基于FPGA的功率谱分析系统
2020年信息技术与网络安全第9期
付恩琪1，2，孙秀男1，2，梁 昊1，2
1.中国科学技术大学 核探测与核电子国家重点实验室，安徽 合肥230026； 2.中国科学技术大学 近代物理系，安徽 合肥230026
摘要： 针对激光雷达的微弱信号探测，设计了一种实时功率谱分析系统。系统使用12位1 GS/s的模数转换器(Analog to Digital Converter，ADC)进行采样，采用FPGA作为数据采集处理的控制核心，并通过DDR3及千兆以太网实现数据的存储上传。在上位机软件控制下，结合各个功能模块，实现了参数可配置的两种功率谱估计方案。测试结果表明，系统有效提升了数据处理速度，并通过分段累加改善了功率谱估计的性能。
中图分类号： TN911
文献标识码： A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2020.09.013
引用格式： 付恩琪，孙秀男，梁昊. 基于FPGA的功率谱分析系统[J].信息技术与网络安全，2020，39(9)：68-73.
文献标识码： A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2020.09.013
引用格式： 付恩琪，孙秀男，梁昊. 基于FPGA的功率谱分析系统[J].信息技术与网络安全，2020，39(9)：68-73.
Power spectrum analysis system based on FPGA
Fu Enqi1，2，Sun Xiunan1，2，Liang Hao1，2
1.State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics，University of Science and Technology of China， Hefei 230026，China； 2.Department of Modern Physics，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China
Abstract： Aiming at the weak signal detection of lidar, a real-time power spectrum analysis system is designed. The system uses 12 bit 1 GS/s Analog to Digital Converter(ADC) for sampling, uses Field Programmable Gate Array(FPGA) as the control core of data acquisition and processing, and realizes data storage and upload through DDR3 and Gigabit Ethernet. Under the control of the host computer software, combined with various functional modules, two power spectrum estimation schemes with configurable parameters are implemented. The test results show that the system effectively improves the speed of data processing and improves the performance of power spectrum estimation by piecewise accumulation.
Key words : FPGA；power spectrum estimation；Fast Fourier Transform(FFT)；window function
0 引言
功率谱估计是信号分析的重要方法，广泛应用于雷达信号处理、语音识别、无线通信等领域[1-3]。针对激光雷达的微弱信号探测，由于单个脉冲功率谱强度较低，通常需要将多个脉冲功率谱进行分段累加以提高探测性能[4]。经典谱估计建立在快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)基础之上，目前常用的基于MATLAB的功率谱估计运算耗时长、效率低，无法满足实时数据处理的需求。随着现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)集成度进一步提高，其内部资源丰富，性能强大，设计更加灵活，并具有很好的兼容性和可移植性，成为理想的解决方案。
本文设计了一种基于FPGA的功率谱分析系统，在上位机软件控制下对关键参数进行配置，实现了数据采集、硬件触发、DDR3存取、功率谱估计、结果上传等系列功能。重点研究了两种功率谱估计方案：方案一不加窗，由单精度浮点的并行FFT模块实现，计算结果精度高；方案二增加了实时加窗处理，由24 bit定点的流水线FFT模块实现，在降低频谱泄露的同时进一步提升处理速度。系统通过分段累加处理提高了对微弱信号的探测性能。
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作者信息:
付恩琪1，2，孙秀男1，2，梁 昊1，2
(1.中国科学技术大学 核探测与核电子国家重点实验室，安徽 合肥230026；
2.中国科学技术大学 近代物理系，安徽 合肥230026)
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