（信号与信息处理专业论文）可程控频谱分析仪的实现.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 频谱分析理论已成为了研究现代信号分析的重要方法，而频谱分析仪作为频谱分析 领域的重要电子测量工具也在快速发展着。为了进一步提高中低端频谱分析仪的使用 率，降低其研发成本，实现仪器的可程控功能，本文研制了一种低成本、可程控频谱分 析仪。 本系统硬件设计方面主要包括t m s 3 2 0 f 2 8 0 8d s p 与e p 3 c 1 6 q 2 4 0 c 8f p g a 硬件电 路的搭建、模拟通道的设计、键盘扫描电路的设计以及g p 接口的研究与应用。由于 t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 内存空间的限制，本设计利用了f p g a 内部r o m ，同时使用f p g a 完成 了通用接口平台的设计。本系统软件设计方面：首先，以d s p 作为主控制器，实现对 整个系统的管理、控制及显示功能，同时利用d s p 内部集成的a d c 完成数据的采集以 及使用其内部资源完成f f t 算法及优化。最后，通过l a bw i n d o w s c v i 软件设计通信 测试平台，测试本仪器的可程控功能。 该仪器作为一种智能仪器，可以通过其内部的通用接口平台与本实验室已研制的 g p i b 、u s b 、t c p i p 接口板对接，组合为多接口兼容可程控仪器。同时用户还可以通过 计算机发送s c p i 指令完成测量功能，进而与计算机构成具备g p i b 、u s b 、t c p i p 等接 口的自动测试系统。 经现场测试表明，该程控频谱分析仪实现了采集数据在时域与频域上的显示、键盘 的控制及可程控的测试功能，并且对各个功能模块进行了详尽的分析、设计与调试，基 本达到设计的要求。 关键词：频谱分析仪；可程控；d s p ；f p g a ；f f t 可程控频谱分析仪的实现 a b s t r a c t a sar e s u l to fs p e c m l i l la i l a l y s i st h e o r yh a v i l l gb e c o m ea ni m p o n a mm e m o df o rt h es t u d y o f 瑚o d e n ls i g n a la n a l y s i s ，m es p e c t n l ma n a l y z e rw h ic _ hi sae l e 酏r o n i cm e a s u r i n gt 0 0 li n 也e f i e l do fs p e c 饥i ma n a l y s i si sr a p i d l yd e v e l o p i n g i i lo r d e rt of h r t h e ri m p r o v et l l eu t i l i z a t i o no f 1 0 w e n ds p e 咖a 1 1 a 1 ) r z i e d u c i l l gi t sd e v e l o p m e mc o s t s 锄da c l i e v i i l gp r o g r a i r 吼a b l e 劬c t i o n so fai 1 1 s t n l m e l l t ，t h ed i s s e n a t i o nd “e l o p e dal o w - c o s t ，p r o 伊a m m a b l es p e c m 肛n a i l a l y z e r h a r d w a r ed e s i 印m a 瑚yi i l c l u d e st m s 3 2 0 f 2 8 0 8d s pa n de p 3 c16 q 2 4 0 c 8f p g a h a r d w a r ec i r c u i t s 鼬m c t i l r e s ，a n a l o gc h a i m e l s ，m ed e s i g no ft h ek e y b o a r ds c a n i l i n gc i r c u i ta n d t l l eg p i b 硫e r ：f a c ee x 觚l i l l a t i o na n da p p l i c a t i o n b e c a u s eo ft h et m s 3 2 0 f 2 8 0 8m e m o 巧 s p a c el i f n i t 撕o i l s ，t 1 1 i sd e s i 印，m a k eu s eo ft h ef p g ai n t e m a lr o m ，a n du s i n gn l ef p g ah a s c o m p l e t e dt h ed e s i g no fm ec o m m o n 缸e r f a c ep l a t f o 衄s o 觚a r ed e s i g n ：f i 】随，t 1 1 ed s pa s t h em a i nc o n n o l l e r ，a c m e v e st h e 胁t s y s t 锄m a n a g e m e n t ，c 伽n d la n dd i s p l a yn m c t i o n s 、研1 i l eu s i n gm ea d co fm ed s pi n t e m a li n t e 伊a t i o nc o n l p l e t e st l l ed a t ac o l l e c t i o na i l du s i i l g i t s 协t e m a lr e s o u r c e sc o m p l e t et 1 1 ef f t a l g o r i t h ma l l do p t i i l l i z a t i o n f i n a l l y ，c o m m u l l i c a t i o i l s t e s tp l a t f o mb yl a bw i i l d o w s c v is o f 呐a r ed e s i g n i n g ，t e s t sp r o 印珈m a b l e 劬c t i o no ft h e i i l s t n u n e n t a sa ni n t e l l i g e n tm s 仃1 l m e n t ，t h ei 1 1 s t n l m e n tc 锄b ec o n n e c t e dm r o u g hi t si i l t e m a l c o m m o ni n t e 嘞c ep l a t f o n nt ot h el a b o r a t o 眄g p ，u s b ，t c p pi n t e r f a c eb o a r d ，a i l db e c o m b i i l e d 硫oam u l t i - i i l t e r f a c e c o m p a t i b l ep r o 伊a m m a b l ei n s t m m e n t u s e r sc a i la l s os e n d s c p i 抽s t r u c t i o n sm r o u 曲t 1 1 ec o m p u t e rt 0c o l n p l e t et 1 1 em e a s u r e m e n tm n c t i o l l s ，t h u s c o i l s t i t l n e s 锄a u t o m a t i ct e s ts y s t e mw i t hc o i l l p u t e r 锄dg p i b ，u s b ，t c p po ro t h e r i n t e r f i a c e s f i e l dt e s t ss h o wt l l a tt 1 1 ep r o 伊a n ：姐a b l es p e c 伽盯na i l a l y z e rh a sa c l l i e v e dd a t ac o l l e c t i o n i 1 1t h ed o m a i l la i l d 蜀r e q u e n c yd o m a i l ld i s p l a y ，k e y b o a r dc o n t r o l ，a n dp r o 旷a m m a b l et e s t i n g m n c t i o ma n de a c h 矗m c t i o n a lm o d u l eh a sd e t a i l e da 1 1 a l y z e d ，d e v i s e da n dd e b u g g e d ，b a s i c a l l y m e e tt h ed e s i g nr c 訇u i r 锄e n t s k e yw o r d s ：s p e c t l l na i l a l y z p r o g r a m m a b l e ；d s p ；f p g a ；f f t 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题研究背景 频谱分析仪是一种研究信号频谱结构的电子测试仪器，是专门从事电子产品设计、 调试、生产、检验的常用测量工具。频谱分析仪不但能够准确快速地显示测量动态范围 大，灵敏度高的信号频谱，而且能够利用本身的各种功能对信号频率、功率、信号失真、 谱纯度及噪声特性进行分析。具体来说就是对我们所要关系的信号进行频域分析，并将 分析的数据结果以图形或数字的形式在屏幕上显示。 随着现代测量技术的不断发展，频谱分析仪已成为通信、遥控、雷达、导航等通信 电子设计与设备维护领域中不可或缺的信号分析仪器膻1 。目前，传统的频谱分析仪大多 采用硬件电路进行设计，制造水平要求很高，生产突破困难比较大，技术更新时间较长， 价格比较昂贵，并且其接口相对单一。与传统的频谱分析仪相比，数字式频谱分析仪的 出现克服了传统式的一些缺点，但是其技术还不够完善，需要进一步的改进与优化，特 别是软件设计方面。市面上的数字式频谱分析仪价格相对于用户来说价格还是过于昂 贵，不利于频谱分析仪的普及及推广，特别是高校的科研实验室。在此背景下，本文设 计了一款低成本、可程控的数字式频谱分析仪，降低其研发成本，弥补了中低端频谱分 析仪的需求。 1 2 频谱分析仪发展现状 随着电子信息技术产业的迅速发展，被誉为“射频领域示波器”的频谱分析仪正在 朝着性能高，功能完善，周期更新短的方向发展。 在国际上，频谱分析仪性能指标已取得了很大的发展，功能也越来越完善。以泰克 与安捷伦两家公司为代表，泰克公司研发的r s a 6 1 2 0 a 频谱分析仪将测量信号的带宽扩 展到2 0 g h z ，使电子工程师能够在k u 频段( 1 2 2 4 g h z 1 8 g h z ) 内进行使用1 。安捷伦 公司研发的9 k h z 3 g h z 台式射频频谱分析仪n 9 3 2 0 a 采用了数字检波相与快速傅里叶分 析法相结合的技术理论，设计了可程控频谱分析仪，其虚拟界面的设计是利用了l i n u x 操作平台。还有安捷伦公司研发的1 0 0 k h z 3 g h z 手持式射频频谱仪n 9 3 4 0 h 1 。 在国内，频谱分析仪的研发基地主要集中于电子科技集团第四十一所和成都前锋两 家公司，其产品质量取得一定的发展，但其价格相对较贵。除此之外，其他的一些小公 司由于技术有限，发展较缓慢，市场占有率相对很低，根本满足不了国内的大量需求， 所以频谱分析仪还是以进口为主。目前，国内频谱分析仪的需求量越来越大，而国外进 可程控频谱分析仪的实现 口的频谱分析仪价格偏高并且没有自主产权，阻碍了频谱分析仪的大量普及。因此，加 快国内频谱分析仪的研制已经迫在眉睫。 1 3 课题的主要工作 本课题的主要工作是完成可程控频谱分析仪的设计，首先设计出该仪器的硬件平 台，其次应用d s p 微控制器实现实数f f t ( r f f t ) 算法及优化，然后在d s p 内部编写有 效的软件去控制整个系统的功能，最后通过l a b w i i l d o w s c 软件设计出测试界面及有 效的控制程序，测试仪器的可程控功能。基于上述的描述，本论文主要从以下几方面进 行研究与设计： ( 1 ) 深刻理解了频谱分析仪的工作原理，绘制出频谱分析仪的设计方案。 ( 2 ) 完成了系统的硬件设计，主要包括d s p + f p g a 硬件系统搭建，模拟通道的设 计、键盘扫描电路的设计、l c d 显示模块的设计以及g p i b 接口板研究与使用。 ( 3 ) 通过c c s 开发软件利用d s p 处理器完成实数f f t ( i 讧f t ) 算法及优化，以 d s p 作为主控制器实现对整个系统的管理、控制及显示的功能。 ( 4 ) 通过q u a n i 】si i 开发环境利用f p g a 芯片完成其内部i 的m 的定制及通用接口 平台的设计。 ( 5 ) 利用l a b w i n d o w s c v i 软件设计测试界面及控制程序，并将测试界面及控制 程序、g p i b 接口板、频谱分析仪组成一个系统，实现整个系统的功能。 1 4 论文的章节安排 本文分为六章。 第一章是绪论，介绍了课题的研究背景与发展现状，以及课题的主要工作。 第二章是讲述了频谱分析仪总体方案的选择，通过数字式与模拟式频谱仪的比较， 选择了一种基于快速傅里叶变换的数字式频谱分析仪的设计方案，并重点阐述了设计该 仪器的算法原理。另外，还给出了该频谱分析仪的总体框图。 第三章是详细讲述了模拟通道的设计，两个处理器( d s p 与f p g a ) 的搭建及外围 电路的设计。同时给出了该仪器的各个模块的硬件原理图及其模块中所使用到的芯片说 明。 第四章是介绍了系统的软件设计，包括d s p 的整体控制流程图，a d c 精度与采样 率的处理，c 2 0 0 0 的f f r 库文件介绍与使用。 第五章是讲述了整个系统的硬、软件与系统综合测试，其中重点详述了仪器的系统 综合测试。最后一节给出了系统的整体实物图。 第六章是总结。 西华大学硕士学位论文 2 总体实现方案选择 2 1 频谱仪的工作原理 频谱分析仪按照工作原理可分为两大类，一类是以模拟滤波器为基础进行设计的模 拟式频谱分析仪，另一类是以数字滤波器或快速傅立叶变换为基础进行设计的数字式频 谱分析仪哺3 。 2 1 1 模拟式频谱分析仪 模拟式频谱分析仪按照模拟滤波器的不同实现方式可分四种，分别为实时的并行滤 波式、非实时的顺序滤波式、非实时的可调滤波式和非实时的扫频外差式哺3 。前三种方 式是通过改变硬件滤波器的中心频率来检测出信号的频谱，而后一种扫频外差法是将被 测信号各频谱分量逐个移进中心频率不变的窄带滤波器来检测出信号的频谱，是这四种 方式中最常用，也是最成功的一种方式。目前，市面上已经很少使用前两种方式的频谱 分析仪，这里主要介绍可调滤波式和扫频外差式频谱分析仪。 可调滤波式频谱分析仪：待测信号厶送入中心频率可调的硬件滤波器，根据该滤波 器中心频率的可变特性，扫描出待测信号的频谱。由于很难设计出通带范围很窄、可调 范围很宽的硬件滤波器，并且在调谐范围内很难保持恒定不变的滤波特性，因此该方式 只适用于窄带频谱分析，其优点是结构简单，价格低廉，缺点是灵敏度低，分辨率差。 可调滤波式频谱仪的框图如图2 1 所示。 图2 1可调滤波式频谱仪的框图 f i g 2 1n eb l o c kd i a g r a mo fa d j u s 讪l ef i l t e r - 帅es p e c 协1 ma 1 1 a l y z e r 扫频外差式频谱分析仪：首先待测信号厶的各频率分量必须满足在放大器的带宽范 围内，然后厶通过混频器与本振信号z 进行差频运算，得到差频信号厂广厶= 以，当调 节本振信号 时，根据本振信号是连续可调的原理，被分析的频谱依次被顺序取样出来。 扫频外差式的优点是工作频率范围宽、选择性好、灵敏度高，其缺点是只能非实时地检 可程控频谱分析仪的实现 测和显示信号的幅度谱，不能检测信号的相位谱。扫频外差式频谱分析仪的框图如图2 2 所示。 图2 2 扫频外差式频谱分析仪的框图 f i g 2 2t h eb l o c kd i a g 舳o fs w e p th e t e i o d y n es p e c n l n na n a l y z e r 2 1 2 数字式频谱分析仪 数字式频谱分析仪主要有两种实现方法，一种是数字滤波法；另一种是快速傅立叶 变换分析法哺3 。 数字滤波法：与模拟频谱分析仪相比，数字滤波式频谱分析仪主要的改进是用数字 滤波替代了模拟滤波，即用软件编程替代了硬件电路设计，同时还在设计的数字滤波器 前增加了取样保持与模数变换电路。控制器与时基电路控制了数字滤波器中心频率的顺 序改变。与模拟滤波相比，数字滤波的优点是滤波特性好、硬件少、成本低等，其缺点 是数字滤波的速度偏低。 快速傅立叶变换分析法：这种方法是分析频谱的一种非常高效的软件计算方法，也 是本设计采用的方法。快速傅立叶变换分析法的框图如图2 3 所示。待测信号磊经过取 样保持电路与a d 转化器，使模拟信号转变成数字信号，接着利用专门f f t 处理器进 行f f t 算法处理，计算出信号的频谱，最后将信号的频谱在l c d 上显示。快速傅立叶 变换变换分析法是通过离散数据的f f t 算法运算获得信号的频谱，是实时的频谱分析方 法，同时可以检测到信号的幅度和相位信息。 图2 3 快速傅里叶分析法频谱分析仪的框图 f i g 2 31 1 1 eb 1 0 c kd i a 蹦皿o f 缸tf b 耐c r 廿a n s f b 肋觚a l y s i ss p e c t n j ma n a l ) ，z e r 通常情况下，用户采用d s p 芯片作为f f t 处理器来实现信号频谱分析的功能。与 模拟式频谱分析仪相比，速度大大提高，并且能够进行实时信号的频谱分析。这里实时 4 西华大学硕士学位论文 频谱分析可以在时域、频域、调制域和码域等多域内对信号进行实时测试，同时可以对 信号的指标进行全景式的观察、监测与分析阳1 。 2 2 频谱分析与傅里叶变换 2 2 1 傅里叶变换 通常情况下，人们利用频谱分析仪分析的信号大多是连续信号，而对连续信号进行 分析的首要一步就是对其进行采样即将其离散化。在信号进行采样过程中，采样频率必 须满足奈奎斯特采样定理才能使原信号恢复。其次对采样到的信号进行量化与编码，完 成采样信号的数字化。下面介绍傅里叶变换。 假设模拟信号为x ( f ) ，其傅里叶变换对表示为： x ( ) = ix ( f 弦吖甜出 x ( ) 2 寺j 二x ( 矽 模拟信号工( f ) 经过采样之后的离散信号为x 丁) ，丁为采样周期即厂= 圭为采样频 率。对于离散信号工( ，z 丁) 的傅里叶变换对表示为： 耶) ：窆m 7 争 砌) = 专薹聊争 式中工( ，z ) ，x ( 尼) 分别是石伽丁) ，x ( 后) 的一个周期，此处把丁与都归一化为1 。 在实际应用中，被测信号通常分为周期信号与非周期信号。若是周期信号，采样 过后的数据取其一个周期作为一个序列进行离散傅里叶变换；若是非周期信号，又可分 为有限长与无限长两种信号；若是有限长信号，采样过后的数据取其本身的长度作为一 个序列进行离散傅里叶变换，若是无限长信号，采样过后的数据使用窗函数进行截取， 将截取的长度作为一个序列进行离散傅里叶变换。由于离散傅里叶变换法( d f t ) 的计 算量太大，即使采用微机也很难实现系统的实时处理，所以在频谱分析领域并没有得到 真正的应用。 可程控频谱分析仪的实现 2 2 2 快速傅里叶变换 在2 0 世纪6 0 年代，库利和图基提出了离散傅里叶变换( d f t ) 的一种快速算法， 即快速傅里叶变换( f f t ) ，解决了d f t 的计算量太大的问题，使d f t 算法在数字信 号处理领域得到了实际的应用。下面介绍快速傅里叶变换。 假设工伽) 为点有限长序列，其d f t 变化对表示为盯1 ： 一1 x ( 尼) = x ( 咒) 嘭，七= o ，1 ，2 ，3 ，一1 一= o 1 一1 工( ，z ) = 寺x ( 七) 陈破，七= o ，1 ，2 ，3 ，一1 jvt = 0 式中= p 川州。通常情况下，x ( 尼) 、x ) 、嘭与陈础都是复数，每计算一个 x ( 尼) 就必须完成次复数乘法和一1 次复数加法运算，即完成整个序列的运算需要 2 次复数乘法和( 一1 ) 次复数加法运算 3 。n 越大d f t 的计算量越大，这使得d f t 算法在数字信号处理领域的应用受到了限制。 通过观察与化简可得到嘭具有可约性、周期性与共轭对称性特点，其表达式表示 为 ： 。n 托， 昨= 嚼，嘭= 略” 睇= 嘴州耻= 聪似州 ( 蝶) = 陈稚 我们可以利用畔的这些特性，使d f t 的计算量大大减少。快速傅里叶变换算法正 是基于孵的这些特性而发展起来的，其算法可以分为按时间抽选 ( d e c i m a t i o n i n t i m e ，d i t ) 法和按频率抽选( d e c i m a t i o n 抽仔e q u e i l c y ) 法两大类，同时 时间抽选法按蝶形运算的周期性与对称性，又可分为基2 、基4 、基8 等任何因子的f f t 运算口1 。下面介绍按时间抽选的基2f f t 算法。 假设有限长序列为x ( 玎) ，其点数为为，其中= 2 材，m 为正整数。若m 不满 足上述条件，可以在该有限长序列后人为地增加零值使之满足。将有限长序列工( ，z ) 按时 间顺序进行奇偶分解，利用嘭上述的特性进行d f t 运算简化。 将有限长序列工( ，z ) ( 刀= o ，1 ，2 ，) 按照，z 进行奇偶分组如下： 工( 2 ，) = _ ( ，) ，x ( 2 ，+ 1 ) = x 2 ( ，) ，其中，= o ，1 ，2 ， 一1 将x ( ，1 ) 的d f t 化简为： 6 西华大学硕士学位论文 n 2 1n 2 - 1 = x ( 2 r 孵畦+ x ( 2 r + 1 ) 嘴h d 。 r = or ：o 利用暇。的可约性，即蝶2 ，式( 1 ) 可表示为： n 2 1n 2 - l x ( 七) = x 。( r ) 嗾+ w 青x ：( r ) = x l ( 后) + 孵2 ( 尼) ( 2 1 ) 式中庀= o ，1 ，2 ，( 一1 ) ，墨( 露) 和x ：( 七) 分别是x 。( ，) 与x ：( r ) 的前一半点d f t ， 而后一半部分点d f t 表示为： x ( 尼+ 2 ) = x 。( 七+ 2 ) + 暇+ 2 x 2 ( 七+ 2 ) = x 1 ( j j ) 一孵x 2 ( 尼) ( 2 2 ) 式( 2 ) 中惫：以，( 一1 ) ，只需求出前一半点d f t ，就能通过简单的运算得 到0 ( 一1 ) 区间的x ( 尼) 值。式( 1 ) 与式( 2 ) 的运算可以用图2 4 表示。 五( 后) + 磷蔓 ) 墨( 七) 一孵x ：( 露) 图2 4 一个蝶形运算流图 f i g 2 4 a b u t t 矾yn o w 铲a p h 利用上述的蝶形运算，将点数为的d f t 运算分解成两个点的d f t 运算，运 算大大减少了。若仍为偶数，将五( 后) ，x ：( 七) 又可以分别分解为两个的d f t 运 算，直到分解成两点的d f t 运算。直接计算d f t 需要2 次复数乘法与( 一1 ) 次复数 嘴研 参瓤 + 睇 长 l i 略 圳 心脚 i i x 卜 暇x0屯 芝咖 噼 + 水 呒 v 八0 x 啊间 = 可程控频谱分析仪的实现 加法，通过上述方法进行简化运算，其d f t 运算量可降至芸1 0 9 ：次复数乘法与 1 0 9 ：次复数加数，大大减少了d f t 运算量，n 越大效果越明显。 应用f f t 算法进行现代信号分析存在着许多误差，其主要误差包括频谱混叠、频谱 泄漏、栅栏效应与量化误差。我们可以通过提高采样率可以减少频谱混叠，利用周期采 样或加窗也可以减少频谱泄漏，增加时域采样数据点数与增加频域抽样点数可以减少栅 栏效应，增加a d 的位数可以减少量化误差呻3 。 2 2 3 实数快速傅里叶变换( r f f t ) 优化算法 通常情况下，输入序列更多是纯实数，而进行f f t 运算的输入序列是复数序列，这 样就必须人为将其虚部用零取代，组成一个复数序列。若这样的话，其计算量就会增加， 运算时间就会变长，内存空间就会增大，不利于系统的实时处理。鉴于此，我们将原有 的实数f f t 算法做了一些改进，即r f f t 优化算法。其具体内容如下： 若一个有限长实序列x ( ，z ) ，刀= 0 ，1 ，2 一1 ，将其分解为偶数项g ( ，) = x ( 2 ，) 与奇数 项 ( ，) = x ( 2 r + 1 ) ，偶数项作为点复数有限长序列的实部，奇数项作为点复数有限 长序列的虚部，则组成的点复数有限长序列为： y ( ，) = g ( r ) + 厅( ，) ，r = o ，1 ，一1 ( 2 3 ) 将点复数有限长序列y ( ，) 进行f f t 可得： 】，( 七) ：艺y ( ，) p 一等b ：k ( 后) + e ( 七) ，j i ：o ，1 ，一1 ( 2 4 ) ，= 0 由快速傅里叶变换的共轭对称性可知： g ( 后) ：委 y ( 七) + 】，( 一七) 11 = 寺 k ( 尼) + k ( 一七) + 寺 匕( 尼) 一e ( 一七) 七= o ，l ，一l ( 2 5 ) 日( 七) = 一姜 y ( 七) 一】，( 一尼) 】 11 = 年巧( 七) + e ( 一七) + 去 k ( 一七) 一k ( 七) 】 七= 0 ，l ，一1 ( 2 6 ) 由于长度为2 实序列x 伽) 的前半部分点f f t 为： x ( 七) = g ( 尼) + 形嘉( 尼) = 爿_ ( 七) + ，( 七) ，七= o ，1 ，一l ( 2 7 ) 8 西华大学硕士学位论文 则工( 七) 的后半部分点f f t 为： 彳( 2 一七) = ( 2 一七) + 瞄( 2 一七) = x 月( 七) 一，疋| ，( 尼) ，尼= o ，1 ，一1 ( 2 8 ) 把( 3 ) 、( 4 ) 式代入( 5 ) 式可得： x 胄( 露) = 争k ( 七) + k ( 一尼) 】+ 圭c o s ( 等) y ：r ( 七) + e ( 一露) 】 一吉s i n ( 等) k ( 尼) 一k ( 一七) ，豇= o ，1 ，一1 ( 2 9 ) x ，( 七) = 圭 y ，( 七) 一l ( 一尼) 一圭c o s ( 等) 【k ( 幻一k ( r 一七) 】 一丢s i n ( 等) e ( 足) + z ( 一尼) 】 ，后= o ，1 ，一1 ( 2 1 0 ) 根据式( 1 ) 组成一个点复数序列y ( r ) ，根据式( 2 ) 求出y ( 尸) 的f f t 结果y ( 尼) ，利 用y ( 后) 实部和虚部按式( 7 ) 、( 8 ) 求出x ( 约前半部的实部和虚部，由于f f t 形成的频谱 具有对称性，所以我们只需要计算前一半点x ( 的频谱阳1 0 1 。 与直接计算实数f f t 相比，r f f t 优化的算法使其运算量减少了近一半，同时又节 省了内存空间，显然，i 江f t 优化的算法是一种节约运算量的方法，速度提高近一倍， 也是本设计采用的核心算法。 2 3 数字式频谱分析仪的实现方案 本论文采用实数快速傅立叶变换( i 玎f t ) 优化算法来进行数字式频谱分析仪的设 计，利用用d s p 处理器作为f f t 处理器，f p g a 处理器作为r o m 及通用接口的设计。 频谱分析仪的总体框图如图2 5 所示。待测信号厶首先进入模拟通道，对待测信号进行 衰减与程控放大处理，处理后的信号被d s p 内部的a d c 高速采样，采样后的数据利用 d s p 处理器进行优化的f f t 算法运算，将计算后的数据送入l c d 进行显示。与此同时 利用f p g a 内部r o m 存储在l c d 上显示的数字码和符号码，最后利用f p g a 内部资源 设计双端口r a m 接口平台，与本实验室已研制的g p i b 接口板相连接，实现仪器的可 程控功能。 可程控频谱分析仪的实现 信号线一一控制线车= 令数据线匕习地址线 图2 5 频谱分析仪总体框图 f i g 2 5t i l et o t a lb l o c kd i a 鲫mo fs p e c 仇l ma l l a l y z e r 3可程控频谱分析器的硬件设计 系统的硬件设计主要包括d s p 和f p g a 硬件系统的搭建、模拟通道的设计、键盘 扫描电路的设计、l c d 显示模块设计以及g p i b 接口板研究与使用。下面对每个模块的 设计进行详细的说明。 3 1 模拟通道设计 模拟通道是频谱分析仪的一个重要部分，其好坏直接关系到该仪器的性能指标的高 低。该模块的作用就是把不满足a d c 输入要求的待测信号通过人为定量的控制，把待 测信号调节到a d c 所需要的范围，其主要由交直流耦合电路、无源衰减器、阻抗变换 网络与程控放大模块构成阻。该通道的框图如图3 1 所示。 戳隈蓟两阮网啊嬲 司合电路h 器r | 网络 程控放大 模块 图3 1 模拟通道框图 f i g 3 1t h eb l o c kd i a g 姗o fa n a l o gc h a i l l l e l 1 0 西华大学硕士学位论文 3 2 1交直流耦合电路设计 信号的耦合方式分为直流、交流和接地。交直流耦合电路原理图如图3 2 所示。交 直流与g p l 0 1 2 口相接，接地与g p l 0 1 3 口相接，主处理器d s p 是通过改变g p l 0 1 2 与 g p l 0 1 3 口的状态来控制继电器r e l l 与r e l 2 的开启与关闭。当用户选择交流方式时， 继电器i u l l 关闭与继电器r e l 2 开启，信号将经过电容c 2 隔去被测信号中的直流成 分。当用户选择直流方式时，继电器r e l l 开启，继电器r e l 2 还是开启，信号将分别 经过c l 与r 1 两路将直流分量与交流分量进行耦合。当用户选择接地时，前级交直流 耦合电路不起作用，而后一级继电器r e l 2 关闭，直接给输入端接一个地信号，实现接 地耦合方式功能。 图3 2 交直流耦合电路图 f i g 3 2 t h ec o u p l i i l gc i r c u i to f a ca n dd c 3 1 2 无源衰减器设计 本次设计的频谱分析仪输入信号的幅度最大值为1 0 0 v ，而最小值为1 0 0 m v ，因此 必须在信号调理部分将待测信号进行衰减或放大。 衰减电路是由两级衰减器构成，其主要采用r 、c 阻容器件进行设计，其作用是把 幅度较大的待测信号衰减至a d c 所要求的范围。前级衰减网络是通过继电器r e l l 、r e l 2 控制，衰减倍数为1 0 ，后级衰减网络是通过继电器r e l 3 、r e l 4 控制，衰减倍数也为1 0 。 图中的x 1 、x 2 分别接在d s p 的g p l 0 1 4 与g p l 0 1 5 口，主控制器d s p 可以通过改变 g p l 0 1 4 与g p l 0 15 口的状态去控制两级衰减器开启与关闭。通过两级衰减器的相互组 合，可以实现对待测信号幅度的1 倍、1 0 倍与1 0 0 倍的衰减。该无源衰减器原理图如图 3 3 所示。 可程控频谱分析仪的实现 图3 3 无源衰减器原理图 f 培3 31 1 1 es c h 锄a t i co fp 鹊s i v ea t t e n 删0 r 衰减器的设计条件应该满足输入阻抗高以及整个通频带内幅度衰减的分压比均匀 不变，但是当待测信号频率过高时，构成衰减器的电阻元件会在电路板上产生寄生电容 与寄生电感，使得衰减倍数不准确，导致信号发生失真鄹。为了解决上述问题，我们采 用r 、c 阻容器件进行设计，替代了简单的电阻分压电路，抵消了电阻元件上的寄生参 数，使得信号不发生失真，保证了衰减网络的增益平坦度。现在我们以上图前一级1 0 倍衰减电路为例进行电路分析，其等效的网络如图3 4 所示。 图3 41 0 倍衰减电路图 f i g 3 4 n o n a c ：t i v ea _ t t e n ua _ t i o nn e i t w o r ko f0 1g a i n 衰减器的衰减倍数为输出电压与输入电压嘶之比，它为墨、c 3 的并联阻抗z 1 与 r 、g 的并联阻抗z 2 的分压比，即 鱼：土 咋z l + z 2 ( 3 1 ) 西华大学硕士学位论文 ：一一一一墨堕= 一一 ( 3 2 ) 1 + j f 础。( c 1 + c 3 ) 一2 厶( c 1 + c 3 ) ： 丝丝：( 3 3 ) = ：- j 二二三一 ( ： ) 1 + 歙2 ( c 2 + c 4 ) 一2 厶( g + c 4 ) 式中，厶、厶和c 1 、g 分别为电阻r 和是的寄生电感和寄生电容。c 3 和 c 4 是补偿电容。 是+ 鸣 詈= 高警塑迎堡罢广 ( 3 4 ) 墨+ 码是+ 鸣 1 + 皑幅+ g ) 一厶( g + g ) 1 + 啦( g + g ) 一厶( g + g ) 当输入信号电压吩的频率不断增加时，寄生参数的影响增大，调节c 3 和c 4 使得 满足式( 3 5 ) 时 r ( c 1 + c 3 ) = r ( c 2 + c 4 ) ( 3 5 ) z 1 与z ，表达式中分母相同，则衰减器的分压比为 生：2 一： 刍刍 ( 3 6 ) 吩r + r 2( c 1 + c 3 ) + ( c j + c 4 ) 此时，分压比和频率无关。这就意味着，当衰减器输入含有丰富的高次谐波成分的 理想阶跃信号时，输出不变，这是我们所希望的。式( 3 5 ) 称为最佳补偿条件。 通过上述理论分析和相关实验可以得知，调节外接电容g ，c 4 的容值，能够使增益 衰减的准确性在比较大的频率范围内保持稳定，从而提高模拟通道的通频带。 本设计借助了m u l t i s i m 仿真软件，通过反复仿真测试，使信号在所有频带内通过此 网络都以1 0 倍进行幅值衰减。进行补偿后的无源衰减网络仿真图如3 4 所示。 f i g 3 5p 鹊s i v ea 廿e l l u a t i o nc 伽叩e n s 撕o nn 朗阳r ks i m u l a t i o n 案案 鸠一鸠 抛五型脚兰鹏 + 一 + + 一 + 随一r 他一r = = 毛 乞 可程控频谱分析仪的实现 3 1 3 阻抗变换网络设计 图3 6 阻抗变换网络原理图 f i g 3 6 t h es c h e m a t i co f i m p e d a l l c e 仃 m s f o n i l a t i o nn e t w o r k 阻抗变换网络原理图如图3 6 所示。阻抗变换网络是由一个运放芯片、一个场效应 管、两个三极管和若干电容电阻组成，位于衰减器与程控放大模块之间实现阻抗变换的 作用。其中t 1 t 2 组成源极一射极跟随器，源极跟随器提供一个高输入阻抗，而射极跟 随器提供一个低输出阻抗，同时采用与t 2 相同的场效应管t 3 管接成恒流源路，以便稳 定其静态工作点。运放芯片c a 3 1 4 0 是美国无线电公司研制开发的一种b i m o s 高电压 的高输入阻抗运算放大器，能提供高达1 5 t q 的输入电阻，同时具有极高的速率与极低 的输入电流，双电源供电，带宽为4 5 m h z 。在阻抗变换电路中，c a 3 1 4 0 芯片用来实现 对信号中直流成分的阻抗变换。 3 1 4 程控放大模块设计 该模块由放大与偏置电路与a d c 驱动电路两大部分组成。 ( 1 ) 偏置与放大电路设计 偏置与放大模块原理图如图3 7 所示。 1 4 西华大学硕士学位论文 图3 7 偏置与放大模块原理图 f i g 3 7t h es c h e i l l a t i co f b i a sa n da m p l i f i c a t i o nm o d u l e 放大电路的输出信号是双极性的，而d s p 2 8 0 8 集成的a d c 输入信号要求是单极性 的，即0 3 v ，因此本设计采用t l 4 3 1 芯片来设计1 5 v 的直流偏置电源，目的是将输入 信号的电压抬升到a d c 输入信号的要求范围。 t l 4 3 1 是三端可编程并联稳压二极管，可编程电压为3 6 v ，输出阻抗为0 2 2 欧，低 输出噪声电压。其正常工作时，3 引脚到2 引脚有一个反向电流，并在第3 引脚产生2 5 v 参考电压，通过调节可变电阻i 1 得到1 5 v 参考电压u4 l 。 参考电压的输出端连接了用集成运放o p a 2 1 3 4 设计的电压跟随器，实现高输入阻 抗，低输出阻抗功能。o p a 2 1 3 4 是在音频范围应用领域，超低失真，低噪声，单位增益 稳定运算放大器，双电源供电，带宽为8 m h z 。其提供出色的共模抑制和保持低输入偏 置电流，在宽输入电压范围内，最大限度地减少失真n 引。 当输入信号的幅值与a d c 输入的满量程相差较大时，就会导致较大的采样误差， 这就要求设计者对较小的信号幅值进行适当的放大。经多次试验比较，我们选择o 6 v 作为分离点。当信号幅值小于等于0 6 v 时，利用电路中的可调电位器a d 5 2 5 9 通过软 件编程的方式实现信号程控的两倍放大，放大之后的信号再加上由t l 4 3 1 芯片设计1 5 v 直流电压，将信号的幅值尽量接近a d c 输入的满量程，提高a d c 的采样精度；当信号 幅值大于0 6 v 时，可以直接对原始信号进行采样。 a d 5 2 5 9 是非易失性、1 2 c 兼容型、2 5 6 位数字电位计，可实现与机械电位器或可变 电阻相同的调整电阻的功能，并且具有增强的分辨率和固态可靠性，游标设置可通过 1 2 c 兼容型数字接口控制，也可以利用该接口回读游标寄存器和e e p r o m 的内容，电 阻容差也存储在e e p r o m 中，端到端容差精度为0 1 ，独立的v l o g i c 引脚使接口 更加灵活，如果用户需要在一条总线上连接多个器件，则可以利用地址位a d 0 和地址 位a d l 在同一总线上连接多达4 个器件n 别。 可程控频谱分析仪的实现 ( 2 ) a d c 驱动电路设计 图3 8a d c 驱动模块原理图 f i g 3 8t h es c h 锄a t i co fa d c “v e rm o d u l e a d c 驱动模块原理图如图3 8 所示。如果输入信号直接进入a d c 进行采集时，d s p 内的数字信号就会对输入的模拟信号产生干扰，甚至使输入信号产生严重失真，因此我 们在信号进入d s p 集成的a d c 之前加上了一级电压跟随器，实现隔离干扰信号的功能。 本设计采用集成运放o p a 3 4 0 芯片对该电路( a d c 驱动电路) 进行设计。o p a 3 4 0 是一 种采用c m o s 技术的轨到轨运算放大器，单电源供电，带宽为5 5 m h z 。正是由于该芯 片具有轨到轨输入输出与高速处理技术特性，使得其成为驱动a d c 的理想芯片刀。由 于d s p 内部集成a d c 的电压范围为0 3 v ，所以我们采用电阻分压的方式把运算放大 器的供电电压限制为o 3 v ，即该运算放大器的输出电压为o 3 v ，从而保护了d s p 内 部集成a d c 。 3 2d s p 主控制器设计 3 2 1t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 芯片简介 d s p 是采用先进哈佛总线结构的高性能3 2 位定点处理器，其内部集成有高速的乘 法器硬件，能够在一个时钟周期内完成m a c 运算，为复杂的数字信号处理算法与控制 算法提供了高性能解决方案。t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 是美国t i 公司推出的一款采用高性能静态 c m o s 技术设计的芯片，其单周期定点指令执行时间为1 0 n s ，同时具有成本低、功耗低、 处理能力强，特别适用于需要大量数据处理的测控领域与复杂运算的电机控制领域n 引。 f 2 8 0 8 的软件采用c c + + 编写，其效率非常高，不仅适合用户使用高级语言编写系 统程序，也可以采用c c + + 开发高效的各种算法，f 2 8 0 8 处理器内核包含3 2 宰3 2 位的 m a c 单元，能够完成6 4 位数据处理，使其实现更高精度的处理任务 1 8 】。快速的中断 响应能够使f 2 8 0 8 保护关键的寄存器并快速地响应外部异步事件，同时f 2 8 0 8 具有8 级 西华大学硕士学位论文 保护流水线，可以依次访问内存，速度更快。f 2 8 0 8