研究生电类综合实验（A1）-NJUST

摘要

本实验基于FPGA开发板DE2-115和AD/DA板THDB-ADA设计一个信号产生与频谱分析的系统。运用Quartus II软件进行编程，首先，设计一个参数可变的LFM信号发生器和数字FIR滤波器。然后，通过DAC将其转换为模拟中频信号输出，再对外接信号进行ADC采样，最后，对信号进行频谱分析。
关键词：FPGA, Quartus II, LFM, ADC/DAC

一、实验器材

1、FPGA

FPGA（Field－Programmable Gate Array）是一种半定制的集成数字芯片，其最大特点是现场可编程。内部结构由CLB、RAM、DCM、IOB、Interconnect等构成。

图1 FPGA内部结构

FPGA开发的一般流程：

设计输入：硬件描述语言，IP核，原理图；
编译：综合，Fitter，时序；
仿真：Modelsim；
下载调试：SignalTap。

2、DE2-115开发板

图2 开发板示意图

2.1 开发板资源

Altera Cyclone® IV 4CE115 FPGA 器件
Altera 串行配置芯片： EPCS64
USB Blaster 在线编程；也支持JTAG和AS可编程方式
2MB SRAM
两片 64MB SDRAM
8MB Flash memory
SD卡插槽
4个按钮
18个滑动开关
18个红色LED
9个绿色LED
50M时钟源
24位音频编解码器，麦克风插孔
电视解码
RJ45 2G以太网接口
VGA连接器
含有USB_A和USB_B连接器的主从控制器
RS232收发器和9针连接器
PS/2鼠标和键盘连接器
红外接收器

2.2 ControlPanel工具

ControlPanel是开发板自带的一个工具软件，可以通过该软件提供的图形界面直接对FPGA上的各个外设进行操作。通过该操作可以确认PC机与开发板的连接是否正确，开发板的硬件工作是否正常。
ControlPanel的安装过程如下：
确保QUARTUS II 10.0 或以上版本能被成功安装；将开关RUN/PROG切换到RUN位置；将USB接线连接至USB驱动端口，供12V电源并打开开关；打开主机上的可执行文件DE2_115_ControlPanel.exe，controlPanel的用户界面如下：

图3 用户界面
DE2_115_ControlPanel.exe一旦被启动，DE2_115_ControlPanel.sof程序流文件将会被自动加载；如果未连接，点击CONNECT，点sof文件将会重新加载到板子上；注意，控制面板将会占用一直到你关闭那个端口，除非你关闭USB端口，否则你不能使用QUARTUS II来下载文件；控制面板现在可以使用了，通过设置一些LED灯ON/OFF的状态来观察DE2-115上的状态。

2.3 DE2-115开发板

JTAG配置FPGA：

 连接电源适配器打开电源开关
将下图开关到RUN位置进行调试
连接USB连接线连到DE2-115开发板的USB BLASTER端口
下载.sof后缀名的文件来对FPGA进行编程
如需对配置芯片变成开关需要打到PROGRAM位置

开发板代码设计流程：

图4 设计流程
利用System Builder建立工程，系统将自动根据需求进行管脚分配和相关设置。

输入工程名字，将自动设置为顶层设计实体；
用户根据自己的需求，选择需要使用的模块the DE2-115 ，System Builder将会自动产生相关联的引脚配置；
用户可以自己定义引脚的名字、位置、目录、和IO标准
通过高速中间接口可以外挂子卡
he DE2-115 System Builder 可以使用户加载某个配置，保存用户的配置；将会产生QUARTUS II 的文件。

3、A/D、D/A开发板

ADDA扩展板是 利用HSMC接口进行扩展的子卡，相当于FPGA的一个外设。扩展板提供两路$65M$，$14$位采样分辨率的ADC以及两路$125M$，$14$位采样精度的DAC。采样时钟设置灵活可以采用多种形式。信号输入和输出采用变压器耦合方式，频率范围为$0.1MHz800MHz$。
ADC的基本参数：集成双端口14位AD；$3V$供电$（2.7V-3.6V）$；$SNR=71.6dB$；固定的模拟输入范围$0V2V$。

二、实验内容

1、实验简介

本实验利用DE2-115开发板产生一个参数可变的线性调频（LFM）信号，利用数字滤波器改变LFM信号的幅频特性，并通过DA扩展板转换为模拟中频信号。通过AD扩展板采集该信号，经过数字正交下变频转换为数字基带信号，并对此基带信号进行频谱分析。
基本要求：

	产生LFM脉冲，通过调试工具设置信号参数，使得脉冲宽度在1us~1s内可变，带宽在5MHz~10MHz可变，脉冲重复周期在10us~2s内可变，载波频率在5MHz~20MHz可变，输出信号幅度在0.1~1V可变，以上参数可任意组合，产生的信号通过DAC输出，DAC数据更新率为120MHz。
	将上面产生的LFM脉冲先通过截止频率为5MHz，阻带频率为10MHz的FIR低通滤波器，再通过DAC输出。
	将上面产生的LFM脉冲先通过截止频率为5MHz，阻带频率为10MHz的FIR低通滤波器，再通过DAC输出。

提高要求：

	LFM信号的参数可变范围进一步扩展，范围越大越好。
	多组FIR滤波器的冲击响应可实时切换。
	频谱分析的分辨率进一步提高。

2、LFM信号的产生

2.1 LFM基带信号

LFM基带信号的数学表达式：
$$s(t)=rect(t/T)e^{(}j\pi K{t}^2),-T/2\le t＜T/2$$
其中，$rect()$是矩形脉冲函数，$T$是脉冲持续时间，单位是$s$，$K$是调频斜率，单位是$Hz/s$。
LFM信号的瞬时相位为：
$$\psi \left(t\right)=\pi K{t}^2$$
LFM信号的瞬时频率为：
$$f\left(t\right)=\frac{1}{2\pi }\frac{d\psi \left(t\right)}{dt}=Kt$$
LFM信号的带宽为：

$$B=KT$$
LFM基带信号时域波形

图5 带宽为10MHz，脉宽为10us的LFM信号

2.2 LFM带通信号

LFM带通信号的数学表达式：
$$s(t)=real(rect(t/T)e^{(}j(2\pi f_{c}t+\pi K{t}^2))),-T/2\le t＜T/2$$
其中，$real()$是取复数实部函数，$f_c$是载波频率，单位是$Hz$。
LFM带通信号的瞬时相位为：
$$\psi (t)=2\pi f_{c}t+\pi K{t}^2$$
LFM信号的瞬时频率为：
$$f(t)=1/2\pi d\psi (t)/dt=f_c+Kt$$
LFM信号的带宽为：
$$B=KT$$
LFM带通信号时域波形

图6 载波为$10MHz$，带宽为$10MHz$，脉宽为$10us$的LFM实带通信号LFM带通信号频谱

图7 载波为$10MHz$，带宽为$10MHz$，脉宽为$100us$的LFM实带通信号

2.3 DDS产生LFM信号

瞬时频率：
$$f(n{T}_s)=f_c+Kn{T}_s$$
DDS的频率调谐字FTW和输出频率$f_o$的关系：
$$FTW=f_o/f_s{2}^N$$
其中，N是DDS的相位累加器位数，$f_s=1⁄T_s $为DDS的时钟频率。因此，用DDS产生LFM信号时，对应的频率调谐字为：
$$FTW(n)=round(f_o/f_s{2}^N)=round(f_c/f_s{2}^N+nK〖T_s{〗}^2{2}^N)$$

3、FIR滤波器

3.1 FIR滤波器设计方法

窗函数法：是一种在时域设计FIR数字滤波器的方法，用窗函数对理想滤波器的冲击响应进行加权。
频率取样法：从频域出发，对理想滤波器频域特性进行等间隔采样，将采样值作为待设计滤波器的频率特性，对其做IDFT得到滤波器的冲击响应。
最优设计方法：等波纹切比雪夫逼近法，采用“最大误差最小”准则得到最佳滤波器。

3.2 MATLAB设计FIR滤波器

MATLAB函数：fir1、fir2、firpm
FIR滤波器设计工具：fdatool

4、 基于FFT的频谱分析

4.1 FFT原理

FFT是快速傅里叶变换的简称，可对离散信号进行频域分析。
若时域离散序列$x(n)，0\le n\le N-1，$对其作N点FFT运算得到$X(k)$:
$$X(k)=\sum _{(}n=0{)}^{(}N-1)▒〖x(n)e^{(}-j2\pi /Nkn)〗$$
其中，$｜X(k)｜$是归一化频率$2\pi /Nk$的信号分量的幅度，$arg(X(k))$是其相位。

4.2 频谱分析原理

对模拟信号进行低通采样或者带通采样得到实信号；
对实信号正交下变频，得到零中频复信号；
对零中频信号作FFT，得到被分析信号的幅频特性和相频特性。

三、实验过程

图8 实验流程
本次实验使用了PLL IP核、NCO IP核、FIR IP核、FFT IP核以及乘法和加法器IP核。
PLL IP核：锁相环IP核，利用50MHz系统时钟，产生$125MHz$和$65MHz$的时钟信号，分别驱动DAC和ADC模块。
NCO IP核：根据随时间变化的频率控制字，输出正余弦信号，得到线性调频(LFM)信号。
FIR IP核：导入由matlab生成的系数文件(.txt)，对输入数据进行滤波。本次实验一共设计了两个低通滤波器，一个是对LFM信号进行滤波的滤波器，它的通带截止频率为$5MHz$，阻带截止频率为$10MHz$的低通FIR滤波器，另一个是在正交下变频中使用的低通滤波器，它的通带截止频率为$2.5MHz$，阻带截止频率为$5MHz$。
FFT IP核：设置点数，可以对输入数据进行相应点数的FFT/IFFT运算，将时域输入转换成频域输出。

1、设置参数

图9 LFM_1参数设置
打开In-System Sources and Probes Editor工具，进行参数设置，$source1$调节幅度，$source2$调节脉冲宽度，$source3$调节脉冲重复周期，$source4$调节载频，$source5v调节带宽，$source6$调节FFT输出幅频特性大小。
要产生一个幅度为$1V$，脉宽为$1us$，脉冲重复周期为$2us$，载频$6MHz$，带宽$5MHz$的LFM信号，则$source1=1，source2=1，source3=2，source4=6，source5=5，source6=0$。

图10 LFM_2参数设置
产生一个幅度为$1V$，脉宽为$10us$，脉冲重复周期为$20us$，载频$5MHz$，带宽$5MHz$的LFM信号。

2、硬件调试

图11 调试结果1
打开SignalTap II Logic Analyzer工具，添加需要观测的信号，运行，可以看到信号波形。其中DAC_DA信号是幅度为$1V$，脉宽为$1us$，脉冲重复周期为2us，载频$6MHz$，带宽$5MHz$的LFM信号，可以看到占空比为$1/2$；DAC_DB是经过滤波以后的LFM信号，可以观察到高频部分的衰减；ADC_DB是经过滤波后的数字LFM信号，result信号是对其进行FFT运算后的结果。

图12 调试结果2
幅度为1V，脉宽为10us，脉冲重复周期为20us，载频5MHz，带宽5MHz的LFM信号的硬件调试结果。将AD/DA拓展板上的DAC_DA接口和ADC_DB接口相连，通过SignalTap II工具可以得到没有经过低通滤波的LFM信号的幅频和相频特性，从上往下数第二条波形是该LFM信号的幅频特性。将该带通信号ADC_DB正交下变频，得到零中频信号，再进行FFT，倒数第二条波形是正交下变频之后的幅频特性，最后一条波形是采用Cordic算法得到的相频特性。

图13 滤波后的调试结果
将AD/DA拓展板上的DAC_DB接口和ADC_DB接口相连，通过SignalTap II工具可以得到经过低通滤波的LFM信号的幅频和相频特性，从上往下数第二条波形是经过低通滤波的LFM信号的幅频特性。将该带通信号ADC_DB正交下变频，得到零中频信号，再进行FFT，倒数第二条波形是正交下变频之后的幅频特性，最后一条波形是相频特性。

3、示波器观察

打开In-System Sources and Probes Editor工具，进行参数设置，$source1=0，source2=10，source3=20，source4=10，source5=10，source6=5$。产生脉宽为$10us$，脉冲重复周期为$20us$，载频$10MHz$，带宽$10MHz$的LFM信号。

图14 时域波形
通过显示光标，可以在示波器上看到脉宽为$10us$，重复周期为$20us$的LFM信号。

图15 原信号频谱
按下示波器上的FFT按键，显示该LFM信号的频谱，通过显示光标，可以看到信号的载频为$10MHz$，带宽为$10MHz$。

图16 滤波后的时域波形
这是LFM信号通过通带截止频率为$5MHz$，阻带截止频率为$10MHz$的低通滤波器后输出的波形。

图17 滤波后的频谱
由于滤波器的过渡带为$5MHz10MHz$，所以经过滤波后，信号的幅频特性在$5MHz10MHz$内有了衰减，$10MHz$以上的频率成分被滤除。

四、实验总结

通过这一个星期的电类综合实验，我学会了Quartus II软件的使用，熟悉了Quartus II软件内部的调试工具，熟悉了verilog语言的使用，了解了LFM信号的产生和数字处理、频谱分析。从一开始的一筹莫展，到一步一步的实现这个过程中，我学到了很多学习新知识的方法，掌握了专业知识，同时锻炼了动手的能力。
回顾整个设计过程，发现自己真的有很多不足。在实验过程中，学到了很多有关电子技术理论和实际方面的知识，从理论中得出结论，才能真正的提高自己的实际动手能力和独立能力，从中获得经验和知识。对以前所学过的知识理解不够深，不够透，掌握不够牢固。
之前，在课本上学习过很多数字信号处理的方法，但是从未动手实践过，在这次实践的同时，发现了以前知识的短板。理论知识掌握了还是远远不够的，还需要会使用matlab仿真，会使用verilog语言编写代码，会使用Quartus II软件硬件调试，会使用示波器观察信号等等，在实践之后才知道要真正实现一个系统，理论学习只是特别小的一部分，但也是第一步。在该如何设计，并且使之能实现我们需要的功能这个过程中，培养了我们的设计思维，增加了实际操作能力。这次让我体会到了实现数字系统的艰辛与成功之后的喜悦。尤其是Quartus II软件的编程花费了我大量的时间，但是最终基本完成了实验目标。
因为我平时接触FPGA较少，不是这个专业的，在此要多谢杨同学的指导。
程序链接： link.