Sistema Didático para Análise de Sinais no Domínio da Frequência: Implementação em FPGA

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Autor

Gustavo Paulo Medeiros da Silva

Orientador

Prof. Marcos Moecke

Curso

Engenharia de Telecomunicações

Resumo

Este trabalho descreve a implementação do sistema DSA-FPGA, que consiste de um analisador de espectro de frequências didático desenvolvido utilizando um dispositivo FPGA. A proposta de trabalho surgiu em função do alto custo de equipamentos comerciais de análise espectral, e pela necessidade de equipamentos adicionais nos casos de implementações de software ou hardware disponíveis. O sistema desenvolvido realiza a análise do espectro de um sinal em tempo-real através de duas técnicas diferentes: Transformada Rápida de Fourier (FFT) e sistema super-heteródino. Devido as características do conversor ADC disponível no kit FPGA utilizado, o sistema está limitado a faixa de frequência entre 0 kHz à 250 kHz. Para a apresentação do espectro de frequências para o usuário, foi empregada uma tela LCD de 7 polegadas visando dar portabilidade ao sistema. No desenvolvimento do sistema optou-se por utilizar diferentes técnicas de programação de hardware, tais como máquinas de estado finito descritas em VHDL, simulação e geração automática de código a partir do Simulink e HDL Coder, códigos abertos para o acesso a memória, entre outros, dando agilidade ao processo de desenvolvimento. Foram realizados testes de análise espectral com diversos sinais de entrada, demonstrando que o sistema é viável. O sistema completo utiliza cerca de 60% de um FPGA com 77k elementos lógicos, possibilitando a implementação de melhorias e desenvolvimento de novas funções para o sistema. A taxa de atualização do quadro no display é de 45 Hz, e os tempos de processamento dos espectros via FFT e sistema super-heteródino são de aproximadamente de 2 ms e 84 ms, respectivamente. Complementações e melhorias futuras precisam ser desenvolvidas para tornar o DSA-FPGA um produto para uso didático.

Palavras chave

Analisador de espectro. FPGA. Super-heteródino. Transformada rápida de Fourier.

Abstract

This work describes the implementation of the DSA-FPGA system, which consists of a didactic spectrum analyzer developed using an FPGA device. The proposed work arose because of the high cost of commercial equipments, or the need for additional equipment in the case of available software or hardware implementations. Our system implements a real-time signal spectrum analysis by two different techniques: Fast Fourier Transform (FFT) and superheterodyne system. Due to the available ADC converter in the FPGA kit that we used, our system is limited to a frequency range between 0 kHz and 250 kHz. To build the user interface of the spectrum frequencies a 7-inch LCD screen was used in order to give portability to the system. In the system development fase, it was decided to use different hardware programming techniques, such as finite state machines described in VHDL, simulation and automatic generation of code by Simulink and HDL Coder, open codes for memory access, among others, giving agility to the development process. Spectral analysis tests were performed with several input signals, demonstrating that the system is feasible. The complete system uses about 60% of an FPGA with 77k logical elements, enabling to do improvements and development of new functions for the system. The display frame refresh rate is $45 Hz$, and the processing times for obtainig the spectral analysis by FFT and superheterodyne system are approximately 2 ms and 84 ms. Complementations and future improvements need to be developed to make the DSA-FPGA a product ready for didactic use.

Keywords

Spectrum analysis. FPGA. Superheterodyne. Fast Fourier transform.

Arquivos

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