FPGA综合系统设计（五）频谱分析系统

概述

FFT是许多数字信号处理算法中的基本运算单元，我们经常会用到FFT对采集到的信号做频谱分析。在这个设计实例中，我们使用并行ADC采集外部信号，经过FFT处理，将计算结果通过串口发送至PC。由于FFT处理速度与串口通信速度之间存在差异，中间还需要加入一个跨时钟域处理单元。

这是一些完成本文设计的参考文章：
1.ADC采集设计参考“FPGA基础设计（五）：并行ADC与DAC” https://blog.youkuaiyun.com/FPGADesigner/article/details/80672231

2.FFT设计参考“FPGA数字信号处理（八）Quartus FFT IP核实现” https://blog.youkuaiyun.com/FPGADesigner/article/details/80690345

3.串口通信设计参考“FPGA基础设计（三）：UART串口通信”https://blog.youkuaiyun.com/FPGADesigner/article/details/75201194

4.跨时钟域处理设计参考“FPGA综合系统设计（一）：1.2/50μs冲击电压测量与显示” https://blog.youkuaiyun.com/FPGADesigner/article/details/73825097

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环境与设备

1. Quartus Prime 16.0
2. Altera FPGA开发板
3. AD9226信号采集板

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系统设计

在上述4篇文章的基础上，完成本设计非常简单。设计的RTL视图如下：

PLL用于产生65MHz的ADC采样时钟。这里跨时钟域处理选用了双口RAM，是因为FFT的计算结果很适合RAM存储，而不适合FIFO。FFT计算结果的每一个点都对应了一个频率分量，如果把FFT计算结果按照顺序依次存入到对应地址的RAM中，我们很容易可以从RAM中读取出任意一个频率点的值（即频谱结果恰好与RAM地址一一映射）。

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测试与工程下载

下载到开发板中，ADC采集方波信号，FFT计算之后将幅度谱发送至PC上，用MATLAB接收串口数据，并计算出对应的功率谱如下：

将清楚可见方波信号为一系列谐波的叠加。对代码稍作修改，将串口发送格式改为与HMI屏相匹配（即串口屏，只需要通过串口配置即可完成GUI界面的设计显示）。采集正弦波信号，FFT计算之后将幅度谱发送至HMI串口屏上显示，可以看到单频信号在幅度谱中对应一个频率点。：

串口数据发送至PC上的Quartus工程（由于FFT IP核使用的是集成在qsys中的，老版本Quartus无法直接使用此工程，需要另外配置一下FFT）可以在这里下载：https://download.youkuaiyun.com/download/fpgadesigner/10479416 。