news 2026/4/16 7:41:36

基于FPGA的调制度测量系统开发手记(附工程代码全解析)

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张小明

前端开发工程师

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基于FPGA的调制度测量系统开发手记(附工程代码全解析)

电赛F题信号调制度测量,纯fpga代码(包含fft,dds,fifo,fir,uart,adda,寻峰算法等代码)另外还包括matlab仿真程序和串口屏程序以及器件清单 也非常适合应届生应聘fpga岗位,作为简历中的第一个大学项目介绍 只出软件代码和相关,不出任何硬件

去年电赛的调制度测量赛题算是近五年来数字信号处理综合度最高的题目了。作为全程用FPGA实现的硬核玩家,这里把整套代码架构拆解给大家看看,特别是准备FPGA岗位求职的同学,这个项目能覆盖简历上80%的常用技能点。

核心架构图先走一波:

AD采集->FIR滤波->FFT处理->寻峰算法->DDS校准->UART输出。整个链路全部Verilog实现,Matlab负责前期算法验证,串口屏做可视化。(别问为啥不上ARM,问就是FPGA够硬核)

ADDA配置是基本功,但这里有个小坑:

//AD芯片SPI配置 always @(posedge clk_20m) begin case(spi_state) 0: begin cs_n <= 1'b0; sclk <= 1'b0; if(delay_cnt == 100) begin delay_cnt <= 0; spi_state <= 1; end end //...配置寄存器写入时序 endcase end

注意SPI时钟相位要和AD芯片手册严格对应,实测中发现某些国产AD芯片的时钟沿采样有微妙差异,这里栽过跟头的小伙伴评论区扣1。

FIR滤波器设计是重头戏,直接上Xilinx的IP核生成工具配合Matlab的fdatool。实测32阶Hamming窗在资源消耗和阻带衰减间取得平衡:

//FIR滤波流水线 always @(posedge clk_100m) begin delay_line[0] <= ad_data; for(int i=0; i<TAPS-1; i++) begin delay_line[i+1] <= delay_line[i]; end //系数乘法累加 sum <= sum + delay_line[15] * coeffs[15]; end

重点:系数需要Q格式量化,注意符号位扩展。调试时用SignalTap抓取滤波前后波形,肉眼可见高频噪声被按在地上摩擦。

FFT模块是性能关键,直接调用Altera的FFT IP核(Xilinx用户同理)。注意窗函数的选择:

//汉宁窗应用 always @(posedge clk) begin win_mult <= $signed(adc_data) * hanning_window[addr]; fft_in <= win_mult[30:15]; //截取有效位 end

实测1024点FFT配合75%重叠率,在频率分辨率与实时性间取得平衡。寻峰算法有个骚操作——双门限比较法:

//峰值状态机 if(signal > threshold_high && !peak_flag) begin peak_pos <= current_index; peak_flag <= 1; end else if(signal < threshold_low && peak_flag) begin peak_valid <= 1; peak_flag <= 0; end

这个状态机有效避免了噪声引起的误触发,实测在信噪比15dB时仍能稳定捕捉主峰。

DDS模块玩出花,直接相位累加生成校准信号:

//DDS核心代码 phase_acc <= phase_acc + freq_word; dac_out <= amplitude * $sin(phase_acc[31:24]);

配合CORDIC算法实现的全数字正交混频,实测频偏补偿精度达到0.1Hz级别。FIFO的应用更是精髓:

//异步FIFO实例化 uart_fifo fifo_inst ( .wr_clk(fft_clk), .rd_clk(uart_clk), .din(peak_data), .dout(uart_tx_data) );

跨时钟域处理稳如老狗,再也没出现过数据丢失的灵异事件。最后UART传输用状态机实现,波特率自适应:

//波特率生成 baud_cnt <= (baud_cnt == BAUD_DIV) ? 0 : baud_cnt + 1; tx_en <= (baud_cnt == BAUD_DIV/2);

整套系统实测调制度测量误差<3%,从算法到RTL实现的全链路开发,特别适合作为FPGA求职的展示项目。需要代码包的同学(包含Matlab仿真验证脚本、串口屏配置文件、完整工程源码)可以直接三连后私信,注意代码采用Apache协议,企业级项目慎用。

结语:

这个项目在简历中可以包装为《基于FPGA的全数字信号分析系统》,重点突出FFT优化、实时算法实现、跨时钟域处理等技能点。面试时带着SignalTap的调试截图,绝对让面试官眼前一亮。

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