本文關(guān)鍵詞：基于FPGA的頻譜儀數(shù)字單元設(shè)計與實現(xiàn)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：太赫茲頻譜儀在大氣痕量氣體觀測、生命科學(xué)、安全檢測等方面有重要應(yīng)用。太赫茲技術(shù)的發(fā)展對頻譜儀的帶寬、譜分辨率及穩(wěn)定性提出了較高的要求。本文正是在這樣的背景下旨在設(shè)計一個基于FPGA的頻譜儀數(shù)字單元,希望能在臨邊探測等領(lǐng)域得到應(yīng)用,并為相關(guān)研究提供技術(shù)基礎(chǔ)。頻譜儀在發(fā)展過程中主要產(chǎn)生了四種類型的頻譜儀。早期的頻譜儀為多通道濾波器組,這種頻譜儀造價昂貴,需要嚴(yán)格控制機(jī)械公差,易造成信道串?dāng)_,因此已經(jīng)被其他技術(shù)取代。后來出現(xiàn)的聲光頻譜儀,具有體積小、功耗低的特性,最大帶寬在1到2GHz范圍,其缺點是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,對工作環(huán)境要求甚高。隨著寬帶多位高速ADC的發(fā)展,Xilinx FPGA存儲和實時高速處理數(shù)字信號的能力大大提高,FFT IP核的功能逐漸完善,性能大幅提高,使得設(shè)計超寬帶、高分辨率FFT頻譜儀成為可能。本論文在研究頻譜儀和FFT原理的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一種基于FPGA的太赫茲頻譜儀數(shù)字單元設(shè)計方案。論文首先介紹了太赫茲頻譜儀的發(fā)展歷程,并對頻譜儀的實現(xiàn)原理進(jìn)行了總結(jié)。然后詳盡介紹了頻譜儀數(shù)字單元的硬件和軟件設(shè)計。該數(shù)字單元硬件部分由四路ADC完成2.4 GHz信號采樣,一片F(xiàn)PGA芯片完成信號復(fù)用和FFT頻譜運(yùn)算,ADC選用ADC083000,FPGA芯片為Xilinx Virtex-5系列。軟件方面詳細(xì)介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流程和部分實驗結(jié)果。由VHDL編程實現(xiàn)對系統(tǒng)各部分功能的控制,主要的功能模塊包括時鐘模塊,鎖相環(huán)三線編程模塊,多路復(fù)用模塊,FFT模塊,FIFO和串口傳輸模塊等。最后搭建了完整的測試環(huán)境,通過ChipScope工具進(jìn)行了功能驗證,該數(shù)字單元穩(wěn)定可靠,可以運(yùn)用于太赫茲頻譜儀中。
【關(guān)鍵詞】：太赫茲 頻譜儀 FPGA FFT 數(shù)字單元 ChipScope
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM935.21
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-20
• 1.1 引言10
• 1.2 太赫茲頻譜儀的發(fā)展10-16
• 1.3 太赫茲頻譜儀的應(yīng)用需求16-18
• 1.3.1 太赫茲頻譜儀在大氣觀測中的應(yīng)用16-17
• 1.3.2 太赫茲頻譜儀在安全檢測中的應(yīng)用17-18
• 1.3.3 太赫茲頻譜儀在生命科學(xué)中的應(yīng)用18
• 1.4 論文主要研究內(nèi)容18-20
• 第二章 FFT頻譜儀基本理論20-28
• 2.1 信號采樣理論20-22
• 2.1.1 信號的描述方法20-21
• 2.1.2 奈奎斯特采樣定理21-22
• 2.2 FFT頻譜分析儀的原理22-25
• 2.2.1 基-2 FFT算法23-24
• 2.2.2 DFT與FFT算法復(fù)雜度比較24-25
• 2.3 頻譜分析儀的分類25-26
• 2.4 頻譜分析儀的重要參數(shù)26-27
• 2.5 本章小結(jié)27-28
• 第三章 頻譜儀數(shù)字單元硬件設(shè)計28-44
• 3.1 引言28-29
• 3.2 頻譜儀數(shù)字單元硬件設(shè)計方案29-31
• 3.3 FPGA相關(guān)技術(shù)簡介31-36
• 3.3.1 Xilinx Virtex-5 系列芯片31-34
• 3.3.2 FPGA開發(fā)流程34-36
• 3.4 ADC及其控制電路36-38
• 3.4.1 ADC復(fù)位電路控制37-38
• 3.5 時鐘芯片與時鐘同步方案38-40
• 3.6 電源芯片和電源系統(tǒng)設(shè)計40-41
• 3.7 接口電路及PCB設(shè)計41-42
• 3.8 本章總結(jié)42-44
• 第四章 頻譜儀數(shù)字單元系統(tǒng)實現(xiàn)44-62
• 4.1 頻譜儀數(shù)字單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)44-45
• 4.2 VHDL編程各模塊的實現(xiàn)45-55
• 4.2.1 時鐘信號45-47
• 4.2.2 FFT算法簡介47-48
• 4.2.3 FFT IP核功能實現(xiàn)48-55
• 4.3 利用ChipScope對系統(tǒng)進(jìn)行功能驗證55-60
• 4.4 本章總結(jié)60-62
• 第五章 總結(jié)與展望62-64
• 5.1 論文總結(jié)62-63
• 5.2 論文展望63-64
• 致謝64-66
• 個人簡歷與在學(xué)期間發(fā)表的論文66-68
• 參考文獻(xiàn)68-69

【參考文獻(xiàn)】

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  本文關(guān)鍵詞：基于FPGA的頻譜儀數(shù)字單元設(shè)計與實現(xiàn)，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：456225