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基于FPGA的数字锁相检测系统

作　者: 吴晓爽
导　师: 林凌
学　校: 天津大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 微弱信号检测 过采样 数字锁相检测 快速算法 FPGA
分类号: TN911.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着当今科学技术的不断发展,现代信号处理技术的应用对微弱信号检测提出了更高的要求。如何将噪声淹没的微弱信号检测出来,并获得正确的数据,是一个十分重要的课题。微弱信号检测技术的方法很多,对于正弦信号而言,锁相检测是众多方法中非常有效的手段。本文在对微弱信号检测的基础理论与锁相检测算法研究的基础上,做了如下的工作:对于微弱信号一般需要尽可能高的检测分辨率,而过采样技术能够在一定条件下提高微弱信号检测的有效分辨率,对过采样技术进行了梳理。通过仿真和实测实验证明了采样速率每增加4倍,可以使信噪比提高6dB,相当于使ADC提高了一位分辨率。针对经典的数字锁相检测,由于要进行大量的乘法运算而导致计算速度慢的问题,本文提出了一种全新的数字锁相检测的快速算法。该快速算法对所需检测频率信号每周期采样4点,利用其正交参考信号的值仅为0、-1和1来去除所有的乘法和部分的加法运算,大幅度地减小了运算量。仿真和实测实验结果表明,对于周期数为N的采样数据计算,可减小8N次的乘法运算和4N次的加法运算。为了提高快速算法的精度,提出了基于过采样的快速算法。结合了过采样和快速算法的优势,采用平均下抽样技术将采样频率还原为4倍于原始信号的频率。引入修正因子改善计算出的幅值的精度,理论上完全消除了误差。仿真与实测实验结果表明,这种全新的基于过采样的快速算法既有过采样和锁相检测的高精度,又具备很高的速度。针对现有的数据采集常用单片机或DSP作为主控制芯片,但是普通单片机的运行速度不高,经常成为数据通道上的瓶颈,使模数转换芯片的性能无法完全发挥;尽管DSP芯片运行速度快,但其价格和易用性却比不上FPGA的问题。本课题利用Virtex-5 FPGA系列的XC5VLX110T实现数模转换芯片AD8802、模数转换芯片AD7760和UART16550IP核的控制,实现高速采集的全新数字锁相算法。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-14
  1.1 课题研究背景  8-9
  1.2 微弱信号检测技术  9-10
  1.3 微弱信号检测系统的发展概况  10-11
  1.4 锁相放大器的发展概况  11-12
  1.5 本论文的主要研究内容  12-14
第二章 过采样技术及其应用  14-28
  2.1 过采样技术  14-21
  2.2 过采样技术提高系统的信噪比分析  21-23
  2.3 实验验证  23-26
    2.3.1 仿真实验  24-25
    2.3.2 实测实验  25-26
  2.4 小结  26-28
第三章 数字锁相检测的快速算法与应用  28-39
  3.1 数字锁相放大器的原理  28-29
  3.2 一种新的数字锁相检测的快速算法  29-33
    3.2.1 数字锁相检测的快速算法  29-30
    3.2.2 基于过采样的快速数字锁相算法  30-33
  3.3 数字锁相快速算法的仿真与实测实验  33-36
    3.3.1 仿真实验  34-35
    3.3.2 实测实验  35-36
  3.4 基于过采样数字锁相快速算法的仿真与实测实验  36-37
    3.4.1 仿真实验  36
    3.4.2 实测实验  36-37
  3.5 小结  37-39
第四章 基于FPGA 数字锁相检测系统的设计  39-59
  4.1 Virtex-5 FPGA 的特点  39-40
  4.2 ISE 和EDK 软件的介绍  40-42
  4.3 数模转换器的应用  42-49
    4.3.1 AD8802 芯片介绍  42-43
    4.3.2 AD8802 工作原理  43-44
    4.3.3 AD8802 的接口电路设计  44
    4.3.4 AD8802 工作时序FPGA 实现  44-49
  4.4 模数转换器的应用  49-58
    4.4.1 AD7760 芯片介绍  49-52
    4.4.2 AD7760 接口电路设计  52-54
    4.4.3 AD7760 工作时序与UART16550 IP 核 FPGA 实现  54-58
  4.5 小结  58-59
第五章 总结与展望  59-60
  5.1 总结  59
  5.2 展望  59-60
参考文献  60-64
发表论文和科研情况说明  64-65
致谢  65

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 通信 > 通信理论 > 相位锁定、锁相技术
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