技术领域
[0001] 本
发明涉及一种频谱分析设备，特别是一种用于射电天文的宽带高分辨率实时
快速傅立叶变换(FFT)频谱仪。
背景技术
[0002] 频谱仪是射电天文等领域进行
信号频谱分析必不可少的仪器之一。射电天文用频谱仪主要有模拟
滤波器组频谱仪(Filter Bank Spectrometer，FBS)，声光频谱仪(Acousto-Optical Spectrometer，AOS)，自相关频谱仪(Auto Correlation Spectrometer，ACS)和FFT频谱仪(快速傅立叶变换数字频谱仪Fast Fourier Transform Spectrometer，FFTS)。
模拟滤波器组频谱仪主要由模拟
滤波器组，
检波器，积分器和读出
电路等组成，由于存在通道一致性差和邻道串扰等不足，无法实现高分辨频谱分析；声光频谱仪主要由激
光源、光路扩束
准直器、声光偏转器、傅氏透镜、线阵光电
耦合器件CCD(Charge Coupled Device)和读出电路等组成，集成机光电等技术，尽管可以实现窄带高分辨频谱分析，但其稳定受声光偏转器、CCD等模拟部件影响，
稳定性比较差，不利于深度积分，且存在体积大，功耗大等不足。自相关频谱仪采用相关原理实现对信号的频谱分析，全数字自相关频谱仪主要由量化器(或
模数转换器ADC-Analog to Digital Converter)、实现自相关运算
专用集成电路或
可编程逻辑器件，和读出电路等组成。它在宽带和
频率分辨率和稳定性等方面优于前面二者，采用多比特可以提高积分效率，但系统的复杂程度却快速增加，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分析场合，仍是一个不可忽视的
缺陷；FFT频谱仪采用傅立叶变换对信号直接对信号进行频谱分析，可以接受多比特的
数字信号，实现宽带高分辨率频谱分析且其积分效率几乎可以达到100％，稳定性好。目前国际上用于射电天文的FFT频谱仪进行1GHz带宽或1GHz以上，16k或32k频谱通道的信号频谱分析刚刚开始，在国内采用如此宽带和高频率分辨率的FFT频谱仪也在开发之中。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种射电天文用数字FFT频谱仪，设计实现1GHz带宽，16k(或16384)频谱通道的实时FFT频谱仪，并具有体积小、重量轻、结构紧凑、工作稳定可靠等特点。
[0004] 实现本发明目的的技术方案是：宽带高频率分辨率实时快速傅立叶变换数字频谱仪，由前置
放大器、
开关矩阵、高速ADC器件、时钟
控制器、海量FPGA芯片，运行于该芯片的FFT(快速傅立叶变换)
内核，PCI技术总线和
工业控制计算机及控制
软件组成；其中，所述前置放大器对不同输入功率的基带信号进行适当放大；所述开关矩阵将信号馈入高速ADC器件；所述高速ADC器件(采用2颗ADC速率同为1GS/s)采用
正交采样，实现1GHz带宽基带信号的模-数转换；所述FFT内核对1GHz基带信号直接进行快速傅立叶变换；所述时钟控制器控制开关矩阵开关切换速率，提供并控制ADC器件的采样
时钟信号和正交采样过程，同时也提供FFT内核进行数字运算所需的时钟和相关的时序
控制信号；所述控制软件基于Windows或Linux
操作系统，以工业控制计算机为
硬件平台，采用计算机PCI技术总线，配置FPGA的寄存器，设置FFT运算参数，读取积分的信号
功率谱，进行进一步的后续处理；其特征是，所述FFT内核对1GHz基带信号直接进行快速傅立叶变换时，执行下列步骤：2GS/s的正交数字信号进入FPGA，以32k长度为单位进行缓存之后并分为8组，每组为2k个复数(也就是32组1k长度的数据)，经过
串并转换后的2k点复数，速率降至125MHz；降速后的数据逐级进行下列FFT
蝶形运算：8组2k点复数蝶形运算，4组4k点复数蝶形运算，2组8k点复数蝶形运算，1组16k点蝶形运算，再进行1组32k点蝶形运算，完成32k点的实数FFT(16k点的复数FFT)运算；对32k点FFT的输出进行功率谱运算及积分，其中积分器数据宽度48bit；积分后频谱经功率谱输出至FPGA片外的32bit PCI技术总线。本发明采用FFT IP内核与传统的FFT IP内核比较，其特点主要有：采用并行处理方式，提高FFT处理带宽，即通过数据流的串-并转换为8组并行数据，每一组以125MHz的运算速率实现1GHz带宽频谱分析；采用流
水线逐级处理方式，提高FFT处理实时性，即通过5级，每级处理速率同为125MHz，并行运算的FFT组数逐级减小而FFT的运算点数逐级增长的流水式FFT，保证了数据流的连续性和频谱实时分析。
[0005] 宽带高分辨实时数字FFT频谱仪与传统频谱仪(滤波器组频谱仪、声光频谱仪和自相关频谱仪等)比较，其特点主要在于对被分析的信号(如射电天文信号)进行全数字化频谱分，即对被分析信号进行多比特数字化后，采用FFT方法直接实现信号的数字频谱分析。本发明设计的数字FFT频谱仪实现宽带、高频谱分辨和实时性频谱分析。其难点在于：宽带频谱分析意味着FFT频谱仪的数字化器件，即多比特的模数转换器件ADC，必须具备高速采样率，同时也意味着FFT频谱仪的数字
信号处理即FFT运算的硬件平台，具有高速的数据吞吐率；高频谱分辨分析意味着FFT频谱仪的FFT运算的硬件平台具海量资源；实时性频谱分析意味着FFT频谱仪FFT具备高速的运算能
力以使ADC的输出数据流，能够被FPGA(FiledProgrammable Gate Array)及时无滞留的成功处理。
[0006] 本发明采用工业标准6U板卡方式进行模
块化设计，该板卡主要具备1个增益可调节的前置放大器(
附图中只用了一个，还有一个没有用？：已经
修改)，采用速率1GS/s8bit的ADC-JetSpeed ADC、一颗高速海量FPGA-Xilinx Virtex-II Pro70，高速cPCI计算机总线(100Mb/s)，实现数字信号频谱分析的FFT内核、集成c
PCI总线接口的工控计算机及其控制软件等组成。
[0007] 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32k点FFT计算时间为16.384us，数据连续运算无空闲时间(Dead Time)，满足信号处理实时性要求。在FFT过程中，1次32K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。
[0008] 作为本发明的进一步改进，所述高速ADC器件采用2个速率为1GS/s 8bit的模数转换器件；所述开关矩阵2以2GHz的开关速率，将信号分成2路，分别馈入高速ADC器件。
[0009] 本发明的有益效果是，在一个6U cPCI板卡集成2颗ADC，1颗FPGA结合32k点FFT内核，与工控计算机可无缝集成构成小型化的FFT频谱仪，体积小(6U板卡)，功耗低(20W)，可实现1GHz带宽、61kHz频率分辨率(共有16384频谱通道)实时频谱分析。
附图说明
[0011] 图2是本实施例的FFT IP内核的原理示意图。
具体实施方式
[0012] 现结合附图与实施例作进一步说明。
[0013] 如图1所示，宽带高频率分辨率实时FFT频谱仪，由前置放大器1、开关矩阵2、高速ADC器件3、时钟控制器4、FPGA芯片5，运行于该芯片的FFTIP内核6，PCI技术总线7和工业控制计算机及控制软件8组成。
[0014] 1GHz带宽的基带信号首先通过前置放大器1，前置放大器1根据
输入信号功率大小，可适当调节增益大小，满足高速ADC器件3量程要求，以充分利用ADC器件的动态范围。经前置放大器1放大后的信号，进入开关矩阵2，开关矩阵2以2GHz的开关速率，将信号分成2路，分别馈入高速ADC器件3，为两个ADC实现正交采样做准备。2颗高速8bit ADC器件3分别对信号以1GS/s速率同时进行采样，并模数转换为数字信号，两个采样时钟
相位相差180°，实现对1GHz基带信号的2GS/s的正交采样和模数转换。
[0015] 通过ADC器件3输出的数字信号进入Virtex-II Pro 70 FPGA芯片5，FFT内核6基于Virtex-II Pro 70 FPGA硬件平台，完成1GHz带宽32k点实时FFT运算，该FFT IP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：
[0016] 步骤61 2GS/s的正交数字信号进入FPGA，以32k长度为单位进行缓存之后并分为8组，每组为2k个复数(也就是32组1k长度的数据)，经过串并转换后的2k点复数，速率降至125MHz。
[0017] 步骤62降速后的数据逐级进行FFT蝶形运算，首先是8组2k点复数蝶形运算；
[0018] 步骤63再进行4组4k点复数蝶形运算；
[0019] 步骤64再进行2组8k点复数蝶形运算；
[0020] 步骤65再进行1组16k点蝶形运算；
[0021] 步骤66再进行1组32k点蝶形运算，完成32k点的实数FFT(16k点的复数FFT)运算；
[0022] 步骤67再对32k点FFT的输出进行功率谱运算及积分，其中积分器数据宽度48bit；
[0023] 步骤68积分后频谱经16k点功率谱输出，至FPGA片外的32bit PCI技术总线，为工业计算机的数据读取做好准备。
[0024] 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32k点FFT计算时间为16.384us，数据连续运算无空闲时间(Dead Time)，满足信号处理实时性要求。在FFT过程中，1次32K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。积分结果传至32bit PCI技术总线7。另外，时序控制器与FPGA片外的总时钟控制器4的时钟同步，控制FFT内核中的缓存的串并转换、流水FFT蝶形运算、功率谱计算积分及输出所需的时钟信号和时序控制信号。
[0025] FFT IP内核6基于Virtex-II Pro 70 FPGA芯片硬件平台，在Xilinx公司的ISE9.0开发环境下，结合FDK(Firmware Development Kit)套件，并采用VHDL语言进行模块化编写完成，实现1GHz带宽、61k(16384个通道)频率分辨率实时频谱分析。
[0026] 时钟控制器4控制开关矩阵开关切换速率，提供并控制ADC器件的采样时钟信号和正交采样过程，同时也提供FFT IP内核进行数字运算所需的时钟和相关的时序控制信号。
[0027] 工业控制计算机及控制软件8实现FFT频谱仪的参数配置，信号频谱分析启停，以及信号功率谱的读出分析等操作。控制软件通过PCI技术总线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之用。控制软件采用ANSI C基于Windows(或Linux)操作系统平台编制完成。
[0028] 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1GHz，频率分辨率为61kHz(16384频谱通道)，动态范围30dB，稳定性时标大于3000s，工作稳定可靠。
