基于SOPC的频谱分析仪的设计

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1、基于SOPC的频谱分析仪的设计学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。木人完全意识到木声明的法律后果由本人承 担。作者签名：年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。本学

2、位论文属于1、保密口，在年解密后适用本授权书2、不保密口 。（请在以上相应方框内打“3）作者签名：年月日导师签名：年月日毕业设计（论文）任务书学生姓名专业班级直r指导教师工作单位设计（论文）题目：基于SOPC的频谱分析仪的设计设计（论文）主要内容：本设计主要以Altera公司提出的SOPC （System On Programmable Chip）技 术为指导，研究基于FPGA的嵌入IP软核的SOPC系统。以NTOS H软核处理 器为开发平台设计了嵌入式频谱分析仪。并说明了基于Nios II的嵌入式频谱分 析仪的优点和研制技术指标，还对Nios II的体系结构进行了深入的分析。要求完成的主要任

3、务：1. 查阅不少于12篇的相关文资料（包括2篇英文文献）。2. 完成开题报告。3. 按照查阅的资料，利用SOPC Builder建立需要的Nios II系统，并利用Nios II IDE这个软件在这个硬件基础上完成频谱分析的设计。然后再搭建外部的AD 采样及显示硬件模块，完成整个系统的设计；每周记录设计的进度。4. 在设计中完成不少于3张12#图纸的描绘。5. 提交5000字外文翻译材料（原文不少于20000印刷字符）；6. 完成至少15000字的毕业论文的撰写及于答辩论文相关的工作。必读参考文献：1 周立功.SOPC嵌入式系统基础教程.北京航空航天大学.20062 汪国强.SOPC技术及应

4、用M.北京：机械工业出版社，2006.6.3 Baoping Tang. Implementation of Intelligent Virtual Controls Based on QinSModelJ.Proceedings of TSIST.2002, Jinan, China： 144-150.指导教师签名系主任签名院长签名（章）武汉理工大学本科学生毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）频谱分析是信号分析处理中常用的分析方法，主要是在频域上对信号进行处 理、分析以及显示。冃前，频谱分析在生产实践与科学研究中获得了日益广泛的 应用。例如，在声纳系统中，为了寻找

5、海洋水面舰艇或潜艇，需要对噪声信号进 行频谱分析，以提取有用信息，判断舰艇运动速度、方向、位置、大小等：又如, 对飞机、轮船、汽车、汽轮机、电机、机床等主体或部件进行实际运行的频谱分 析，可以提供设计数据和检验设计效果，或者寻找振源和诊断故障，以便及吋排 除潜在故障因素，保证安全运行等。频谱分析仪就是对我们所关心的信号进行频谱分析，并将频谱分析的结果以 图象或数字的方式显示出来，以让我们了解信号的频域特征。早期的硬件化频谱 分析仪实质上是一台扫频接收机，输入信号与本地振荡信号在混频器变频后，经 过一组并联的不同中心频率的带通滤波器，使输入信号显示在i组带通滤波器限 定的频率轴上。由于带通滤波器

6、由电感、电容等多种无源、有源器件构成，频谱 分析仪显得很笨重，而且频率分辨率不高。既然傅立叶变换可以把输入信号分解 成正交的频率分量，同样可起着滤波器类似的作用，借助快速傅立叶变换电路代 替带通滤波器，使频谱分析仪的构成简化，分辨率增高，测量时问缩短，扫频范 围扩大，这就是现代频谱分析仪。其典型代表，如Agilent公司的E4405频谱分析 仪。但是，这类频谱分析仪仍然是以硬件电路来实现的传统意义上的频谱分析 仪，他们有着自身无法克服的缺点：复杂性、封闭性和昂贵性等。随着计算机技 术的发展和普及，虚拟仪器技术的出现，传统频谱分析仪的这种形态将能为虚拟 仪器所取代。虚拟仪器技术应用到频谱分析仪中

7、，克服了传统破件化频谱分析仪 身无法克服的缺点。这种FFT频谱分析仪将FFT运算的任务全交给CPU来完成, 在通道数少，采样率低的情况下能很好地满足分析要求，但在高速、多点运算条 件下难以满足实际需求。所以我们要寻找一种更为合理的解决方案。随着微电子技术和信号处理技术的发展，电子系统的设计已不再是利用各 种通用IC进行PCB板级的设计而是转向以大规模FPGA或ASIC为物理载体的 系统芯片设计(SOPC或SOC),同时EDA工具的迅速发展，使得整个系统从行 为算法级(系统级)到物理结构级的全部设计易于在FPGA上实现。Altera公司提 出的片上可编程系统(SOPC)解决方案，使得FPGA在嵌

8、入式系统设计领域的地 位越来越重要。SOPC是PLD和ASIC技术融合的结果。利用SOPC解决方案可 将CPU、存储器、I/O接口、低电压差分信号(LVDS)技术、时钟数据自动恢复 (CDR)以及锁相环(PLL)等系统设计所必需的模块集成到一片可编程器件(PLD) 上，构成一个可编程的片丄系统。H前，可编程器件供应商还在不断推出新的基 于FPGA的嵌入式处理器及相应的软件开发工具。如Altera公司在第一代Nios 嵌入式处理器获得成功的基础上，推出了具有完善功能的软件开发套件，包括C /C+编译器、集成开发环境(IDE)、JTAG调试器、实吋操作系统(RTOS)和TCP /IP协议栈的32位

9、RSIC嵌入式处理器Nios II -2、基本内容和技术方案H前，高性能频谱分析仪的典型产品主要以Agilent和R&S公司的产品为主。 国外高性能频谱仪普遍采用嵌入式计算机技术，利用先进的计算机及其软件资源 作为控制平台，使现场总线与智能仪表的发展呈现多种总线及其仪表共存发展的 局面。频谱分析仪大都带有GP1B接口，LAN接口和UBS接口等，而J1能进行快 速的远程网络测量。国内很少有自主产品。本设计提出一种解决方案，该方案在 破件设计上以SOPC(片上可编程系统)技术为基础，在单片FPGAJL实现整个系统 构建；其中CPU选用Altera公司的NIOS II软核处理器进行开发，硬件平台关键

10、模 块使用Altera公司的EDA软件Quartus II V8. 0设计。本设计选择基于SOPC的频 谱分析仪的设计这一研究课题，在将Altera公司的SOPC解方案:NIOS II软核处理 器进行应用的同吋，积极寻找SOPC新的应用领域，具有较大的工程意义。实现基于SOPC的数字频谱分析仪的设计，算法采用周期图法、系统的FFT 处理器使用硬件乘法器，加法器构成，实现了信号的并行处理，实现数据无积床 处理。NIOS II实现系统和显示控制。另外从理论上讲，这种实现频谱分析的方 法，可以得到比模拟实现更高的频率分辨率。这样它便能够很方便的解决了模拟 系统分辨率不高和传统DSP处理器速度慢缺点，

11、方便实现了信号高分辨的频谱分 析。在本设计中，针对基于SOPC的频谱分析仪的实现着重做两方而的工作。一 是主要利用Altera公司DE2开发板上的资源，并添加一些需要的硬件资源形成频 谱分析仪的硬件板；另一方面利用Altera公司的SOPC Builder开发工具选择需要 的资源（包括CPU及外设等）形成软件开发平台，在该平台上进行频谱分析仪应用 程序的开发。本系统实现H标是实现一个基于SOPC的频谱分析仪，该频谱分析 仪通过VGA显示输入信号的频谱。3、进度安排第13周：查阅相关文献资料，明确研究内容，确定方案，完成开题报告。 第45周：收集有关SOPC技术的资料，熟悉NIOS II开发平台

12、，能将NIOS II成功的植入FPGA。第611周：实现基于SOPC的数字频谱分析仪的设计，解决FFT核心技术。第1213周：完成VGA的显示及外围的硬件电路。第14-15周：撰写并修改毕业设计报告。第16周：准备论文答辩。4、指导教师意见指导教师签名:摘要IAbstractII1. 绪论11.1 SOPC技术的概括及发展11.2频谱分析仪的现状及意义11.3本文的结构22. 系统概述32.1频谱分析仪的总体方案的确定32.2基于SOPC频谱仪的设计方案52.3频谱分析仪的性能指标52.4主要芯片介绍63.SOPC硬件系统的婕立73.1 SOPC基本开发流程73.2建立设计所需要的基本SOPC

13、模块83.3添加存储模块93.4 添加 VGA 接 口123.5集成Nios II系统到Quartus II系统124. FFT算法及软件实现144算法原理144.2定点程序实现165. “频谱分析仪”似件设计195.1 ADC单元设计195.2 VGA 显示单元设计206. 软件设计236FPGA程序设计236.2 Nios II程序设计257. 总结与展望297.1设计过程中出现的问题以及解决297.2总结297.3展望30附录132附录236附录336致谢38随着科学技术的发展，频谱分析作为近代的信号分析方法在各个学科研究中 已经广泛的应用，是电子产殆研发、生产、检验的重要工具之一。高分

14、辨率、宽 频带的数字频谱分析仪的设计和实现一直是该领域的研究热点。频谱分析在工程 实践和理论研究中有着重要的意义，但是FI前普遍价格比较昂贵。本文设计了一 种新的基于Nios H的嵌入式频谱分析仪。Nios H是Altera公司研发的基于FPGA的 可配置32位软核处理器，其可配置特性给嵌入式系统设计带来了更大的灵活性， 为嵌入式系统的设计提供了一种全新的思路。本文以Nios F平台为核心设计嵌入 式频谱分析仪，给出了基于Cyclone II芯片的Nios II的实现框图。本文首先介绍了 基于Nios H的嵌入式频谱分析仪的优点和研制技术指标。然后讲解了如何通过 SOPC Build建立一个自

15、己需要的系统模块（Nios IT及其标准外设模块）,并说明 了通过Nios II IDE设计频谱分析仪的基本原理和功能。对Nios H的体系结构进行 了深入的分析，并使H3SOPC Builder制Avalon总线型元件。然后充分利H3FPGA 和Nios TI的特点，采用定点运算完成FFT的实现。AD采样和处理采用并行级联结 构，在系统结构设计小尽量采用低耗吋的数据传输方式和充分利用FPGA中的资 源。在本次设计中系统完成了在5种采样频率下的信号的频谱分析和信号的吋域、 功率谱密度VGA显示，并做出了实物。最后论文对主要工作进行了总结，并指 出了系统需要进一步完善和发展的方向。关键词：频谱；分析仪；SOPC；实现；Nios IIAbstractWith the development of science and technology, spectrum analysis as a modem method of signal analysis research in various disciplines has been widely used in electronic product development, production, testing an important