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硕士学位论文
现代频谱分析仪中关键信号处理算法
的研究及其 FPGA 实现
杨 硕
导师姓名职称： 裴 东 副教授
专业名称： 电路与系统 研究方向： 电路理论及应用
论文答辩日期： 2011 年 5 月 学位授予日期：2011 年 6 月
答辩委员会主席：
评 阅 人：
二〇一一年五月
硕士学位论文
M. D. Thesis
现代频谱分析仪中关键信号处理算法
的研究及其 FPGA 实现
Research of key signal processing algorithms
in modern spectral analyzer and its FPGA
implementation
杨 硕
Yang Shuo
二○一一年五月
西北师范大学硕士学位论文
摘 要
随着微电子技术、信号处理技术和计算机技术的迅速发展，对信号在频域进行测量
和分析的要求也越来越高，传统的频谱分析仪已经显现出一系列的缺点。因此，高分辨
率、宽频带、实时的现代频谱分析仪成为目前人们研究的重点和前沿课题。本文围绕基
于 FPGA 的频谱分析系统的研制，开展了以下几个方面的研究和设计工作：
1. 重点研究了现代频谱仪中最关键的数字下变频电路，对本系统采用的数字下变频
(DDC)方案进行了确定，讨论了 DDC 中混频电路和抽取滤波器的 FPGA 实现方法。对
于数字混频电路，采用 NCO 数控振荡器产生双路正交本振信号。研究了基于查找表法
的 NCO 电路实现结构，针对 NCO 输出信号杂散较大的缺点，通过在 FPGA 实现时加入
抖动技术，使信号的杂散谐波改善了 8 个 dB。在抽取滤波模块，结合 FPGA 芯片并行
流水分布的特点，给出了多级抽取滤波的实现方案。同时，详细探讨了积分梳状滤波器
(CIC) 和多相滤波器的 FPGA 实现结构，设计了一款抽取因子可调的多级 CIC 滤波器，
其阻带衰减可以达到-70dB。并且结合 FIR 滤波器完全并行的乘累加结构和传统多相滤
波器的开关结构，改进了多相滤波器的硬件实现方法，使设计的多相滤波器在抽取倍数
很大时，仍消耗较少的硬件资源，且处理速度较快，尤其适宜于中频信号向基带信号变
频的滤波处理。
2. 采用改进的基-2 蝶形运算单元，设计并用 FPGA 实现了 1024 点高速 FFT 处理器。
处理器采用 10 级流水线结构，每级将乘法器的旋转因子输入端固定为常数，以进一步
提高处理器的速度，而中间结果则以双端口 RAM 存储。该处理器的时钟频率可以稳定
运行于 100MHz，在进入不间断流水后，完