CN105372494A - 2GHz带宽实时FFT频谱仪*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种2GHz带宽实时FFT频谱仪***，包括：输入阻抗匹配电路、数据采集电路、数据处理电路、数据输出电路、数据输出接口扩展电路、时钟产生电路及控制模块；所述输入阻抗匹配电路与数据采集电路、数据处理电路依次电连接，所述数据采集电路、数据处理电路共用所述时钟产生电路，所述数据处理电路分别与所述数据输出电路、数据输出接口扩展电路电连接，所述数据传输电路与所述控制模块电连接；所述数据处理电路，采用并行流水运算，实现宽带数据处理。本发明提供的瞬时带宽(2GHz)和频谱通道数(32k频谱通道)均更大，性能更优数字实时FFT频谱仪***，以适用于毫米波和亚毫米波天文观测要求。

Description

2GHz带宽实时FFT频谱仪***

技术领域

本发明涉及一种宽瞬时带宽频谱仪***，特别是一种适用于毫米波亚毫米波天文的宽瞬时带宽高频谱分辨率全数字实时FFT频谱仪***。

背景技术

毫米波和亚毫米波天文主要的观测内容之一是谱线观测，实现毫米波和亚毫米波天文谱线观测的后端频谱仪主要有滤波器组频谱仪FBS(FilterBankSpectrometer)，声光频谱仪AOS(Acousto-OpticalSpectrometer，)，自相关频谱仪ACS(AutoCorrelationSpectrometer)和FFT频谱仪FFTS(FastFourierTransformSpectrometer)。滤波器组频谱仪前期采用的模拟滤波器组频谱仪存在通道一致性差、邻道串扰等缺点，且无法同时实现高分辨频谱分析。尽管后期滤波器组滤波器采用数字形式滤波器解决了响应一致性问题，但实现窄通道特性(频率分辨率)需要多级滤波系数才能实现，这对通道数在数千量级的频谱处理应用时，需占用非常大的硬件资源，结果是***将变为非常复杂；声光频谱仪采用集成机光电等技术，可以实现中、窄带高分辨频谱处理，但其***稳定性受声光偏转器、CCD等模拟部件影响，Allan方差稳定性时标在几十秒至百秒量级，非常不利于深度积分实现微弱信号检测。另外，声光频谱仪包括光学部件、机械调整支架，以及模拟电学器件，这将存在***体积较大，不易小型化集成，以及多部件同时工作功率消耗大，且对工作环境要求高等不足。数字自相关频谱仪采用相关原理实现对信号的频谱处理，在宽带和频率分辨率和稳定性等方面优于模拟滤波器组和声光频谱仪，采用多比特可以提高积分效率，但***的复杂程度却快速增加，硬件资源占用率也迅速提高。目前优先选择的2比特自相关频谱仪的积分效率为0.88，用于深度积分的信号频谱处理场合，仍是一个不可忽视的缺陷，数字自相关频谱仪其Allan方差稳定性时标在百秒量级优于模拟滤波器组频谱仪和声光频谱仪，但深度积分能力仍旧不尽理想。

FFT频谱仪利用高速数字采集新技术，直接对宽带模拟信号进行采集和数字化，并对数字信号进行实时傅立叶变换的频谱处理，其硬件架构主要包括ADC采集硬件和FPGA硬件采集硬件，这将是***高度集成变得非常简易。另外，由于FFT频谱仪采用多比特(一般为4～10比特)数据模数转换器件，对宽带模拟信号进行高速采集和模数变换，因此其积分效率几乎可以达到100％，同时采用全数字化频谱处理技术，***稳定性好(Allan方差稳定性时标可以达到千秒量级)，另外结合目前高速数据采集技术和高速海量FPGA数据处理技术，实现超宽带宽及超高分辨率的FFT频谱仪已经成为可能。紫金山天文台在前期已获授权的发明专利《宽带高分辨率快速傅立叶变换频谱仪》(ZL200910027823.2)，其技术核心内容主要基于商用的安捷伦6U工业标准数据采集板卡AC240进行创新开发构成1GHz带宽16k频谱通道的实时FFT频谱仪***。

发明内容

本发明的目的是针对以上滤波器组频谱仪、声光频谱仪以及自相关频谱仪存在的带宽和分辨率，稳定性以及积分效率以及***集成等多方面的存在的问题，并在上述发明专利的基础上，提供瞬时带宽(2GHz)和频谱通道数(32k频谱通道)均更大，性能更优数字实时FFT频谱仪***，以适用于毫米波和亚毫米波天文观测要求。

本发明提供了如下的技术方案：

一种2GHz带宽实时FFT频谱仪***，包括：输入阻抗匹配电路、数据采集电路、数据处理电路、数据输出电路、数据输出接口扩展电路、时钟产生电路及控制模块；

输入阻抗匹配电路与数据采集电路、数据处理电路依次电连接，数据采集电路、数据处理电路共用时钟产生电路，数据处理电路分别与数据输出电路、数据输出接口扩展电路电连接，数据传输电路与控制模块电连接；

输入阻抗匹配电路，是外部输入射频信号到模数转换器件ADC之间的宽带信号传输通道，其主要功能是实现射频输入信号和模数转换器件ADC直接的阻抗匹配，以保证输入信号的带宽特性。本***的输入阻抗匹配电路前端采用无源T型电路，即两侧端口的输入阻抗都是50欧姆，实现阻抗匹配功能，降低输入驻波比，以确保传输信道频域响应的平坦度要求，避免了有源电路带来的信号失真问题。

数据采集电路的核心是高速模数转换器件ADC电路。本***涉及的ADC采样率需要4GS/s(GigaSamplesPerSecond)，为确保输入模拟信号的正确数据采集、模拟转换和数字信号的传输，在数据采集电路中，采用了高精度和高稳定的采样时钟，以及精确延时补偿设计的数据传输接口。为保证高速数据接口的时序可靠性，在数据传输接口中，加入精确延时补偿，即所有信号和时钟以步进精度55ps进行调整，并结合时序校准设计，在硬件上电后自动调整到最优的接口时序，从而确保4Gbytes接口速度下的数据传输低误码率。

本***中信号采样由单一集成芯片的内置四路ADC并行交织采样以实现高速采样率，为确保宽带信号的高速采集数据输出的正确性，在数据采集电路中，采用了内置四路ADC的通道不一致性校准技术，即***采用底层驱动软件自校准方式，对每一路ADC的偏置、增益、相位等参数进行补偿修正，具体是通过预先获得每一路ADC的输出数据，并对输出数据进行了数据拟合和频谱分析，以获得四路ADC输出信号的差异，根据它们之间的差异，通过收敛步进调整算法，反写每一路ADC的参数补偿值，最终提高各路ADC通道一致性，偏置误差小于0.4mv，通道间增益误差小于0.14％，通道间相位误差小于110fs。

数据处理电路，采用并行流水运算，实现宽带数据处理。

所述数据处理电路，对数据采集电路内的数据先进行缓存，然后进行16组2k点复数蝶形运算，8组4k点复数蝶形运算，4组8k点复数蝶形运算，2组16k点复数蝶形运算，1组32k点复数蝶形运算，频谱数据结构调整，功率谱运算，功率谱积分，32k点功率谱乒乓缓存输出。

本发明的有益效果是：在标准全长全高PCI-E板卡中完成了包括数据采集电路、数据处理电路、以及数据输出电路等硬件模块的***一体化集成，在数据处理电路中内置了实时FFTIP内核，采用并行流水频谱运行，从而实现宽瞬时带宽(2GHz)、高频率分辨率(61kHz)的实时信号频谱处理。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明一个较佳实施例***结构原理示意图；

图2是本发明一个较佳实施例的FFTIP内核的原理示意图；

图3是本发明一个较佳实施例的控制应用软件流程图。

具体实施方式

如图1-3所示，本发明公开一种2GHz带宽实时FFT频谱仪***，包括：包括：输入阻抗匹配电路、数据采集电路、数据处理电路、数据输出电路、数据输出接口扩展电路、时钟产生电路及控制模块；

输入阻抗匹配电路与数据采集电路、数据处理电路依次电连接，数据采集电路、数据处理电路共用时钟产生电路，数据处理电路分别与数据输出电路、数据输出接口扩展电路电连接，数据传输电路与控制模块电连接；

数据处理电路，采用并行流水运算，实现宽带数据处理。

数据处理电路，对数据采集电路内的数据先进行缓存，然后进行16组2k点复数蝶形运算，8组4k点复数蝶形运算，4组8k点复数蝶形运算，2组16k点复数蝶形运算，1组32k点复数蝶形运算，频谱数据结构调整，功率谱运算，功率谱积分，32k点功率谱乒乓缓存输出。

现结合附图与实施例作进一步说明。

如图1所示，宽带高频率分辨率实时FFT频谱仪由输入阻抗匹配电路、4GSPS8bit数据采集电路、Virtex-6240T高速数据处理电路以及运行于该芯片的FFTIP内核、JTAG、DDR内存、时钟产生电路、PCI-E总线数据传输电路、数据输出接口扩展电路、工业控制计算机及控制应用软件等组成。

2GHz带宽的基带信号首先通过输入阻抗匹配电路，输入阻抗匹配电路将实现输入基带信号与4GS/s8bit数据采集电路输入阻抗的匹配，通过输入阻抗匹配电路输出的基带信号进入4GS/s8bit数据采集电路输入端，4GS/s8bit数据采集电路中的ADC器件对信号以4GS/s速率同时进行采样，并模数转换为数字信号，实现对2GHz基带信号高速采样和模数转换。

通过4GS/s8bit数据采集电路的ADC器件输出的数字信号进入Virtex-6240T高速数据处理电路。基于该FPGA硬件平台的FFTIP内核将对数据信号进行64k点实时FFT运算，该FFTIP内核是基于特定的FPGA芯片，采用并行快速傅立叶算法实现信号的功率谱分析(见附图2)。具体过程如下：

4GS/s的正交数字信号进入FPGA，首先以64k长度为单位进行缓存之后并分为16组，每组为2k个复数(也就是64组1k长度的数据)，经过串并转换后的2k点复数，速率降至125MHz。降速后的数据接着逐级进行16组2k点复数蝶形运算、8组4k点复数蝶形运算、4组8k点复数蝶形运算、2组16k复数点蝶形运算、以及1组32k复数点蝶形运算，以及一组32k点蝶形运算，完成64k点的实数FFT(32k点的复数FFT)运算，之后再对64k点FFT的输出结果的前32k点进行功率谱运算及积分，其中积分器数据宽度48bit，积分后频谱经32k点功率谱输出，至FPGA片外的32bitPCI-E技术总线，为工业计算机的数据读取做好准备。在整个FFT算法中，采用并行流水线方式，逐级进行FFT蝶形运算，确保采样数据的连续性。1次64k点FFT计算时间为16.384us，数据连续运算无空闲时间，满足信号处理实时性要求。在FFT过程中，1次64k点FFT计算时间为16.384us，中间主要计算过程均采用18bit字长，FFT结果求模(平方)后为32bit，多次FFT结果在积分器中进行积分，积分器的数据宽度为长度48bit，最高可累加10000次。积分结果36bit取其高32bit或低32bit传至乒乓缓存中，以供工业控制计算机读取。

时钟产生电路提供并控制ADC器件采样时钟信号和FPGA芯片工作的时钟信号，同时也通过FPGA芯片的时钟管理模块进行分频，以保证FFTIP内核进行数字运算速率(时钟频率)和相关的时序控制信号与ADC采样时钟同步，确保数据流的节拍一致，数据流顺畅传输。

工业控制计算机及控制应用软件实现对FFT频谱仪初始化、频谱仪积分时间设置、积分频谱高低位数据选取、FFT频谱仪工作的启停控制、ADC温度和FPGA温度以及积分器饱和状态读取、以及频谱数据读出以及后处理和频谱显示。控制应用软件通过PCI-E总线接口从FPGA乒乓缓存中读取积分后的功率谱数据至工业控制计算机内存或硬盘之中，供实时显示或数据保存。

FFT频谱仪经实验室测试，测试结果表明该频谱仪的工作带宽为2GHz，频率分辨率为61kHz(16384频谱通道)，动态范围30dB，稳定性时标大于4000s，工作稳定可靠。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种2GHz带宽实时FFT频谱仪***，其特征在于，包括：输入阻抗匹配电路、数据采集电路、数据处理电路、数据输出电路、数据输出接口扩展电路、时钟产生电路及控制模块；

所述输入阻抗匹配电路与数据采集电路、数据处理电路依次电连接，所述数据采集电路、数据处理电路共用所述时钟产生电路，所述数据处理电路分别与所述数据输出电路、数据输出接口扩展电路电连接，所述数据传输电路与所述控制模块电连接；

所述数据采集电路包括高速模数转换器件ADC电路；

所述输入阻抗匹配电路，是外部输入射频信号到高速模数转换器件ADC电路之间的宽带信号传输通道，实现射频输入信号和高速模数转换器件ADC电路直接的阻抗匹配；

所述数据处理电路，采用并行流水运算，实现宽带数据处理。

2.根据权利要求1所述的2GHz带宽实时FFT频谱仪***，其特征在于，所述高速模数转换器件ADC电路采样率为4GS/s。

3.根据权利要求1所述的2GHz带宽实时FFT频谱仪***，其特征在于，在数据传输接口中，加入精确延时补偿，即所有信号和时钟以步进精度55ps进行调整，并结合时序校准设计，在硬件上电后自动调整到最优的接口时序，从而确保4Gbytes接口速度下的数据传输低误码率。

4.根据权利要求1所述的2GHz带宽实时FFT频谱仪***，其特征在于，所述数据采集电路中，由单一集成芯片的内置四路ADC并行交织采样以实现高速采样率采用了内置四路ADC的通道不一致性校准技术，即***采用底层驱动软件自校准方式，对每一路ADC的偏置、增益、相位等参数进行补偿修正，具体是通过预先获得每一路ADC的输出数据，并对输出数据进行了数据拟合和频谱分析，以获得四路ADC输出信号的差异，根据它们之间的差异，通过收敛步进调整算法，反写每一路ADC的参数补偿值，最终提高各路ADC通道一致性，确保宽带信号的高速采集数据输出的正确性。

5.根据权利要求1所述的2GHz带宽实时FFT频谱仪***，其特征在于，所述数据处理电路，对数据采集电路内的数据先进行缓存，然后进行16组2k点复数蝶形运算，8组4k点复数蝶形运算，4组8k点复数蝶形运算，2组16k点复数蝶形运算，1组32k点复数蝶形运算，频谱数据结构调整，功率谱运算，功率谱积分，32k点功率谱乒乓缓存输出。