1. FFT有什么用?

FFT(快速傅里葉變換)是離散傅里葉變換(DFT)的高效實現(xiàn)算法，它的核心作用是快速將信號從時域轉(zhuǎn)換到頻域，從而簡化信號分析和處理的過程。

自然界的信號(如聲音、圖像、電磁波等)通常以時域形式存在(即隨時間變化的波形)，但很多特性(如頻率成分、諧波分布)在頻域中更易分析

FFT 能快速計算信號中各頻率分量的幅值和相位?？梢赃M行頻率拆分與實時處理。FFT 是 “信號的透視鏡”，讓我們能 “看見” 信號的頻率本質(zhì)，為后續(xù)的降噪、識別、監(jiān)測等應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

在FPGA的IP核中可直接調(diào)用

2. 什么是信號調(diào)制與解調(diào)?

簡單來說，調(diào)制是 “把有用信息加載到載波上” 的過程，解調(diào)是 “從載波中提取出有用信息” 的過程，二者配合完成 “信息發(fā)送 — 傳輸 — 接收” 的閉環(huán)。

2.1 為什么需要調(diào)制與解調(diào)?

有用信息(如語音、文字、圖像)通常是低頻信號(稱為 “基帶信號”，如人聲頻率 300Hz~3kHz)，直接傳輸存在兩大問題：

傳輸效率低：低頻信號的波長很長(如 1kHz 信號波長約 300 公里)，需要巨大的天線才能發(fā)射，不現(xiàn)實;

信道擁擠：若所有信號都以低頻傳輸，不同信號會因頻率重疊而互相干擾(如同一個頻道的收音機雜音)。

因此，需要通過調(diào)制將基帶信號 “搬移” 到高頻載波上(類似 “把信件裝到快遞車上”)，利用高頻信號易發(fā)射、可分頻復(fù)用的特點傳輸;接收端再通過解調(diào)“卸下” 載波上的信息(類似 “從快遞車上取下信件”)，還原出原始信號。

2.2 調(diào)制：如何 “加載” 信息到載波?

載波是一個高頻正弦波(如廣播的 100MHz、手機的 2GHz

其數(shù)學(xué)表達式為：c(t)=Acsin(2πfct+?c)

其中，Ac(振幅)、fc(頻率)、?c(相位)是載波的三個關(guān)鍵參數(shù)。

調(diào)制的本質(zhì)是用基帶信號(信息)改變載波的某一個或多個參數(shù)，讓載波 “攜帶” 信息。常見的調(diào)制方式有三種：

調(diào)幅(AM)：用基帶信號改變載波的振幅。

例如：廣播中，人聲(基帶信號)越強，載波的振幅越大;

特點：實現(xiàn)簡單，但抗干擾能力弱(振幅易受噪聲影響)。

調(diào)頻(FM)：用基帶信號改變載波的頻率。

例如：手機信號中，基帶信號的變化會讓載波頻率在中心頻率附近微小波動(如 2.4GHz±10kHz);

特點：抗干擾能力強(頻率變化不易被噪聲淹沒)，音質(zhì)更好，常用于調(diào)頻廣播、對講機。

調(diào)相(PM)：用基帶信號改變載波的相位。

例如：數(shù)字通信中，“0” 對應(yīng)載波相位 0°，“1” 對應(yīng)相位 180°(稱為 “相移鍵控 PSK”);

特點：適合高速數(shù)字傳輸，廣泛用于 WiFi、衛(wèi)星通信。

2.3 解調(diào)：如何 “提取” 信息?

解調(diào)是調(diào)制的逆過程，核心是從被調(diào)制的載波中 “還原” 出原始基帶信號。具體方法與調(diào)制方式對應(yīng)：

調(diào)幅信號解調(diào)：通過 “檢波器” 提取載波振幅的變化，還原基帶信號;

調(diào)頻信號解調(diào)：通過 “鑒頻器” 將載波的頻率變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，還原基帶信號;

調(diào)相信號解調(diào)：通過 “相位比較器” 對比載波相位與參考相位的差異，還原數(shù)字信息(0 或 1)。

3. 為什么FPGA是并行的?

FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)之所以具有并行處理能力，主要源于其硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理。與 CPU(中央處理器)的順序執(zhí)行不同，F(xiàn)PGA 的并行性體現(xiàn)在 “多個功能單元可同時獨立工作”，這一特性使其特別適合處理需要高吞吐量、低延遲的任務(wù)(如信號處理、加密、AI 推理等)。

硬件結(jié)構(gòu)：多是LUT和CLB，天然支持并行計算

數(shù)據(jù)流驅(qū)動：非CPU按順序進行，而是并行計算，適用流水線和并行陣列

可編程：可按需定制并行結(jié)構(gòu)

4. 濾波器的使用?

濾波器的核心功能是改變信號中不同頻率成分的幅值或相位。其數(shù)學(xué)本質(zhì)是對輸入信號 x(n) 進行卷積運算。經(jīng)常使用FIR IP核。可使用MATLAB 或 Python 生成低通濾波器系數(shù)，然后復(fù)制到IP核中。

FIR 濾波器的核心作用

FIR(Finite Impulse Response，有限脈沖響應(yīng))濾波器是一種線性時不變(LTI)數(shù)字濾波器，其核心作用是對信號中的特定頻率成分進行選擇性處理，具體包括：

保留有用頻率成分：讓符合需求的頻率信號通過(如音頻中的人聲、通信中的載波信號)。

抑制干擾頻率成分：衰減或濾除不需要的頻率信號(如噪聲、雜波、鄰道干擾等)。

頻率整形：調(diào)整信號的頻率分布，例如改變信號的帶寬、相位特性等。

FIR 濾波器的突出優(yōu)勢是具有嚴格的線性相位特性(可設(shè)計為線性相位)，即不同頻率成分通過濾波器后相位延遲與頻率成線性關(guān)系，不會導(dǎo)致信號失真(如音頻信號不會因相位失真產(chǎn)生 “變調(diào)”)，因此在對相位敏感的場景(如通信、音頻處理、圖像處理)中廣泛應(yīng)用。

5. 在FPGA設(shè)計中,如何進行頻率與相位補償

頻率補償

核心是使信號頻率與目標頻率一致，或補償因環(huán)境(溫度、電壓)、器件差異導(dǎo)致的頻率漂移，確保系統(tǒng)時鐘、數(shù)據(jù)速率的穩(wěn)定性。

FPGA 的鎖相環(huán)(PLL) 和混合模式時鐘管理器(MMCM，如 Xilinx 器件) 是頻率補償?shù)暮诵挠布Y源，其原理是通過反饋環(huán)路動態(tài)調(diào)整輸出頻率，抵消偏差

方法 1：基于 PLL/MMCM 的頻率合成與校準

原理：PLL 通過比較輸入?yún)⒖紩r鐘(Ref Clk)與反饋時鐘(FB Clk)的頻率差，生成控制信號調(diào)整壓控振蕩器(VCO)的輸出頻率，實現(xiàn)頻率鎖定。

補償過程：

應(yīng)用：在通信系統(tǒng)中，用 PLL 將接收端時鐘與發(fā)射端載波頻率同步，補償信道引入的頻率偏移。

若輸入時鐘頻率存在偏差(如外部晶振實際頻率為 100MHz±50ppm)，PLL 可通過分頻 / 倍頻系數(shù)調(diào)整，輸出精確的目標頻率(如 200MHz);

當環(huán)境變化導(dǎo)致 VCO 頻率漂移時，PLL 的反饋環(huán)路實時檢測偏差并修正，確保輸出頻率穩(wěn)定。

方法 2：數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)的數(shù)字域補償

原理：純數(shù)字邏輯實現(xiàn)的鎖相環(huán)，通過數(shù)字鑒頻器、數(shù)字濾波器和數(shù)控振蕩器(DCO)實現(xiàn)頻率調(diào)整，適合無法使用硬件 PLL 的場景(如高頻信號的精細調(diào)整)。

補償過程：

應(yīng)用：在軟件無線電(SDR)中，用 DPLL 補償射頻信號的多普勒頻偏。

數(shù)字鑒頻器計算輸入信號與本地參考信號的頻率差;

數(shù)字濾波器(如 PI 控制器)輸出控制字，調(diào)整 DCO 的輸出頻率(通過分頻 / 倍頻系數(shù)動態(tài)修改)，直至頻率一致。

相位補償

核心是消除信號間的相位差(如時鐘與數(shù)據(jù)的相位偏移、多通道信號的相位不一致)，確保信號在時間上對齊。

FPGA 通過延遲鎖相環(huán)(DLL)、可編程延遲線(PDL)、硬件延遲單元及數(shù)字邏輯調(diào)整實現(xiàn)相位補償，具體方法如下：

方法 1：基于 DLL 的時鐘相位調(diào)整

原理：DLL(Delay-Locked Loop)通過延遲線陣列將輸入時鐘延遲多個相位，再通過反饋環(huán)路鎖定輸出時鐘與輸入時鐘的相位，實現(xiàn)零相位差或固定相位差。

特點：相比 PLL，DLL 僅調(diào)整相位，不改變頻率，適合時鐘樹的相位對齊。

應(yīng)用：在 FPGA 內(nèi)部時鐘分配網(wǎng)絡(luò)中，用 DLL 補償不同邏輯模塊的時鐘延遲，確保全局時鐘相位一致。

方法 2：可編程延遲線(PDL)的精細相位補償

原理：FPGA 的專用延遲單元(如 Xilinx 的 IODELAY、Intel 的 ALTDLL)可通過配置實現(xiàn)皮秒(ps)級的延遲調(diào)整，直接補償信號路徑的相位差。

補償過程：

應(yīng)用：LVDS 接口接收端，數(shù)據(jù)信號經(jīng) PCB 傳輸后與時鐘存在相位偏移，通過 IODELAY 調(diào)整數(shù)據(jù)采樣時刻，確保正確采樣。

先通過校準電路測量目標信號與參考信號的相位差(如高速數(shù)據(jù)信號與采樣時鐘的偏移);

配置 PDL 的延遲值，使信號延遲相應(yīng)時間，抵消相位差。

方法 3：數(shù)字域相位補償(算法級)

多通道 ADC 采集時，各通道因器件差異存在相位不一致，可在 FPGA 中對每個通道的采樣數(shù)據(jù)添加數(shù)字延遲(如移位寄存器)，實現(xiàn)相位對齊;

通信系統(tǒng)中，接收端通過Costas 環(huán)或相位跟蹤環(huán)路，對解調(diào)后的信號進行相位估計和補償，消除載波相位偏移。

當硬件延遲調(diào)整精度不足時，可在數(shù)字邏輯中通過算法補償相位差，適用于信號處理場景(如通信、雷達)。

例子：

6. 信號的帶寬

在 ADC、DAC 或其他電子設(shè)備中，帶寬(Bandwidth) 是描述其能夠 “準確處理信號頻率范圍” 的核心參數(shù)，通常以頻率單位(如 Hz、MHz)表示。簡單來說，它代表設(shè)備對高頻信號的 “響應(yīng)能力”—— 帶寬不足，意味著無法準確捕捉或生成高頻信號。

以 ADC 為例理解 “帶寬”

ADC 的帶寬(通常稱為 “模擬輸入帶寬”，Analog Input Bandwidth)指的是：當輸入正弦波信號的頻率升高時，ADC 輸出的數(shù)字信號幅度衰減到 “低頻信號幅度的 70.7%(即 - 3dB)時的頻率值。

若某 12 位 ADC 的帶寬為 1MHz，說明：

對于頻率≤1MHz 的正弦波(如 500kHz)，ADC 采集后還原的信號幅度幾乎無衰減(接近輸入信號的真實幅度);

當輸入信號頻率超過 1MHz(如 10MHz)時，ADC 輸出的信號幅度會嚴重衰減(可能只剩原來的 10% 甚至更低)，且波形會失真(比如正弦波變成 “畸形” 的波浪形)。

為什么帶寬不足會導(dǎo)致 10MHz 信號采集失真?

信號的頻率越高，變化速度越快。ADC 采集信號時，需要通過內(nèi)部的模擬電路(如采樣保持電路、放大器)對信號進行處理，而這些電路的 “響應(yīng)速度” 是有限的：

對于 10MHz 的正弦波，其周期僅 0.1μs(100ns)，信號在極短時間內(nèi)完成正負半周的快速切換;

若 ADC 帶寬僅 1MHz，其內(nèi)部電路無法跟上 10MHz 信號的變化速度，相當于對高頻信號 “反應(yīng)遲鈍”，采集到的信號會丟失大量高頻分量，導(dǎo)致幅度衰減、波形畸變(比如原本平滑的正弦波變得 “扁平” 或 “鋸齒化”)。

類比理解

可以把 ADC 的帶寬比作 “相機的快門速度”：

帶寬高 → 快門快，能清晰抓拍高速移動的物體(高頻信號);

帶寬低 → 快門慢，拍高速移動的物體時會模糊(高頻信號失真)。

1MHz 帶寬的 ADC 采集 10MHz 信號，就像用快門速度 1 秒的相機拍飛馳的汽車，只能得到模糊的拖影，無法還原真實形態(tài)。

延伸：DAC 的帶寬

DAC 的帶寬(通常稱為 “輸出帶寬”)含義類似，指其輸出的模擬信號幅度衰減到 - 3dB 時的頻率。若 DAC 帶寬不足，生成高頻信號時會出現(xiàn)同樣的衰減和失真(比如本應(yīng)輸出 10MHz 正弦波，結(jié)果變成幅度很低的 “失真波形”)。

7. 信號反射

現(xiàn)象

高速信號(如 1Gbps 以上的 LVDS、DDR 接口信號)在傳輸過程中出現(xiàn) “過沖”“下沖” 或震蕩波形，導(dǎo)致接收端采樣錯誤(比如本應(yīng)是高電平的信號，因過沖被誤判為低電平)。

原因

信號在 PCB 傳輸線中傳播時，若傳輸線阻抗與源端 / 負載端阻抗不匹配(如傳輸線阻抗 50Ω，但 FPGA 引腳輸出阻抗 30Ω)，部分信號能量會被反射回源端，與原信號疊加形成干擾。

影響

在高速數(shù)據(jù)傳輸(如 DDR4 接口，速率 3200Mbps)中，反射會導(dǎo)致信號邊沿模糊，超過接收端的建立 / 保持時間要求，引發(fā)數(shù)據(jù)誤讀。

FPGA 中解決示例

端接匹配：在 FPGA 的高速差分接口(如 GTX)中，通過 IP 核配置內(nèi)置的片上端接電阻(ODT，On-Die Termination)，將負載端阻抗調(diào)整為與傳輸線一致(如 50Ω)，吸收反射能量。

布線優(yōu)化：PCB 設(shè)計時，確保 FPGA 到外部芯片(如 DDR 內(nèi)存)的傳輸線阻抗連續(xù)，避免直角轉(zhuǎn)彎、線寬突變等導(dǎo)致的阻抗突變。

8. 信號串擾

現(xiàn)象

相鄰信號線之間的信號 “互相干擾”：當一根線(“ aggressor”)切換電平(如從 0→1)時，相鄰線(“ victim”)的信號會出現(xiàn)異常波動(如本應(yīng)穩(wěn)定的低電平突然跳變 100mV)。

原因

信號線之間存在寄生電容和互感：當 “干擾線” 電流變化時，會通過電磁耦合在 “被干擾線” 上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，即串擾。在高密度 FPGA 布線(如 BGA 封裝的 FPGA，引腳間距僅 0.8mm)中尤為明顯。

影響

在低速信號中可能無明顯影響，但在高速并行總線(如 8 位數(shù)據(jù)總線)中，串擾會導(dǎo)致相鄰數(shù)據(jù)線的信號同時跳變，引發(fā) “數(shù)據(jù)錯誤”(比如本應(yīng)傳輸1010，因串擾變成1110)。

FPGA 中解決示例

布線隔離：在 FPGA 的布局布線工具(如 Vivado)中，對高速信號線(如 SPI、I2C)設(shè)置 “禁止布線區(qū)域”，要求相鄰信號線間距≥3 倍線寬(如線寬 0.2mm，間距≥0.6mm)，減少耦合，擴大時鐘網(wǎng)絡(luò)布線間距。

差分信號：將關(guān)鍵信號(如時鐘、高速數(shù)據(jù))設(shè)計為差分對(如 LVDS)，利用 “差分對的兩個信號反相” 特性，抵消外部串擾(干擾對兩根線的影響相同，差分后被消除)。

9. 時鐘抖動

現(xiàn)象

時鐘信號的周期不是嚴格恒定的，相鄰周期的時間差(“抖動”)超過設(shè)計閾值(如 100MHz 時鐘，理想周期 10ns，實際周期在 9.9ns~10.1ns 之間波動)。

原因

內(nèi)部原因：FPGA 的 PLL/VCO 本身存在噪聲(如電源紋波導(dǎo)致 VCO 頻率波動);

外部原因：輸入?yún)⒖紩r鐘的抖動(如晶振噪聲)、電磁干擾(EMI)。

影響

在高速采樣場景(如 ADC 采樣率 1GHz)中，時鐘抖動會導(dǎo)致采樣時刻偏移，降低采樣精度。例如：若抖動為 10ps，對 1GHz 信號采樣時，相位誤差可達 3.6°，可能導(dǎo)致信號幅值測量偏差超過 1%。

FPGA 中解決示例

低抖動 PLL 配置：使用 FPGA 的 “低噪聲模式” PLL(如 Xilinx 7 系列的 MMCM，開啟 “Jitter Optimization”)，通過優(yōu)化 VCO 供電、降低反饋環(huán)路帶寬，將輸出時鐘抖動控制在 5ps 以內(nèi)。

時鐘樹隔離：將高速時鐘(如 ADC 采樣時鐘)與低速控制時鐘(如 10MHz)的布線物理隔離，避免互相干擾。

10. 電源噪聲

現(xiàn)象

FPGA 的核心電壓(如 1.0V)或 IO 電壓(如 3.3V)存在紋波(如 1.0V 電源上疊加 50mV 的高頻波動)，導(dǎo)致邏輯電平不穩(wěn)定。

原因

電源模塊(如 LDO、DC-DC)輸出紋波過大;

FPGA 內(nèi)部邏輯翻轉(zhuǎn)時的 “動態(tài)電流” 突變(如大量寄存器同時切換狀態(tài)，瞬間電流從 100mA 跳至 500mA)，導(dǎo)致電源電壓暫降。

影響

在高扇出邏輯(如一個時鐘驅(qū)動 100 個寄存器)中，電源噪聲可能導(dǎo)致邏輯電平超出閾值(如高電平最低要求 0.8V，因噪聲降至 0.7V，被誤判為低電平)，引發(fā)邏輯錯誤。

FPGA 中解決示例

電源去耦：在 FPGA 的電源引腳附近放置多層陶瓷電容(0.1μF、10μF)，吸收高頻紋波和動態(tài)電流突變;

分區(qū)供電：將 FPGA 的高速接口(如 GTX 收發(fā)器)與普通 IO 口分開供電(如 GTX 專用 1.2V 電源獨立于核心 1.0V 電源)，避免高速模塊的電流波動干擾核心邏輯。

原文鏈接：

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