一種fpga數(shù)字邏輯信號(hào)的頻譜分析方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種FPGA數(shù)字邏輯信號(hào)的頻譜分析方法，包括以下內(nèi)容：對(duì)原始數(shù)字邏輯信號(hào)Ls實(shí)現(xiàn)過(guò)程中包含的邏輯功能進(jìn)行計(jì)算機(jī)邏輯仿真；將計(jì)算機(jī)邏輯仿真輸出的數(shù)字邏輯信號(hào)Ls轉(zhuǎn)換為可進(jìn)行頻譜分析的數(shù)字信號(hào)Fs；對(duì)Fs經(jīng)離散傅立葉變換，得到該數(shù)字信號(hào)的頻譜Ms(ejw)。將數(shù)字邏輯信號(hào)Ls的整個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程所包含的邏輯功能實(shí)際輸出，F(xiàn)PGA數(shù)字邏輯功能通過(guò)頻譜分析儀進(jìn)行實(shí)際頻譜測(cè)量得到其實(shí)際輸出數(shù)字信號(hào)Fr的頻譜Mr(ejw)。對(duì)比分析Fs頻譜Ms(ejw)和Fr頻譜Mr(ejw)。本發(fā)明將數(shù)字邏輯信號(hào)的分析方法從時(shí)域擴(kuò)展到頻域，與傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯信號(hào)分析方法相比，通過(guò)運(yùn)用數(shù)字邏輯信號(hào)頻域仿真和實(shí)際信號(hào)頻譜分析相結(jié)合的方法達(dá)到判斷數(shù)字邏輯信號(hào)質(zhì)量和數(shù)字邏輯功能及時(shí)序是否正確的目的。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種FPGA數(shù)字邏輯信號(hào)的頻譜分析方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高速信號(hào)頻譜【技術(shù)領(lǐng)域】，更為具體地講，涉及一種高速數(shù)字邏輯信號(hào)的頻譜分析技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002]高速數(shù)字系統(tǒng)中，用于驗(yàn)證數(shù)字邏輯功能及時(shí)序是否正確的仿真軟件和邏輯分析儀的方式方法有很多，但是無(wú)論是用于功能和時(shí)序仿真的仿真軟件還是實(shí)際測(cè)量的邏輯分析儀所進(jìn)行的分析都是在時(shí)域方面完成的，然而高速數(shù)字信號(hào)在輸出時(shí)由于失配或未接終端傳輸線(xiàn)引起的反射、竄擾或地電位的跳動(dòng)、總線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生的毛刺、震蕩往往是非周期性的；快速的邊沿信號(hào)也往往包含有在它們基本頻率以上的重要的諧波信息，因此對(duì)于傳統(tǒng)的時(shí)域測(cè)試儀器而言對(duì)其帶寬和實(shí)時(shí)采樣及數(shù)據(jù)處理能力要求較高，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度和成本都很高，加之對(duì)數(shù)字邏輯信號(hào)單純從時(shí)域方面進(jìn)行分析不能完全體現(xiàn)信號(hào)的特性。單純的數(shù)字邏輯信號(hào)頻譜分析由于沒(méi)有具體的比較對(duì)象不容易判定數(shù)字邏輯信號(hào)的正確性，所以在頻域?qū)?shù)字邏輯信號(hào)的分析方面往往涉及較少，但根據(jù)上述數(shù)字邏輯信號(hào)的特點(diǎn)通過(guò)運(yùn)用數(shù)字邏輯信號(hào)頻域仿真和實(shí)際信號(hào)頻譜分析相結(jié)合的方法便可達(dá)到判斷數(shù)字邏輯信號(hào)質(zhì)量和數(shù)字邏輯功能及時(shí)序是否正確的目的。
[0003]信號(hào)頻譜分析，就是在頻率域內(nèi)揭示及分析信號(hào)或系統(tǒng)特性的一種技術(shù)方法。對(duì)于一個(gè)確定性的非周期時(shí)域信號(hào)f(t) (_ t )，它在頻率域的分布規(guī)律可通過(guò)傅里葉變換求得，周期信號(hào)F(t)的頻譜是離散的，若F(t)是周期為T(mén)的信號(hào)，則可表示為無(wú)窮多個(gè)正弦諧波信號(hào)的疊加。信號(hào)的頻譜分析技術(shù)為頻譜測(cè)量提供了原理性依據(jù)，并指出了技術(shù)實(shí)現(xiàn)的途徑。
[0004]信號(hào)頻譜分析技術(shù)被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，尤其在無(wú)線(xiàn)通訊領(lǐng)域中的運(yùn)用最為突出，通過(guò)頻譜分析技術(shù)可完成對(duì)信號(hào)失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號(hào)參數(shù)的測(cè)量，其中傅立葉變換是一種信號(hào)時(shí)頻轉(zhuǎn)換的重要方法，它可分析信號(hào)的成分，也可用這些成分合成信號(hào)，在不同的研宄領(lǐng)域，傅立葉變換具有多種不同的變體形式，如連續(xù)傅立葉變換和離散傅立葉變換。同樣這種方法也適用于高速數(shù)字邏輯信號(hào)分析中，用以得出輸出數(shù)字邏輯信號(hào)的頻譜，進(jìn)行理論和實(shí)際頻譜比對(duì)。例如，在時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻或倍頻輸出時(shí)，其頻譜比較豐富，理論的時(shí)鐘信號(hào)輸出時(shí)頻譜如果和實(shí)際測(cè)量頻譜相同則信號(hào)正常，但如果由于失配或未接終端傳輸線(xiàn)引起的反射、竄擾或地電位的跳動(dòng)、總線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生的毛刺、震蕩等原因?qū)е螺敵鲂盘?hào)發(fā)生變化，這時(shí)其理論分析得出的頻譜將和實(shí)際測(cè)得的頻譜有差別，這樣便有助于找出問(wèn)題所在。所以，根據(jù)數(shù)字邏輯信號(hào)頻譜的上述特點(diǎn)通過(guò)運(yùn)用數(shù)字邏輯信號(hào)頻域仿真和實(shí)際信號(hào)頻譜分析相結(jié)合的方法判斷數(shù)字邏輯信號(hào)質(zhì)量和數(shù)字邏輯功能及時(shí)序是否正確的，如圖1所示。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述的高速數(shù)字邏輯信號(hào)在時(shí)域分析領(lǐng)域存在的問(wèn)題和頻域分析領(lǐng)域所特有的方法，提供一種FPGA數(shù)字邏輯信號(hào)的頻譜分析方法，將數(shù)字邏輯信號(hào)的分析方法從時(shí)域擴(kuò)展到頻域并達(dá)到判斷數(shù)字邏輯信號(hào)質(zhì)量好壞和數(shù)字邏輯功能及時(shí)序是否正確的目的。
[0006]技術(shù)方案:本發(fā)明的上述目的是通過(guò)如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的:
[0007]一種FPGA數(shù)字邏輯信號(hào)的頻譜分析方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0008]第1-1步，對(duì)原始數(shù)字邏輯信號(hào)Ls實(shí)現(xiàn)過(guò)程中包含的邏輯功能進(jìn)行計(jì)算機(jī)邏輯仿真，邏輯功能仿真示意圖如圖2所示，數(shù)字邏輯信號(hào)Ls信號(hào)不局限于時(shí)鐘等周期信號(hào)可以擴(kuò)展到通過(guò)任意復(fù)雜邏輯運(yùn)算得出的數(shù)字邏輯信號(hào)；
[0009]第1-2步，將邏輯信號(hào)Ls轉(zhuǎn)換為可進(jìn)行頻譜分析的數(shù)字信號(hào)Fs，可采用數(shù)值比較和數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)化的方法對(duì)數(shù)字邏輯信號(hào)進(jìn)行可邏輯運(yùn)算和頻譜分析轉(zhuǎn)換。數(shù)字邏輯信號(hào)之間進(jìn)行邏輯運(yùn)算時(shí)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)類(lèi)型之間的變換才能對(duì)運(yùn)算后的數(shù)字邏輯信號(hào)頻譜進(jìn)行分析，其變換過(guò)程為:將邏輯信號(hào)與邏輯信號(hào)對(duì)應(yīng)具體常數(shù)進(jìn)行邏輯比較得到比較后的信號(hào)，將比較后的信號(hào)做邏輯運(yùn)算，再進(jìn)行邏輯信號(hào)到浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，具體操作為將該時(shí)鐘邏輯信號(hào)通過(guò)數(shù)值比較器，將該時(shí)鐘邏輯信號(hào)與其輸出高低電平一半的常數(shù)值進(jìn)行逐點(diǎn)比較得到比較后的高低信號(hào)序列，將比較后的信號(hào)序列輸入到數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換單元，將信號(hào)序列最終轉(zhuǎn)換為由浮點(diǎn)數(shù)表示的數(shù)字信號(hào)Fs，最終完成轉(zhuǎn)換過(guò)程，其轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖3所示；
[0010]第1-3步，對(duì)上述數(shù)字信號(hào)Fs經(jīng)離散傅立葉變換DFFT，得到該數(shù)字信號(hào)的頻譜Ms (eJw)，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖4所示；
[0011]第2步，將數(shù)字邏輯信號(hào)Ls的整個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程所包含的邏輯功能實(shí)際輸出，F(xiàn)PGA數(shù)字邏輯功能通過(guò)頻譜分析儀進(jìn)行實(shí)際頻譜測(cè)量得到其實(shí)際輸出數(shù)字信號(hào)^的頻譜Mr(eJw);
[0012]第3步，對(duì)比分析仿真數(shù)字邏輯信號(hào)？3頻譜Ms(e>)和FPGA實(shí)際輸出數(shù)字邏輯信號(hào)^頻譜M ，得出邏輯信號(hào)質(zhì)量和邏輯功能及時(shí)序正確與否結(jié)論。
[0013]有益效果:當(dāng)用驗(yàn)證數(shù)字邏輯功能及時(shí)序的仿真軟件和邏輯分析儀對(duì)數(shù)字邏輯信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)都是在時(shí)域方面完成的，本發(fā)明將數(shù)字邏輯信號(hào)的分析方法從時(shí)域擴(kuò)展到頻域，與傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯信號(hào)分析方法相比，通過(guò)運(yùn)用數(shù)字邏輯信號(hào)頻域仿真和實(shí)際信號(hào)頻譜分析相結(jié)合的方法達(dá)到判斷數(shù)字邏輯信號(hào)質(zhì)量和數(shù)字邏輯功能及時(shí)序是否正確的目的。同時(shí)可根據(jù)實(shí)際輸出信號(hào)的頻譜特性分析信號(hào)的質(zhì)量和影響信號(hào)質(zhì)量的原因，從而可以對(duì)數(shù)字信號(hào)邏輯功能和硬件結(jié)構(gòu)做出調(diào)整最終輸出更高質(zhì)量目標(biāo)數(shù)字邏輯信號(hào)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是數(shù)字邏輯信號(hào)頻譜分析總體方案框圖；
[0015]圖2是數(shù)字邏輯信號(hào)邏輯功能仿真示意圖；
[0016]圖3信號(hào)頻譜可仿真轉(zhuǎn)換方法圖；
[0017]圖4是數(shù)字邏輯信號(hào)頻譜仿真示意圖；
[0018]圖5是頻譜仿真方法時(shí)鐘信號(hào)頻譜圖；
[0019]圖6a正常時(shí)鐘信號(hào)輸出頻譜圖；
[0020]圖6b未屏蔽時(shí)鐘信號(hào)輸出頻譜圖；
[0021]圖6c毛刺時(shí)鐘信號(hào)輸出頻譜圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022]以下結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明所提供的FPGA數(shù)字邏輯信號(hào)的頻譜分析方法，但不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。
[0023]通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真和硬件系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，確定出在高速數(shù)字邏輯信號(hào)頻譜分析過(guò)程中進(jìn)行周期時(shí)鐘數(shù)字邏輯信號(hào)頻譜分析的諧波應(yīng)在8次以上。時(shí)鐘數(shù)字頻譜理論上是無(wú)限的，而在工程應(yīng)用中卻只能用有限次諧波進(jìn)行分析，所以實(shí)際中應(yīng)當(dāng)用合適的諧波次數(shù)進(jìn)行折中處理。
[0024]按照?qǐng)D1總體方案分兩步對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行分析，第一步通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真輸出時(shí)鐘信號(hào)頻譜圖，經(jīng)過(guò)數(shù)字邏輯功能模塊輸出的數(shù)字邏輯信號(hào)Ls仿真時(shí)選用頻率為f的時(shí)鐘信號(hào)作為分析目標(biāo)，該信號(hào)不局限于時(shí)鐘信號(hào)可以擴(kuò)展到任意復(fù)雜邏輯運(yùn)算得出的數(shù)字邏輯信號(hào)，實(shí)例中時(shí)鐘頻率為100MHz，首先利用仿真軟件中的信號(hào)源輸出一個(gè)具有10MHz頻率的時(shí)鐘信號(hào)，其次將該時(shí)鐘邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換為可進(jìn)行頻譜分析的數(shù)字信號(hào)，具體操作為將該時(shí)鐘邏輯信號(hào)通過(guò)數(shù)值比較器，將該時(shí)鐘邏輯信號(hào)與其輸出高低電平一半的常數(shù)值進(jìn)行逐點(diǎn)比較得到比較后的高低信號(hào)序列，將比較后的信號(hào)序列輸入到數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換單元，將信號(hào)序列最終轉(zhuǎn)換為由浮點(diǎn)數(shù)表示的數(shù)字信號(hào)Fs，最終完成轉(zhuǎn)換過(guò)程，得到數(shù)字信號(hào)Fs后再將Fs用數(shù)字信號(hào)處理中的方法進(jìn)行處理，設(shè)該時(shí)鐘信號(hào)的最高頻率分量為f，根據(jù)Nyquist抽樣定理，匕的值可由一系列采樣間隔小于或等于l/2f的采樣值來(lái)確定，即采樣點(diǎn)的重復(fù)頻率F多2f采樣，用數(shù)字方式處理連續(xù)信號(hào)并不需要作用期間內(nèi)的無(wú)窮多個(gè)點(diǎn)的值，這個(gè)點(diǎn)數(shù)的多少根據(jù)選取的采樣率和信號(hào)的頻率之間的關(guān)系得出，軟件仿真兩者之間的比例一般按100倍以上的關(guān)系計(jì)算，再加上十倍的重復(fù)周期，那么用1000個(gè)以上的點(diǎn)表示即可，考慮到計(jì)算機(jī)為二進(jìn)制表示，則緩沖器大小為2的次方關(guān)系，于是實(shí)例中緩沖器大小設(shè)置為N(N= 1024)可滿(mǎn)足分析需求，于是得到具有N個(gè)采樣點(diǎn)的緩沖離散數(shù)據(jù)序列l(wèi)(n)，將該離散數(shù)據(jù)系列中的N個(gè)采樣點(diǎn)，經(jīng)快速傅立葉變換FFT之后，就可以得到N個(gè)點(diǎn)的FFT結(jié)果，結(jié)果為一個(gè)具有N點(diǎn)的復(fù)數(shù)序列L(k)，而其中每一個(gè)點(diǎn)就對(duì)應(yīng)著一個(gè)頻率點(diǎn)，該頻率點(diǎn)的模值，就是該頻率值下的幅度特性，將幅度經(jīng)行相應(yīng)的縮放得出該數(shù)字邏輯信號(hào)的頻譜Ms(ejw)。
[0025]圖4顯示了本發(fā)明仿真信號(hào)頻譜分析方法，圖5為運(yùn)用上述方法得出的時(shí)鐘信號(hào)頻譜結(jié)果。
[0026]第二步通過(guò)實(shí)際測(cè)量測(cè)出數(shù)字邏輯信號(hào)的實(shí)際頻譜，圖6a、圖6b為在保持時(shí)鐘輸出方法一致情況下只改變硬件輸出周?chē)盘?hào)情況所測(cè)試出的結(jié)果，圖6a為周?chē)隽诵盘?hào)隔離測(cè)試結(jié)果，而圖6b為沒(méi)有做隔離測(cè)試結(jié)果，周?chē)衅渌咚傩盘?hào)輸出。圖6c為在數(shù)字時(shí)鐘邏輯信號(hào)上疊加了毛刺信號(hào)，即改變了時(shí)鐘邏輯時(shí)序所測(cè)試出的輸出結(jié)果。
[0027]由上述圖像對(duì)比分析可見(jiàn)看出，圖6a中的輸出時(shí)鐘信號(hào)和理論分析的信號(hào)頻譜基本一致，輸出正確；圖6a輸出時(shí)鐘信號(hào)質(zhì)量明顯高于圖6b信號(hào)質(zhì)量，可以由此查找出現(xiàn)問(wèn)題的原因，實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)周?chē)衅渌l率時(shí)鐘信號(hào)；圖6c信號(hào)頻譜和理論的不一致，可以理解為邏輯錯(cuò)誤，實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)疊加了毛刺。
[0028]可見(jiàn)，用本發(fā)明所提出的頻譜分析方法和傳統(tǒng)的時(shí)域分析方法一樣，都可以對(duì)數(shù)字邏輯信號(hào)進(jìn)行分析，本發(fā)明所提出的一種FPGA數(shù)字邏輯信號(hào)的頻譜分析方法，通過(guò)運(yùn)數(shù)字邏輯信號(hào)頻域仿真和實(shí)際信號(hào)頻譜分析相結(jié)合的方法能夠達(dá)到判斷數(shù)字邏輯信號(hào)質(zhì)量和數(shù)字邏輯功能及時(shí)序是否正確的目的。同時(shí)可根據(jù)實(shí)際輸出信號(hào)的頻譜特性分析信號(hào)的質(zhì)量和影響信號(hào)質(zhì)量的原因，從而對(duì)數(shù)字信號(hào)邏輯功能和硬件結(jié)構(gòu)做出調(diào)整最終輸出更高質(zhì)量的目標(biāo)數(shù)字邏輯信號(hào)，可擴(kuò)展到復(fù)雜的數(shù)字邏輯功能分析方面。
[0029]以上通過(guò)詳細(xì)實(shí)施例描述了本發(fā)明所提供的FPGA數(shù)字邏輯信號(hào)的頻譜分析方法，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明做一定的變形或修改；其制備方法也不限于實(shí)施例中所公開(kāi)的內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種FPGA數(shù)字邏輯信號(hào)的頻譜分析方法，其特征在于，包括以下步驟: 第1-1步，對(duì)原始數(shù)字邏輯信號(hào)Ls實(shí)現(xiàn)過(guò)程中包含的邏輯功能進(jìn)行計(jì)算機(jī)邏輯仿真； 第1-2步，將計(jì)算機(jī)邏輯仿真輸出的數(shù)字邏輯信號(hào)Ls轉(zhuǎn)換為可進(jìn)行頻譜分析的數(shù)字信號(hào)Fs; 第1-3步，對(duì)上述數(shù)字信號(hào)Fs經(jīng)離散傅立葉變換，得到該數(shù)字信號(hào)的頻譜Ms(ejw); 第2步，將數(shù)字邏輯信號(hào)Ls的整個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程所包含的邏輯功能實(shí)際輸出，F(xiàn)PGA數(shù)字邏輯功能通過(guò)頻譜分析儀進(jìn)行實(shí)際頻譜測(cè)量得到其實(shí)際輸出數(shù)字信號(hào)Fr的頻譜M r (eJW); 第3步，對(duì)比分析仿真數(shù)字邏輯信號(hào)匕頻譜M s (eJW)和FPGA實(shí)際輸出數(shù)字邏輯信號(hào)Fi頻譜凡(e>)，得出邏輯信號(hào)質(zhì)量和邏輯功能及時(shí)序正確與否結(jié)論。
2.如權(quán)利要求1所述的一種FPGA數(shù)字邏輯信號(hào)的頻譜分析方法，其特征在于:第1-1步所述的數(shù)字邏輯信號(hào)Ls包括周期信號(hào)和通過(guò)任何復(fù)雜邏輯運(yùn)算得出的數(shù)字邏輯信號(hào)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種FPGA數(shù)字邏輯信號(hào)的頻譜分析方法，其特征在于:第1-2步的具體轉(zhuǎn)換過(guò)程為:將時(shí)鐘邏輯信號(hào)通過(guò)數(shù)值比較器，將該時(shí)鐘邏輯信號(hào)與其輸出高低電平一半的常數(shù)值進(jìn)行逐點(diǎn)比較得到比較后的高低信號(hào)序列，將比較后的信號(hào)序列輸入到數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換單元，將信號(hào)序列最終轉(zhuǎn)換為由浮點(diǎn)數(shù)表示的數(shù)字信號(hào)Fs，最終完成轉(zhuǎn)換過(guò)程。
【文檔編號(hào)】G01R23/16GK104483546SQ201410748388
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月9日
【發(fā)明者】鐘景華, 李為 申請(qǐng)人:南京國(guó)睿安泰信科技股份有限公司