基于FPGA的前端信号采样系统设计

摘要：本文介绍了基于FPGA的前端信号采样系统设计。采用zynq7020款FPGA设计一个采样系统，利用Verilog语言设计状态机来实现对高速AD转换的控制，同时通过底层连线控制时序逻辑。由于FPGA器件的特性是对于高速信号处理具有处理快、准确度高的特点，可以实现高速工作，因此在近些年的高速通信领域受到青睐。同时在信号处理中的基本调制、解调、倍频、FFT转换等流程在FPGA中通过数字处理方法简化了外围电路的设计。比如我们普通DDS信号的处理，由于信号的频率一般都是兆级，为了保证信号在传输过程中的不失真性，AD采样要达到高速采样的要求。

关键词：高频通信;FPGA;有限状态机

引言

FPGA是近年来广泛应用的超大规模、超高速的可编程逻辑器件，由于其具有高集成度、高速、在线系统可编程等优点，为数字系统的设计带来了突破性变革，大大推动了数字系统设计的单片化、自动化，提高了单片数字系统的设计周期、设计灵活性和可靠性。在超高速信号处理和实时测控方面有非常广泛的应用。

1 信号采样的通信系统的组成

本系统硬件电路包括FPGA、AD转换电路，软件设计包括FFT、调制混频器。由于采样信号中要考虑到小信号调理过程，所以需要设计信号的放大和滤波电路。系统组成部分如图1所示：

用状态机来实现对高速AD的控制，这样电路实现比较简单，可以实现多个通道同时对信号采集。同时采用FIFO模块，让数字数据先存到队列中，一边往队列中写数据，一边从队列中读数据，这样就对数字数据起了一个高速缓存的作用，更加快了整个系统的运行速度。状态机容易构成性能良好的同步时序逻辑模块，FIFO队列的读写操作只需要一个周期就可以完成，起到高速缓存的作用，这样更加快了整个系统的运行速度，更加有效地利用FPGA芯片的资源。

2 单元电路的设计

2.1 有源滤波器的设计

有源滤波器的设计，就是根据所给定的指标要求，确定滤波器的阶数n，选择具的电路形式，算出电路中各元件的具体数值，安装电路和调试，使设计的滤波器满足指标要求，有源带通滤波电路分成两个部分，高通部分和低通部分，图2是高通滤波器，图3是低通滤波器。

音频信号经过音频放大电路放大后就进入了上图的电路。经过20HZ-20KHZ的带通滤波电路进行滤波。

2.2 FPGA部分

2.2.1通道选取模块

通过CNT[0]到CNT[2]来选择相应的通道，CD4051的输出就是最后要进行AD采样的音频信号。例如：若CNT[0]CNT[1]CNT[2]=“000”，则选择第一通道音频信号进行AD采样。这个部分实现的重点是对数字锁存信号记数，计数器的输出作为CD4051的通道选择地址。

2.2.2 FIFO模块

本设计是FPGA直接控制高速信号采集，在完成对一个周期的采样后，将数据存储到存储器中，然后从存储器中读出数据并进行FFT的转换。相比于其他存储单元，FIFO更适合与用做高速AD采样的数据存储器，因为FIFO的写入时间只有一个时钟周期，因此决定使用LPM_FIFO作为采样存储器。在MAX+PlusⅡ中，进入LPM元件定制器界面，按照电路需要设计各个参数，最后完成FIFO的设计，通过调用生成的图形来调用FIFO队列模块。

2.2.3 FFT模块

在计算交流信号幅度的时候，可以使用傅里叶变换（DFT），而快速傅里叶变化，在求整个频谱的情况下使用较少的变量，更少的计算过程。对于摸个特定的谐波幅度的求解，DFT与FFT一致，没差别。FPGA中的FFT设计直接调用IP核计算，将高8位和低8位分别输出实部和虚部即可，FPGA的高速运算能力可以快速完成FFT并且输出需要结果。

2.2.4 调制模块

设计调制模块需要借助于matlab进行调制参数的相关设计，然后调用FPGA中的调制IP核即可完成任务。需要注意的是在设计过程中需要找到合理的调制范围，载波信号的过高过低均会影响到调制效果，同时从使用性的角度考虑要注意与接收端的解调模块做到相匹配的关系。

3 结束语

本次设计采用FPGA实现采样系统，从而系统具有高速、稳定、低功耗等特点，模拟信号经放大器放大后，进入滤波器进行滤波，滤掉高频干扰信号和低频干扰信号的干扰，然后进入AD9280进行AD采样，采样后的16位数据通过一个FIFO队列存储，并进行了FFT运算和AM过程，最后通过串口将相关信号进行发送。本系统基本达到了预期的设计，前端采样处理对于后續的数据控制十分重要，特别是在控制系统上的应用，通过把模拟信号采集到微机或者控制部分，根据采集的数据来对系统进行相应的控制，本次设计充分利用了FPGA的高速特性将数据量大的FFT计算放入FPGA中，充分利用了其资源配置。

参考文献：

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作者简介：杨浩然，2000年2月19日，男，甘肃天水，本科生，专业电子科学与技术。