基于FPGA+DSP的频谱监测仪设计及实现

随着微波技术的广泛发展，空间和地面电磁环境越来越复杂，无线电频谱资源作为公共资源的一种，需要频谱管理部门进行有效的分配和监控。特别是在频带日益拥挤、自然和人为干扰日益增大的情况下，频谱监测系统有必要进行监测，检测存在的干扰，以便采取措施将影响降至最低，确保频谱资源得到合理的利用。

电磁频谱监测分析仪是应对当前电磁信号频谱检测挑战，兼备高分辨率和高搜索速度的检测设备。频率分辨率的提高意味着幅度检测灵敏度和频率分辨能力双提升、因此其高分辨率、高速扫描的特点意味着在电磁信号检测领域拥有强大的检测效率。本系统采取了基于FPGA，DDR2内存卡和多DSP的信号高速存储及处理，多模式多窗口信号检测，多域信号分析的技术路线，是一台性能很高、功能较为强大的电磁信号检测分析仪器，有着传统检测仪器无法比拟的优点和广泛用途。

1 系统硬件方案

频谱监测分析仪系统组成包括了超外差信号接收，强大的中频信号采集处理系统，以及内嵌计算机系统这三大主要部分。超外差信号接收包括射频通道、微波驱动、本振合成，信号经过三次变频，变频到采样中频，中频采集处理系统基于软件无线电设计思想，包括中频电路、数字中频及存储单元、多DSP并行信号处理。内嵌计算机操作系统为Windows XP，是整机软件的载体，并可配置外接设备。整机原理框图如图1所示。

图1 系统组成框图

2系统软件设计

2.1平台和开发环境

本系统拟采用测试仪器行业主流的Wintel架构搭建控制平台，主控制器采用高性能CoreDuo双核处理器，选用Windows XP作为软件运行平台，充分满足用户的使用习惯以及数据资源共享的需要;整机软件开发环境采用了VS2005集成开发环境，并利用VisualSourceSafe进行团队化开发管理。

2.2数据处理模块设计

数据处理模块主要是对信号进行采集，然后将数据送入计算机。数据处理模块的核心工作就是把所要采集的信号进行量化和采集。该模块的详细软件设计如图2所示。

图2 数据处理模块软件设计流程图

2.3用户接口和界面设计

本系统设计了扫描检测和多域分析(内含调制识别)两种主要的测量功能，对于每种测试功能，均可在操作界面固定位置激活参数测试向导，并通过下拉式菜单、快捷按钮、传统菜单和众多的对话框实现和用户的友好交互，用户可以定制参数测试方法后储存为参数测试解决方案，后续使用时可以直接调用该解决方案，实现一键化测试、测试参数报表方式灵活可选，以便更加贴近不同需求。

2.4控制和数据传输接口设计

在本系统中，数据采集与传送速率高达几十兆字节/秒，要求整机具备USB、LAN、GPIB、并口、串口等各种通信协议，支持1024×768的TFT显示及LVDS接口，支持可配置的打印方案，支持海量/移动存储设备，需要实现对数字中频模块、模拟电路模块、专用外设以及通用外设的控制，这其中有高速处理器件，海量存储器件，部分功能I/O中使用慢速或者串行器件，如果采用单一制式的总线进行接口设计显然是不合理的，这里采用的是PCI、USB、自定义仪器控制总线相结合的复合总线形式。3系统主要技术的实现

3.1高速数据采集PCB设计技术

一个理论上完善的系统设计，在实现时很难达到理论设计的要求，这是因为实际存在的各种干扰都对电路有影响，而且还要处理好地线排布、电源去耦、信号传输线的反射等实际问题。下面是针对这些问题本项目采用的一些设计技巧：避免走线的直拐角，尽可能地用45°走线或弧线;尽可能少用过孔，因为每一个过孔都是一个阻抗不连续点;尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线。>电源线>信号线;信号间的串扰对相邻平行走线的长度和走线间距极其敏感，因此相邻走线层的信号线的总体走线方向一般要互相垂直，在同一走线层上尽量使高速信号线与其他平行信号线间距拉大，平行长度缩小;在优化布局的基础上，尽量缩短高速信号的长度，控制信号组延迟的一致性是布线时的重要任务;不用桩线，因为任何桩线都是噪声源，如果桩线短，可在传输线的末端端接就可以了，如果桩线长，会以主传输线为源，长生很大的反射，使问题复杂化。

3.2多DSP互联技术

为了提高信号处理速度，采用多DSP处理器，采用的DSP型号为ADI公司的ADSP-TS20IS.本系统采用3个高性能DSP高速处理，其中2个为信号处理DSP，1个为管理DSP.作为2个信号处理DSP，分时接收前端A/D的采样数据，然后进行数字并行滤波器组处理提取信号的频率信息、功率信息、带宽信息，2个DSP的处理结果送给管理DSP.管理DSP是数据处理层和数据管理层之间的纽带