高速數據采集卡在寬帶實時頻譜分析中應用

簡介

QT7012+QT7125+是一款支持交流耦合寬帶信號輸入的高精度高速數據采集卡，它具有12bit分辨率、2通道和5GSPS采樣率的指標。板載FPGA具備實時信號處理能力，可以進行大數據量的實時信號處理，配備寬帶實時頻譜分析功能，頻率范圍10MHz~8GHz，實時頻譜分析帶寬500MHz；具備外部參考時鐘輸入以及外部觸發輸入及觸發輸出接口。這些特性使QT7012+QT7125+成為無線電監測、寬帶頻譜感知、無線通信測試測量儀表等應用領域進行信號采集和分析的理想工具。

應用

無線電監測

寬帶頻譜感知

無線通信測試測量

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主要規格

l最大支持2通道同步采集；

l5GSPS采樣率；

l12bit轉換精度；

l全功率模擬帶寬（-3 dB）：8GHz

l直流耦合，50歐姆輸入阻抗；

l輸入量程：0.8Vpp（典型值）；

l板載4GB DDR4存儲器；

l支持外部參考時鐘輸入：10MHz(典型值)，0dBm~ +10dBm

l支持外部觸發輸入和輸出：3.3V LVCMOS或LVTTL；

lPCI Express 3.0 x8數據傳輸接口，傳輸帶寬可達5.8GB/s；

lFPGA支持定制信號處理算法邏輯開發。

寬帶頻譜分析及平滑濾波功能

l實時帶寬：500MHz@750Msps(IQ)；

l時域加窗：矩形窗、漢寧窗、漢明窗、布萊克曼窗

lFFT點數：1024/2048/4096/8192/16384；

lFFT輸出：頻域IQ幅度值、頻域IQ功率dB值；

l支持平滑濾波：

原始采樣數據相鄰兩樣點累加平均；

原始采樣數據相鄰四樣點累加平均；

寬帶頻譜分析示例

輸入單音信號中心頻率為1511MHz，信號功率為0dBm，FFT點數為16384點，窗函數為矩形窗，NCO頻率為1500MHz。

輸入單音信號中心頻率為1511MHz，信號功率為0dBm，FFT點數為16384點，窗函數為漢寧窗。NCO頻率為1500MHz。

寬帶實時頻譜分析系統內部關鍵模塊介紹如下：

ADC實現功能描述：經過射頻前端處理的小信號經過ADC射頻直接采樣得到5GSPS實信號。該實信號傳輸到FPGA采用JESD204B協議接口。

JESD204B: FPGA內部JESD204B接口模塊，用于對ADC傳輸到FPGA的5GSPS實信號的接收處理，恢復出實信號。

5GSPS實信號：送入DDC模塊，實現實信號正交解調為IQ信號，經過抽取濾波與插值濾波配合，得到750MSPS基帶IQ信號。

DDC：該模塊內部包含NCO，NCO頻率可配置，可以實現對NCO中心頻率信號的正交解調并將信號搬移至復基帶。復基帶信號I與Q采樣率為5GSPS。對IQ兩路信號經過FIR濾波器低通濾波，濾除高頻分量。然后再進行抽取率為20/3的濾波抽取，使輸出信號滿足750MSPS采樣率要求。為達到20/3的抽取率，設計3級抽取與插值配合的級聯濾波器。第一級為5倍抽取率的抽取濾波器，使用FIR濾波器實現，數據速率降為1GSPS; 第二級為3倍插值率的插值濾波器，使用FIR濾波器實現，數據速率升高為3GSPS；第三級為4倍抽取率的抽取濾波器，使用FIR濾波器實現，數據速率降為750MSPS。

窗函數系數生成模塊：按照上位機配置的窗函數類型，自動生成窗函數系數。常用的窗函數有：矩形窗、Hanning、Hamming、Blackman-Harris窗等。時域加窗能夠有效降低FFT輸出的信號泄露，也可以提升FFT頻譜分析的準確性。在選擇窗函數時，需要考慮窗函數主瓣的寬度，第一旁瓣的電平以及旁瓣隨頻率增加而減小的速度。

時域加窗：該模塊負責把DDC輸出的IQ兩路信號與窗函數系數進行一定時間長度的點乘處理。如果實現16384點FFT，則需要連續的16384個IQ樣點與相應長度的窗函數系數點對點相乘，完成時域加窗處理。

FFT： 對加窗后的時域IQ樣點進行快速傅里葉變換。FFT點可配置，支持：1024/2048/4096/8192/16384。

平滑濾波：對原始采樣信號進行兩種簡單平滑濾波，一種為相鄰兩點的累加平均濾波；另一種為相鄰四點的累加平均濾波。

可選擇原始采樣信號或者平滑濾波后的采樣信號上傳至上位機。寬帶頻譜分析后上傳至上位機的數據源，可以是頻域IQ數據，也可以為頻域功率dB值。上述各種信號通過PCIe接口上傳到上位機。

審核編輯 黃宇