高速数据采集卡在宽带实时频谱分析中应用

简介

坤驰科技自主研发的QT7012+QT7125+是一款支持交流耦合宽带信号输入的高精度高速数据采集卡，它具有12bit分辨率、2通道和5GSPS采样率的指标。板载FPGA具备实时信号处理能力，可以进行大数据量的实时信号处理，配备宽带实时频谱分析功能，频率范围10MHz~8GHz，实时频谱分析带宽500MHz；具备外部参考时钟输入以及外部触发输入及触发输出接口。这些特性使QT7012+QT7125+成为无线电监测、宽带频谱感知、无线通信测试测量仪表等应用领域进行信号采集和分析的理想工具。   

 应用

无线电监测

宽带频谱感知

无线通信测试测量

主要规格

l 最大支持2通道同步采集；

l 5GSPS采样率；

l 12bit转换精度；

l 全功率模拟带宽（-3 dB）：8GHz

l 直流耦合，50欧姆输入阻抗；

l 输入量程：0.8Vpp（典型值）；

l 板载4GB DDR4存储器；

l 支持外部参考时钟输入：10MHz(典型值)，0dBm~ +10dBm

l 支持外部触发输入和输出：3.3V LVCMOS或LVTTL；

l PCI Express 3.0 x8数据传输接口，传输带宽可达5.8GB/s；

l FPGA支持定制信号处理算法逻辑开发。

宽带频谱分析及平滑滤波功能

l 实时带宽：500MHz@750Msps(IQ)；

l 时域加窗：矩形窗、汉宁窗、汉明窗、布莱克曼窗

l FFT点数：1024/2048/4096/8192/16384；

l FFT输出：频域IQ幅度值、频域IQ功率dB值；

l 支持平滑滤波：

原始采样数据相邻两样点累加平均；

原始采样数据相邻四样点累加平均；

宽带频谱分析示例

输入单音信号中心频率为1511MHz，信号功率为0dBm，FFT点数为16384点，窗函数为矩形窗，NCO频率为1500MHz。频谱分析结果如下图所示：

图2 矩形窗频谱分析图

输入单音信号中心频率为1511MHz，信号功率为0dBm，FFT点数为16384点，窗函数为汉宁窗。NCO频率为1500MHz。频谱分析结果如下图所示：

        图3 汉宁窗频谱分析图

原始信号平滑滤波采集示例

输入单音信号中心频率为100MHz，信号功率为0dBm，采样率5Gsps，原始信号采集。信号时域如下图所示：

图4 5Gsps采样率信号时域图

输入单音信号中心频率为100MHz，信号功率为0dBm，相邻两样点平滑滤波后采样率2.5Gsps。信号时域如下图所示：

图5 平滑滤波后2.5Gsps采样率信号时域图

输入单音信号中心频率为100MHz，信号功率为0dBm，相邻四样点平滑滤波后采样率1.25Gsps。信号时域如下图所示：

图6 平滑滤波后1.25Gsps采样率信号时域图

系统框图

图7 系统框图

宽带实时频谱分析系统内部关键模块介绍如下：

ADC实现功能描述：经过射频前端处理的小信号经过ADC射频直接采样得到5GSPS实信号。该实信号传输到FPGA采用JESD204B协议接口。

JESD204B: FPGA内部JESD204B接口模块，用于对ADC传输到FPGA的5GSPS实信号的接收处理，恢复出实信号。

5GSPS实信号：送入DDC模块，实现实信号正交解调为IQ信号，经过抽取滤波与插值滤波配合，得到750MSPS基带IQ信号。

DDC：该模块内部包含NCO，NCO频率可配置，可以实现对NCO中心频率信号的正交解调并将信号搬移至复基带。复基带信号I与Q采样率为5GSPS。对IQ两路信号经过FIR滤波器低通滤波，滤除高频分量。然后再进行抽取率为20/3的滤波抽取，使输出信号满足750MSPS采样率要求。为达到20/3的抽取率，设计3级抽取与插值配合的级联滤波器。第一级为5倍抽取率的抽取滤波器，使用FIR滤波器实现，数据速率降为1GSPS; 第二级为3倍插值率的插值滤波器，使用FIR滤波器实现，数据速率升高为3GSPS；第三级为4倍抽取率的抽取滤波器，使用FIR滤波器实现，数据速率降为750MSPS。

窗函数系数生成模块：按照上位机配置的窗函数类型，自动生成窗函数系数。常用的窗函数有：矩形窗、Hanning、Hamming、Blackman-Harris窗等。时域加窗能够有效降低FFT输出的信号泄露，也可以提升FFT频谱分析的准确性。在选择窗函数时，需要考虑窗函数主瓣的宽度，第一旁瓣的电平以及旁瓣随频率增加而减小的速度。

时域加窗：该模块负责把DDC输出的IQ两路信号与窗函数系数进行一定时间长度的点乘处理。如果实现16384点FFT，则需要连续的16384个IQ样点与相应长度的窗函数系数点对点相乘，完成时域加窗处理。

FFT： 对加窗后的时域IQ样点进行快速傅里叶变换。FFT点可配置，支持：1024/2048/4096/8192/16384。

平滑滤波：对原始采样信号进行两种简单平滑滤波，一种为相邻两点的累加平均滤波；另一种为相邻四点的累加平均滤波。

可选择原始采样信号或者平滑滤波后的采样信号上传至上位机。宽带频谱分析后上传至上位机的数据源，可以是频域IQ数据，也可以为频域功率dB值。上述各种信号通过PCIe接口上传到上位机。