算法的多相濾波器組與FFT相結(jié)合的頻譜儀處理核心，使得其多通道頻譜輸出旁帶得到很好的抑制。比較而言，漢寧窗的主瓣與海明窗相當(dāng)，比同階的矩形窗寬，旁瓣最大泄漏為-43dB，矩形窗為-21dB，漢寧為-53dB。漢寧窗旁瓣隨其階數(shù)的增加以-5.2dB/個(gè)的速度衰減，為最快，海明窗與矩形窗則都以-1.3dB/個(gè)的速度在下降。海明窗的旁瓣衰減略比漢寧窗大，但是隨旁瓣增加其衰減很慢。因此,實(shí)際信號(hào)分析中常常選用漢寧窗，只要選擇恰當(dāng)?shù)碾A數(shù)，使用漢寧窗截?cái)嗟臅r(shí)候，頻譜泄漏可以更小，這樣就可以有效改善FFT輸出的頻率響應(yīng)，抑制頻譜泄露。

本研究在Matlab中對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)進(jìn)行了測(cè)試，如圖4所示，在加入多相濾波器組后的FFT輸出旁瓣抑制近-65dB，較之單獨(dú)FFT輸出的-35db旁瓣，旁帶干擾大大降低。

圖4 多相4抽頭FIR濾波器響應(yīng)

對(duì)于頻譜儀整體響應(yīng)，在Matlab Simulink平臺(tái)下，給系統(tǒng)輸入疊加脈沖信號(hào)的白噪聲輸入進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。頻譜儀輸出測(cè)試結(jié)果見圖5，從圖中可以看出在對(duì)應(yīng)的通道中得到了疊加信號(hào)頻譜響應(yīng)，驗(yàn)證頻譜儀設(shè)計(jì)仿真工作正常。

圖5 白噪聲譜仿真測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

穩(wěn)定高速的實(shí)時(shí)寬帶數(shù)字頻譜儀系統(tǒng)可以提高整個(gè)數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的信號(hào)傳輸性能,在此需求下本文重點(diǎn)介紹了頻譜儀的設(shè)計(jì)思路，給出CAD設(shè)計(jì)方案，生成模型驗(yàn)證，進(jìn)行了仿真。從測(cè)試結(jié)果來看，達(dá)到了在實(shí)際應(yīng)用中的設(shè)計(jì)要求。在此基礎(chǔ)上，還對(duì)比驗(yàn)證了加窗后的FFT處理，可以有效地降低通道間的頻譜泄露。在后續(xù)工作中，將在現(xiàn)有初步研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行更進(jìn)一步的系統(tǒng)分析和測(cè)試,針對(duì)特殊環(huán)境使用的可靠性等方面進(jìn)行測(cè)試。

[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

[責(zé)任編輯：周曉艷]

2014-09-24

2013年度國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目“基于ROACH高性能射電望遠(yuǎn)鏡頻譜分析系統(tǒng)研制”階段性成果，項(xiàng)目號(hào)：11203040

劉欣，男，漢族，山東德州人，國(guó)家無線電監(jiān)測(cè)中心高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闊o線電監(jiān)測(cè)、數(shù)字信號(hào)處理。