專利名稱：基于fpga和計算機相結(jié)合的信號分析儀的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及信號分析領域，特別是涉及一種基于FPGA和計算機相結(jié)合的信號分析儀。
背景技術(shù)：
由于信號分析的需要，現(xiàn)有各類信號分析儀，用于對各種信號進行分析。例如，在申請?zhí)枮?00520074911.5的中國專利文獻中，公開了一種信號分析儀，該信號分析儀由信號調(diào)理器和筆記本電腦組成。在線測試信號送入模擬信號調(diào)理電路、數(shù)字信號調(diào)理電路、編碼器信號調(diào)理電路，分別經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸至筆記本電腦中。該信號分析儀使用LabVIEW的數(shù)據(jù)采集編程程序，將在線測試、動態(tài)信號分析、多通道數(shù)據(jù)記錄和復現(xiàn)、高速模擬數(shù)據(jù)存儲和復現(xiàn)、高速數(shù)字數(shù)據(jù)存儲和復現(xiàn)五種功能集于一身。又例如，在 申請?zhí)枮?01110366872.6的中國專利文獻中，公開了一種矢量信號分析儀。該矢量信號分析儀通過射頻前端分路模塊將接收到的信號分為至少兩路，并分別對每一路信號進行射頻/微波處理以及模數(shù)變換，再由數(shù)字信號處理模塊分別對各個信號進行頻譜分析或者信號解調(diào)分析，從而實現(xiàn)同時進行頻譜測量功能和信號解調(diào)分析功能。然而，隨著因特網(wǎng)、多媒體和無線通訊技術(shù)的發(fā)展，用戶對無線通信中大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)囊笤絹碓礁?，導致對無線通信中的帶寬提出更高的要求。由于分析帶寬要求的提高，現(xiàn)有信號分析儀產(chǎn)品已經(jīng)難于滿足實際的要求，于是需要具有更高分析帶寬、且同時又滿足動態(tài)范圍大的苛刻要求的產(chǎn)品。

實用新型內(nèi)容鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本實用新型的目的在于提供一種基于FPGA和計算機相結(jié)合的信號分析儀，以實現(xiàn)對無線通信中各種信號的分析。為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本實用新型提供一種基于FPGA和計算機相結(jié)合的信號分析儀，其至少包括:將天線接入的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的信號采集單元；與所述信號采集單元相連接且用于將所述信號采集單元輸出的數(shù)字信號進行預處理的FPGA處理單元；與所述FPGA處理單元相連接且用于對所述FPGA處理單元輸出的信號進行分析的計算機。優(yōu)選地，所述FPGA處理單元通過FMC接口連接信號采集單元。優(yōu)選地，所述FPGA處理單元通過PC1-E接口連接所述計算機。優(yōu)選地，所述FPGA處理單元包括:與所述信號采集單元連接且用于控制所述信號采集單元的模數(shù)控制單元；存儲單元；與所述模數(shù)控制單元及存儲單元連接且控制所述存儲單元的數(shù)據(jù)寫入及讀出的存儲控制單元；與所述存儲控制單元及計算機連接的計算機控制單元。優(yōu)選地，所述計算機包括采用Matlab進行信號分析的計算機。優(yōu)選地，所述信號采集單元包括能采集LTE、WLAN、WIF1、Bluetooth、及WiMAX中的一種或多種通信信號的信號采集單元。如上所述，本實用新型的基于FPGA和計算機相結(jié)合的信號分析儀建立在完全可重構(gòu)硬件架構(gòu)和X86PC架構(gòu)混合的平臺之上，采用大容量高性能的Xilinx Virtex6系列的FPGA，可以滿足不斷變化的無線通信升級換代的要求，又可以保證分析平臺的快速搭建，通過在標準的FMC接口上擴展不同的信號采集單元，可以完整覆蓋各頻段的無線通信標準與應用，如LTE，WLAN, WIFI，Bluetooth，WiMAX，滿足不同場合的信號分析需求；信號采集單元的射頻采樣頻率范圍是IOOMHz到5GHz，最高采樣率可達5Gsps，數(shù)據(jù)位寬可達12bit ;可以連續(xù)采集8GB信號數(shù)據(jù)緩存到存儲單元中；計算機通過PC1-E接口讀取緩存在存儲單元中的數(shù)據(jù)。大量連續(xù)的信號存儲在高速的固態(tài)硬盤(SSD)上，以滿足高帶寬的要求；計算機運行MATLAB軟件對采集到的信號進行分析，如頻譜分析，時域分析，調(diào)制域分析等典型應用。

圖1顯示為本實用新型的基于FPGA和計算機相結(jié)合的信號分析儀示意圖。元件標號說明I 信號分析儀
11 信號采集單元12 FPGA處理單元13 計算機
具體實施方式
以下由特定的具體實施例說明本實用新型的實施方式，熟悉此技術(shù)的人士可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本實用新型的其他優(yōu)點及功效。請參閱圖1至圖2。須知，本說明書所附圖式所繪示的結(jié)構(gòu)、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內(nèi)容，以供熟悉此技術(shù)的人士了解與閱讀，并非用以限定本實用新型可實施的限定條件，故不具技術(shù)上的實質(zhì)意義，任何結(jié)構(gòu)的修飾、比例關系的改變或大小的調(diào)整，在不影響本實用新型所能產(chǎn)生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本實用新型所揭示的技術(shù)內(nèi)容得能涵蓋的范圍內(nèi)。同時，本說明書中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間”及“一”等的用語，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本實用新型可實施的范圍，其相對關系的改變或調(diào)整，在無實質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容下，當亦視為本實用新型可實施的范疇。如圖所示，本實用新型提供一種基于FPGA和計算機相結(jié)合的信號分析儀。該信號分析儀I至少包括:信號采集單元IUFPGA處理單元12以及計算機13。所述信號采集單元11將天線接入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送入所述FPGA處理單元12。優(yōu)選地，所述信號采集單元11可以是采集LTE、WLAN、WIF1、Bluetooth、或WiMAX等通信信號的信號采集單元。所述FPGA處理單元12與所述信號采集單元11相連接，用于將所述信號采集單，11輸出的數(shù)字信號進行預處理。其中，所述預處理包括但不限于:將所述信號采集單元11輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為預定位數(shù)據(jù)等。例如，所述FPGA處理單元12將所述信號采集單元11輸出的12bit數(shù)據(jù)高位填零補全成16bit。優(yōu)選地，所述FPGA處 理單元12通過FMC接口連接信號采集單元11，其通過標準的FMC接口可連接采集不同通信信號的信號采集單元11。優(yōu)選地，所述FPGA處理單元12可包括:模數(shù)控制單元、存儲單元、存儲控制單元、及計算機控制單元，如圖2所示。所述模數(shù)控制單元與所述信號采集單元11連接，用于配置所述信號采集單元11，并預處理由所述信號采集單元11采集的數(shù)字信號。所述存儲單元用于存儲數(shù)據(jù)，其可為SG的DDR3DRAM內(nèi)存等。所述存儲控制單元與所述模數(shù)控制單元及存儲單元連接，控制所述存儲單，的數(shù)據(jù)寫入及讀出。所述計算機控制單元與所述存儲控制單元及計算機13連接，用于與所述計算機13進行數(shù)據(jù)通信。優(yōu)選地，所述FPGA處理單元12采用大容量高性能的Xilinx Virtex6系列的FPGA來實現(xiàn)。所述計算機13通過串口可以控制所述FPGA處理單元12，例如控制模數(shù)控制單元以實現(xiàn)對信號采集單元11的初始化設置、重置模數(shù)控制單元等。此外，所述計算機13可通過PC1-E接口讀取所述FPGA處理單元12的存儲單元中的數(shù)據(jù)，并保存為一個數(shù)據(jù)文件，為后期的信號分析做準備。所述計算機13可采用Matlab工具軟件進行信號分析。MATLAB是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境。除了矩陣運算、繪制函數(shù)/數(shù)據(jù)圖像等常用功能外，MATLAB還可以用來創(chuàng)建用戶界面及與調(diào)用其它語言(包括C，C++和FORTRAN)編寫的程序。在Matlab環(huán)境中，調(diào)用各種豐富的數(shù)學函數(shù)和繪圖工具，對保存的數(shù)據(jù)文件進行信號分析，如信號完成性分析，時域分析，頻譜分析等，最后可以將分析得到的結(jié)果繪制成圖片的格式保存，很直觀地得到分析的結(jié)果。上述信號分析儀I的工作過程，分成兩步:即信號采集和信號分析:1.信號采集首先，初始化所述FPGA處理單元12，對信號采集單元11進行初始化設置。所述FPGA處理單元12初始化完成后，計算機13通過串口發(fā)送開始命令，使模數(shù)控制單元開始采集數(shù)據(jù)。信號采集單元11采樣得到的是12bit數(shù)據(jù)，模數(shù)控制單元將高位填零補全成16bit，經(jīng)過一個先進先出緩存單元(FIFO)進行緩存，當數(shù)據(jù)達到512bit，存儲控制單元就往存儲單元中寫數(shù)據(jù)。當模數(shù)控制單元完成8G數(shù)據(jù)的采集后，就停止工作，直到計算機13重新發(fā)送開始命令。當存儲單元存儲8G的數(shù)據(jù)后，根據(jù)實際需求，計算機13通過PC1-E接口將8G的數(shù)據(jù)部分或者全部存儲為數(shù)據(jù)文件，存在自身包含的固態(tài)硬盤上，至此信號采集完成。2.信號分析根據(jù)實際的信號分析需求，計算機13運行Matlab提供的函數(shù)對信號進行分析。例如:時域分析:調(diào)用fopen和fread等文件操作相關的函數(shù)，分段讀取保存的數(shù)據(jù)文件，設置ADC采樣的參數(shù)，如采樣頻率，采樣長度，幅值的單位等，通過plot畫圖函數(shù)，直觀地顯示信號的時域信息。頻域分析:通過文件操作函數(shù)讀取數(shù)據(jù)文件，得到一段數(shù)據(jù)后，設置采樣的參數(shù)，如采樣頻率，采樣長度等，調(diào)用快速傅立葉轉(zhuǎn)換函數(shù)，獲得頻譜信息，然后通過相應的畫圖工具得到可視化的頻譜分布圖。另外,Matlab還提供了一種可視化仿真工具Simulink,是一種基于Matlab的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包。在該工具下，提供了大量通信、信號專業(yè)函數(shù)庫和專業(yè)工具箱，用戶可以自行建模，創(chuàng)建一個仿真環(huán)境，將采集到的數(shù)據(jù)放入到該環(huán)境中，進行仿真和分析。綜上所述，本實用新型的基于FPGA和計算機相結(jié)合的信號分析儀的優(yōu)點包括:1、采用X86 ( 5/ 7)與可重構(gòu)硬件相結(jié)合的系統(tǒng)架構(gòu)，提供強大的軟硬件結(jié)合的計算平臺；通過在標準的FMC接口上擴展不同的高速信號采集單元，射頻采樣頻率范圍可從IOOMHz到5GHz，最高采樣率可達5Gsps，數(shù)據(jù)位寬可達12bit，可以完整覆蓋各頻段的無線通信標準與應用，如LTE，WLAN, WIFI，Bluetooth，WiMAX,滿足不同場合的信號分析需求；2、提供8GB存儲空間，信號采樣深度可以達到8GB的空間；通過PC1-E接口訪問8GB的內(nèi)存空間，最高 有效帶寬可達12Gbps，并且使用固態(tài)硬盤，可以保證數(shù)據(jù)及時存儲下來；3、Maltab提供了大量通信、信號專業(yè)函數(shù)庫和專業(yè)工具箱，可以很靈活地對采集到的信號進行分析，如時域分析，頻譜分析，調(diào)制域分析等典型應用。所以，本實用新型有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。上述實施例僅例示性說明本實用新型的原理及其功效，而非用于限制本實用新型。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本實用新型的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領域中具有通常知識者在未脫離本實用新型所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本實用新型的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求1.一種基于FPGA和計算機相結(jié)合的信號分析儀，其特征在于，所述基于FPGA和計算機相結(jié)合的信號分析儀至少包括: 將天線接入的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的信號采集單元； 與所述信號采集單元相連接且用于將所述信號采集單元輸出的數(shù)字信號進行預處理的FPGA處理單元； 與所述FPGA處理單元相連接且用于對所述FPGA處理單元輸出的信號進行分析的計算機。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA和計算機相結(jié)合的信號分析儀，其特征在于:所述FPGA處理單元通過FMC接口連接信號采集單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA和計算機相結(jié)合的信號分析儀，其特征在于:所述FPGA處理單元通過PC1-E接口連接所述計算機。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA和計算機相結(jié)合的信號分析儀，其特征在于:所述FPGA處理單元包括: 與所述信號采集單元連接且用于控制所述信號采集單元的模數(shù)控制單元； 存儲單兀； 與所述模數(shù)控制單元及存儲單元連接且控制所述存儲單元的數(shù)據(jù)寫入及讀出的存儲控制單元； 與所述存儲控制單元及計算機連接的計算機控制單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA和計算機相結(jié)合的信號分析儀，其特征在于:所述計算機包括采用Matlab進行信號分析的計算機。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA和計算機相結(jié)合的信號分析儀，其特征在于:所述信號采集單元包括能采集LTE、WLAN、WIF1、Bluetooth、及WiMAX中的一種或多種通信信號的信號采集單元。
專利摘要本實用新型提供一種基于FPGA和計算機相結(jié)合的信號分析儀。該信號分析儀至少包括將天線接入的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的信號采集單元；與所述信號采集單元相連接且用于將所述信號采集單元輸出的數(shù)字信號進行預處理的FPGA處理單元；與所述FPGA處理單元相連接且用于對所述FPGA處理單元輸出的信號進行分析的計算機。本實用新型能實現(xiàn)對采樣頻率范圍在100MHz到5GHz，最高采樣率達5Gsps、數(shù)據(jù)位寬達12bit的信號進行包括時域、頻域、調(diào)制域等分析。
文檔編號G06F19/00GK203149576SQ20132001586
公開日2013年8月21日 申請日期2013年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月11日
發(fā)明者姚琪, 趙峰, 章晨, 王佶梁, 張鑫 申請人:上海倍益酷電子科技有限公司