基于FPGA的功率譜分析系統
2020年信息技術與網絡安全第9期
付恩琪1，2，孫秀男1，2，梁 昊1，2
1.中國科學技術大學 核探測與核電子國家重點實驗室，安徽 合肥230026； 2.中國科學技術大學 近代物理系，安徽 合肥230026
摘要： 針對激光雷達的微弱信號探測，設計了一種實時功率譜分析系統。系統使用12位1 GS/s的模數轉換器(Analog to Digital Converter，ADC)進行采樣，采用FPGA作為數據采集處理的控制核心，并通過DDR3及千兆以太網實現數據的存儲上傳。在上位機軟件控制下，結合各個功能模塊，實現了參數可配置的兩種功率譜估計方案。測試結果表明，系統有效提升了數據處理速度，并通過分段累加改善了功率譜估計的性能。
中圖分類號： TN911
文獻標識碼： A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2020.09.013
引用格式： 付恩琪，孫秀男，梁昊. 基于FPGA的功率譜分析系統[J].信息技術與網絡安全，2020，39(9)：68-73.
文獻標識碼： A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2020.09.013
引用格式： 付恩琪，孫秀男，梁昊. 基于FPGA的功率譜分析系統[J].信息技術與網絡安全，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
功率譜估計是信號分析的重要方法，廣泛應用于雷達信號處理、語音識別、無線通信等領域[1-3]。針對激光雷達的微弱信號探測，由于單個脈沖功率譜強度較低，通常需要將多個脈沖功率譜進行分段累加以提高探測性能[4]。經典譜估計建立在快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，FFT)基礎之上，目前常用的基于MATLAB的功率譜估計運算耗時長、效率低，無法滿足實時數據處理的需求。隨著現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)集成度進一步提高，其內部資源豐富，性能強大，設計更加靈活，并具有很好的兼容性和可移植性，成為理想的解決方案。
本文設計了一種基于FPGA的功率譜分析系統，在上位機軟件控制下對關鍵參數進行配置，實現了數據采集、硬件觸發、DDR3存取、功率譜估計、結果上傳等系列功能。重點研究了兩種功率譜估計方案：方案一不加窗，由單精度浮點的并行FFT模塊實現，計算結果精度高；方案二增加了實時加窗處理，由24 bit定點的流水線FFT模塊實現，在降低頻譜泄露的同時進一步提升處理速度。系統通過分段累加處理提高了對微弱信號的探測性能。
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作者信息:
付恩琪1，2，孫秀男1，2，梁 昊1，2
(1.中國科學技術大學 核探測與核電子國家重點實驗室，安徽 合肥230026；
2.中國科學技術大學 近代物理系，安徽 合肥230026)
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