閆大帥，張德海，陸 浩

（1.中國科學(xué)院 國家863計(jì)劃微波遙感技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué) 國家空間科學(xué)中心，北京100049）

基于FPGA的頻譜儀2.4 GHz數(shù)字單元設(shè)計(jì)

閆大帥1，2，張德海1，陸 浩1

（1.中國科學(xué)院 國家863計(jì)劃微波遙感技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué) 國家空間科學(xué)中心，北京100049）

為了實(shí)現(xiàn)對地球大氣痕量氣體探測的目的，提出了一種基于FPGA的太赫茲頻譜儀數(shù)字單元設(shè)計(jì)方案，完成了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。該數(shù)字單元硬件部分由四路ADC完成2.4 GHz信號(hào)采樣，一片F(xiàn)PGA芯片完成信號(hào)復(fù)用和FFT頻譜運(yùn)算，ADC選用ADC083000，F(xiàn)PGA芯片為Xilinx Virtex-5系列。由VHDL編程實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)各部分功能的控制。通過ChipScope工具進(jìn)行功能驗(yàn)證，該數(shù)字單元穩(wěn)定可靠，可以運(yùn)用于臨邊探測儀中。

臨邊探測；FPGA；頻譜儀；FFT

地球大氣是空間科學(xué)研究的重要目標(biāo)和人類活動(dòng)的舞臺(tái)，為了探究大氣痕量氣體的現(xiàn)狀，從1970年代開始，越來越多的衛(wèi)星上開始搭載大氣成分探測儀，這對頻譜儀的帶寬、譜分辨率及穩(wěn)定性提出了較高的要求。傳統(tǒng)的臨邊探測儀搭載的頻譜儀主要有如下 4種：多通道濾波頻譜儀（Filter—Banks Spectrometer，F(xiàn)BS）、聲光頻譜儀 （Acousto-Optical Spectrometer，AOS）、 自 相 關(guān) 頻 譜 儀 （Auto—Correlation Spectrometer，ACS）和FFT頻譜儀。

早期的頻譜儀為多通道濾波器組[1]，由功分器將輸入分為幾個(gè)或多個(gè)通道，每個(gè)通道有單獨(dú)的帶通濾波器和功率檢測器。這種頻譜儀造價(jià)昂貴，需要嚴(yán)格控制機(jī)械公差，易造成信道串?dāng)_，因此已經(jīng)被其他技術(shù)取代。后來出現(xiàn)的聲光頻譜儀，具有體積小、功耗低的特性，最大帶寬在1～2 GHz范圍[2-3]，頻譜通道為數(shù)千個(gè)布拉格單元材料，其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對工作環(huán)境要求甚高，因此限制了其在空間高精度測量中的應(yīng)用。隨著寬帶多位高速ADC的發(fā)展，ADC的采樣率已能達(dá)2.5～10 GHz。Xilinx FPGA存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)高速處理數(shù)字信號(hào)的能力大大提高，F(xiàn)FT IP核的功能逐漸完善，性能大幅提高，使得設(shè)計(jì)超寬帶、高分辨率FFT頻譜儀成為可能。2003年，國外論文報(bào)告已經(jīng)研制出1 024個(gè)點(diǎn)、帶寬為100 MHz的FFT頻譜儀[4]，2007年出現(xiàn)了1 GHz帶寬、16384通道的FFT頻譜儀[5]，還出現(xiàn)了將32個(gè)1.5 GHz帶寬的頻譜儀組合成帶寬為32×1.5 GHz=48 GHz的FFT頻譜儀[6]。

文中介紹一種高速高可靠性的頻譜儀數(shù)字單元設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)采樣率為 2.4 GHz。ADC選用ADC08300完成高速采樣，使用Xilinx Virtex-5系列芯片完成數(shù)據(jù)處理和頻譜運(yùn)算。Virtex-5系列芯片性能更強(qiáng)，功耗更低，片上資源更豐富，DSP計(jì)算能力更強(qiáng)大[7]。

1 頻譜儀數(shù)字單元硬件方案

數(shù)字單元的信號(hào)采集模塊分為4個(gè)通道，由4片ADC083000將采集的信號(hào)輸入FPGA，采樣位數(shù)8 bit，單端信號(hào)通過balun轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)，鎖相環(huán)產(chǎn)生的時(shí)鐘由時(shí)鐘分發(fā)芯片ADCLK946分發(fā)出四路1.2 GHz的差分時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)4個(gè)ADC，保證了時(shí)鐘相位嚴(yán)格同步。采用DDR模式，等效采樣率為2.4 GHz。MAX811控制整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)位，F(xiàn)PGA分別控制每個(gè)ADC的復(fù)位，4個(gè)OR管腳為高電平指示輸入電平超量程。采樣數(shù)據(jù)在ADC中實(shí)現(xiàn)1:4多路復(fù)用，輸入FPGA中完成復(fù)用、FFT運(yùn)算和功率譜運(yùn)算。頻譜數(shù)據(jù)最后通過串口上傳到PC。硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1.1 ADC及控制電路

高速ADC采用4片ADC083000芯片。ADCADC083000是一款低功耗高性能的CMOS模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片[8]，典型功耗1.8 W。如圖2 ADC功能框圖所示，被采信號(hào)在ADC內(nèi)部通過1:4的多路復(fù)用模塊，所以輸出時(shí)鐘DCLK為輸入時(shí)鐘的四分頻，DCLK送給外部器件來鎖存數(shù)據(jù)。將OR連接到FPGA并驅(qū)動(dòng)外接LED。

圖2 ADC模塊圖

AD的前端采用交流耦合方式輸入，由四路Balun實(shí)現(xiàn)單端轉(zhuǎn)差分電平。Balun有兩種器件可以選擇：ADTL2-18與TC1-1-13M+。ADTL2-18的輸入頻率范圍：30-1800MHz，TC1-1-13M+的輸入頻率范圍：4.5 to 3000 MHz。ADTL2-18與TC1-1-13M+各自的插入損耗與頻率的關(guān)系如圖3所示。TC1-1-13M+的輸入頻率范圍更寬。選擇TC1-1-13M+。

1.2 接口電路及PCB設(shè)計(jì)

圖3 Balun插損特性曲線[9-10]

由于電路頻率較高，且涉及數(shù)字信號(hào)和模型信號(hào)，所以ADC輸出采樣信號(hào)、DCLK時(shí)鐘及溢出指示時(shí)鐘都采用LVDS差分電平，每對差分線在布線時(shí)都要嚴(yán)格等長，在布線時(shí)總結(jié)的一些注意事項(xiàng)[11]如下：

1）由于PCB頂層和底層環(huán)境干擾大，為減少電磁兼容問題，信號(hào)線在頂層和底層盡量短。

2）ADC前端模擬信號(hào)和采樣后數(shù)據(jù)信號(hào)、電源信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)隔離走線，避免模擬數(shù)字，大小電流信號(hào)的耦合干擾。

3）高速時(shí)鐘信號(hào)線、ADC差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)線沿一個(gè)方向走線。

4）相鄰兩層的信號(hào)走線互相垂直

5）Signal層和plane層互為相鄰，不同直流電壓放在不同的層。

2 頻譜儀數(shù)字單元系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 頻譜儀FFT算法簡介

FFT（Fast Fourier Transform）算法是計(jì)算DFT（Discrete Fourier Transform）的高效算法。算法最初由J.W.Cooley和J.W.Tukey于1965年提出。FFT算法可以分為時(shí)間抽取法和頻率抽取法兩類，一般只能處理數(shù)據(jù)長度N=2^M的情況，通過組合數(shù)基四可以處理一般數(shù)據(jù)長度的FFT運(yùn)算[12]。各大FPGA廠商在自家開發(fā)工具中都推出了FFT IP核，加快了FFT算法工程應(yīng)用的進(jìn)展。其中由Xilinx公司研發(fā)的IP核V7.1，可以設(shè)置輸入數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)、輸入數(shù)據(jù)和相位因子位寬、壓縮倍數(shù)、輸入輸出數(shù)據(jù)順序、優(yōu)化選項(xiàng)等參數(shù)，可以根據(jù)用戶的需求方便地實(shí)現(xiàn)FFT算法[13]。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

如圖4為FPGA中數(shù)據(jù)流程結(jié)構(gòu)框圖。復(fù)用后的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)入FFT流水線。Xilinx IP核進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)處理，故采用Streaming I/O結(jié)構(gòu)，防止數(shù)據(jù)溢出，采用定點(diǎn)壓縮算法。通過VHDL編程實(shí)現(xiàn)FFT輸出后的平方和，調(diào)用IP核實(shí)現(xiàn)除法運(yùn)算，得到功率譜。通過IP核調(diào)用8 bit×2048同步FIFO。數(shù)據(jù)累積一段時(shí)間后通過串口上傳到PC。大部分模塊使用IP核實(shí)現(xiàn)，保障了運(yùn)行速度和資源利用的平衡[14]。

表1 頻譜儀數(shù)字單元指標(biāo)

圖4 頻譜運(yùn)算流程框圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了檢驗(yàn)頻譜儀數(shù)字單元的功能，軟硬件系統(tǒng)調(diào)試完成后，采用Xilinx公司的ChipScope工具對系統(tǒng)進(jìn)行了功能驗(yàn)證[15]。

ChipScope可以在實(shí)驗(yàn)中，在線實(shí)時(shí)讀出FPGA內(nèi)部的信號(hào)，方便進(jìn)行分析?；驹硎窃诔绦蛑胁迦爰蛇壿嫹治鰞x核 （ILA）和集成邏輯控制器核（ICON），捕獲用戶設(shè)置的信號(hào)存入BlockRAM中，然后通過JTAG接口傳入PC的ChipScope工具中實(shí)時(shí)顯示出波形。

實(shí)驗(yàn)采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生連續(xù)波作為ADC信號(hào)的輸入，VHDL程序綜合通過后添加ChipScope IP核，CLK選擇FFT核的輸入時(shí)鐘，觸發(fā)信號(hào)分別為FFT核的輸入信號(hào)xn_re、xn_im、FFT核的輸出信號(hào)xk_re、xk_im以及done、dv等標(biāo)志信號(hào)，運(yùn)行后獲得實(shí)時(shí)波形。將實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)導(dǎo)出，對FFT核輸入信號(hào)xn用MATLAB計(jì)算FFT，并按照SCALE_SCH比例進(jìn)行壓縮，與FFT核輸出信號(hào)xk的波形比較[16]：

圖5 FPGA和MATLAB FFT運(yùn)算結(jié)果比較

得到的波形對比如圖5所示，其中第一幅圖為xn的波形，可以看到確為連續(xù)波的采樣波形，下面四幅圖分別為MATLAB和FPGA FFT核運(yùn)算結(jié)果實(shí)部虛部的對比，兩者結(jié)果一致，證明FFT IP核工作正常。實(shí)際應(yīng)用中，考慮到FPGA處理數(shù)據(jù)量的大小，F(xiàn)PGA資源的多少以及運(yùn)行速度，數(shù)據(jù)位寬和FFT點(diǎn)數(shù)可以方便地調(diào)整。

4 結(jié)束語

詳細(xì)介紹了基于FPGA的頻譜儀數(shù)字單元設(shè)計(jì)，ADC使用ADC08300，在Xilinx Virtex-5芯片中完成FFT及功率譜運(yùn)算，方案易于升級(jí)，頻譜分辨率等參數(shù)可調(diào)，系統(tǒng)具有集成度高、體積小、質(zhì)量輕、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，能夠在臨邊探測儀中得到應(yīng)用。

[1]A.Harris.Spectrometers for Heterodyne Detection [EB/OL].[2016-05-04].http://gaia.astro.umd.edu/～ harris/docs/harris4-04.pdf.

[2]Ravera L，Cais P，Giard M，et al.Wide band highresolution versatile spectrometer proposed for FIRST-HIFI[C]//Proc.SPIE，UV，Optical，and IR Space Telescopes and Instruments，2000:305-312.

[3]Harris I.Heterodyne spectrometers with very wide bandwidths [C]//Millimeterand Submillimeter Detectors for Astronomy，Proceedings of the SPIE，2003:279-289.

[4]Stanko S，Klein B，Kerp J.A field programmable gate array spectrometer for radio astronomy[J]. Astronomy&Astrophysics，2005，436（1）:391-395.

[5]Bernd Klein，Philipp D，Rolf Güsten，et al.A new generation of spectrometers for radio astronomy: fast Fourier transform spectrometer[C]//Proc. SPIE，Millimeter and Submillimeter Detectors and Instrumentation for Astronomy III，2006.

[6]Güsten R，Baryshev A，Bell A，et al.Submillimeter heterodyne arrays for APEX [C]//Proc. SPIE，Millimeter and Submillimeter Detectors and Instrumentation for Astronomy IV，2008.

[7]Xilinx Inc.Xilinx Virtex-5 FPGA Data Sheet:DC and Switching Characteristics[EB/OL].[2016-05-04]. http://www.xilinx.com/support/documentation/ data_sheets/ds202.pdf.

[8]National Semiconductor.ADC083000 8-Bit，3 GSPS， High Performance，Low Power A/D Converter[EB/OL].[2016-05-04].http://www.ti. com/lit/ds/symlink/adc083000.pdf.

[9]Mini-Circuits.CDI.RF Transformer ADTL2-18 [EB/OL].[2016-05-04].http://www.minicircuits. com/pdfs/ADTL2-18.pdf.

[10]Mini-Circuits.CDI.RF Transformer TC1-1-13M+ [EB/OL].[2016-05-04].http://www.minicircuits.

com/pdfs/TC1-1-13M+.pdf.

[11]謝龍漢，魯力，張桂東，等.Altium Designer原理圖與PCB設(shè)計(jì)及仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[12]姚天任，江太輝，等.數(shù)字信號(hào)處理[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2007.

[13]Xilinx Inc.Xilinx Virtex-5 FPGA user guide[EB/ OL].[2016-05-04].http://www.xilinx.com/support/ documentation/user_guides/ug190.pdf.

[14]李云杰，宋銳，雷杰，等.Xilinx FPGA設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

[15]Xilinx Inc.ChipScope Pro 10.1 Software and Cores User Guide[EB/OL].[2016-05-04].http://www. xilinx.com/ise/verification/chipscope_pro_sw_cores_ 10_1_ug029.pdf.

[16]董長虹.Matlab信號(hào)處理與應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社，2005.

Design of 2.4 GHz spectrum analyzer digital unit based on FPGA

YAN Da-shuai1，2，ZHANG De-hai1，LU Hao1
（1.National Microwave Remote Sensing Laboratory，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.National Space Science Center，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

In order to achieve the purpose of the Earth atmospheric trace gas detection，a terahertz spectrum analyzer digital unit based on FPGA is designed in this thesis，with hardware and software design competed.The hardware part of the digital unit uses Quad ADC for signal sampling，an FPGA chip for signal multiplexing and FFT spectrum operation，with ADC selecting ADC083000，F(xiàn)PGA chip of Xilinx Virtex-5 series.The Software part uses the VHDL programming to control the function of each part of the system.Functional verification through ChipScope tool，the digital unit is stable and reliable，it can be applied to the limb sounder.

limb sounding；FPGA；spectrum analyzer；FFT

TN79+1

A

1674－6236（2017）10-0166-04

2016-04-20稿件編號(hào)：201604204

閆大帥（1990—），男，江蘇徐州人，碩士研究生。研究方向：高速數(shù)字頻譜儀及電路理論與技術(shù)。