简易频谱分析仪.doc

简易频谱分析仪作者：尹三正 翟勇 蔡浩赛前辅导及文稿整理辅导教师：尹仕摘要：本设计利用外差原理,以单片机为核心，辅助以FPGA等实现半数字化的频谱分析。系统由4个模块组成：混频模块,信号采集模块,频谱图显示模块,输入波形识别模块。混频模块将输入信号与本振信号进行混频 得到中频信号；信号采集模块对中频信号进行检波和AD采样，将采样数据存入单片机；采样数据经单片机处理后送给FPGA，由FPGA利用示波器的XY通道完成频谱图显示；单片机通过对采集到的数据进行分析来判定波形，同时采用等精度测量法测量输入信号中心频率。通过采用一定算法对输入信号进行处理，消除低中频带来的镜像干扰。关键词: 频谱，扫频，混频，中心频率Abstract：Key Words：spectrum, frequency scan, frequency mixture, the center frequency一 、方案设计和论证本题目要求采用外差原理实现频谱分析仪，“外差”是变频的意思，因此将输入信号加到混频器上与本振信号混频后，再经过窄带中频滤波器将落入中频带的信号提取出来。通过AD转换器对检波后的中频信号进行采样并存入单片机，单片机对数据进行处理后再通过 FPGA将频谱图显示在示波器上。输入信号整形后可通过FPGA利用等精度法进行测频，由于调频，调相和等幅波的频谱图不一样，通过识别输入信号的频谱特征就可判断是何种波形。整个系统框图如图1.1所示。图1.1：系统框图1. 混频模块：方案一：选用MC3362搭建混频电路。MC3362是MOTOROLA公司生产的单片窄带调频接收电路，电路如图1.2所示：图1.2：MC3362典型电路载频信号从MC3363的2脚输入，进行第一级混频后将差频为10.7MHz的第一中频信号从23脚输出，经中频为10.7M的陶瓷滤波器选频后再由21脚送到内部的第二混频级，将差频为0.455MHz的第二中频信号从7脚输出，经455kHz陶瓷滤波器选频，再经9脚送入MC3363的限幅放大器进行高增益放大。 方案二：用乘法器和带通窄带滤波器搭建混频器：选用AD835作为乘法器，将本振信号和输入信号相乘得到二者频率的和差信号，达到混频的效果，与较常用的乘法器MC1596相比，其两路输入信号幅值可达到，对噪声可形成较强的抑制能力，而MC1596两个输入端允许的最大信号幅值分别为15mV和100mV，信噪比较低。带通窄带滤波器选用陶瓷滤波器，它的等效品质因数为几百，比LC滤波器要高，对通带外的信号能形成很强的衰减。论证：方案一只需一块集成芯片即可实现混频和中频输出，但与方案二相比其外围电路过于复杂，而且其混频输出信号没有AD835干净，对输出噪声的抑制能力也较差。因此选择方案二来完成混频输出。 2. 本机振荡器：输入信号频率范围为1MHz32MHz，故要求本机振荡器的振荡频率要大于该值一个中频。方案一：采用LC正弦波振荡器与变容二极管产生本振频率，通过改变变容二极管两端电压，使振荡电路输出频率发生改变。方案二：采用FPGA实现。将正弦波信号的一个周期的离散样点的幅度数值量存于RAM中，以一定的地址间隔读出，经DA转换器转换输出，再经低通滤波滤除D/A带来的高次谐波，即可获得所需要的波形。方案三：采用专用DDS集成芯片来产生正弦波。论证：方案一为传统的振荡器电路形式，组成电路繁琐而且不易实现频率线性步进，而且要实现29M的频率变化范围难以实现；方案二采用FPGA产生正弦波，通过改变地址步进间隔即可实现不同频率输出，但要以较小失真度产生30M正弦信号，比较困难。而采用专用DDS集成电路只需少量外围元件就能构成一个完整的信号源，而且控制方便，因此我们选择方案三。二、理论分析和参数计算1. 混频模块(1)中频的选择：混频器的输出信号中除了需要的差额信号外，还存在一些谐波频率和组合频率，如果这些组合频率接近中频并落在中频放大器的通频带内，则会形成干扰。设本振信号频率为，输入信号频率为，中频为，组合频率为，当 时会形成干扰。取，去除不可能存在的情况，得到:用不同的p，q值带入上式算出相应的值，得表如下：表2.1：组合频率选取参考表编号12345678910p0112123123q123344455512132/33/241/212编号11121314151617181920p4123412312q566667778852/53/44/35/21/33/512/71/2结合扩展部分，本题要测量的波段范围为130MHz，我们选中频458.5kHz，则在整个波段内，2.1565，满足这一范围的组合频率干扰点很少（仅编号4，7，11，15四个点）。(2)前置放大器：由于输出信号电压有效值为20mV5mV,为降低噪声在输入端加一个前置放大器，使频谱分析仪系统的噪声系数降低。同时为使系统输入阻抗与信号源输出阻抗匹配，我们在运放的同相输入端接一个50电阻到地，由于运放同相输入端阻抗很大，这样输入信号阻抗几乎为50，达到阻抗匹配。由于后级乘法器选用AD835，在满足一定精度下要求输入信号，因而增益，取前置放大器增益24。由于输入信号最高频率达到30M，则相应运放的增益带宽积应满足：压摆率也应满足：同时输入失调电压应尽量的小。根据这些指标要求，选择MAX4117 作为前置放大器。MAX4117为电流型反馈运算放大器，大信号时增益带宽积为280MHz，压摆率为1200V/，输入失调电压为1mV，内含两个独立运放，采用两级级联，分配第一级分配增益为6，第二级增益为8，则相应增益带宽积要求为：能达到要求，并能对35MHz以上信号形成衰减，由图2.1知，第二级输入信号为第一级输出信号的一半，故总增益为：68224满足设计要求。电路图如图2.1所示。图2.1 前端放大电路(2)乘法器：模拟乘法器将两端输入信号相乘，得到两个信号频率的和差频率，从而达到混频的效果。模拟乘法器选用AD835。AD835是一款高带宽（250MHz），四信号输入乘法器，其输出噪声只有，在输入信号为30MHz时，其输出噪声为0.274mV。其输入输出之间关系如图2.2所示。实际电路如图2.3所示：在4脚与5脚和 5脚与地之间接上电阻R5和R6，则混频后输出：化简得到： 图2.2 示意图 图2.3 实际电路图(3)本机振荡器：输入信号的频率范围为1MHz30MHz，中频为458.5KHz，则本振频率的频率范围为：1.4585MHz31.4585MHz。由于振荡频率高达31.4585MHz，因此选用专用DDS芯片来产生本振频率。 AD9851是一款方便易用的高速DDS芯片，其内部主要包括一个可选用的六倍频器，高速DDS模块和高速十位A/D转换模块，可以用较低的外部时钟和简单的外围元件实现较宽频带内的频率精度较高正弦波合成或者各种调制。这里用它合成正弦波，原理图如下：图2.4 AD9851原理图AD9851最高工作时钟可以达到180MHz，这里外部接30MHz晶振，经过内部的六倍频电路倍频到180MHz作为系统工作时钟。合成正弦波频率可以通过下式得到：其中SYSCLK是系统工作时钟，这里SYSCLK =30M * 6 = 180MHz。PHASE是通过串口数据线DATA _9851 和控制总线CONTROL_BUS_9851(3bit) 预置的32bit的频率控制字。通过上式可以简单的得到此时理论上可以得到的合成正弦波频率精度是：合成正弦波的幅度由下式决定:其中，IOUT为PIN21输出的电流大小，由上式可以看出，它由PIN12外接的电阻决定。R1为PIN21外接的电阻，将电流转换为电压输出。这里= 3.9k,R1 = 100,则正弦波幅度约为1V。(4)中频窄带滤波器：混频器输出中包含有乘法器的两个输入端信号的和差分量，需要通过中频窄带滤波器选出需要的频谱分量，抑制掉其它不需要的信号。题目要求频率分辨率为10kHz，即中频滤波器的带宽要小于10KHz。滤波器选用陶瓷滤波器HLB465B，通过信号源给陶瓷滤波器输入端不同频率的信号，实测其中心频率为458.5KHz，3dB带宽为1.0KHz（458.2KHz459.2KHz），20dB带宽为9KHz（454.5KHz463.5KHz），频谱响应特性如图2.5所示。陶瓷滤波器的带宽较窄，因而本振频率的步进值不能太大，否则可能会漏扫某些点，在程序设计中我们直接选取其3dB带宽作为步进频率，这样可以保证扫到每个点。图2.6 陶瓷滤波器频谱响应曲线2. 检波模块：前级电路中本振频率为时，与输入信号混频后，将信号频率为=485.5KHz左右的信号送入本级，其峰值大致反映了信号在频率处的幅值，通过检波电路将其峰值检测出来。检波器由二极管和RC电路组成，电路图如图2.6所示：当二极管D1正端电压高于负端电压一定值时，二极管导通，对电容C3充电；当正端电压降低时，二极管截止，此时电阻R3构成放电通道，电容放电。选取适当的C3，R3即可构成需要的检波电路。图2.6 检波和采样电路本振信号频率步进时间间隔为2ms，AD转换器的位数为8位，由于信号幅值在不断变化，在一个频率步进时间间隔内，输入信号幅值从最大（数字电平值为255）衰减到最小（数字电平值小于1），滤波器应有充分的放电时间将电压衰减到足够小，故在2ms时间内信号衰减幅度应小于1/255,由可得：。输入信号频率为485KHz左右，要使检波器随包络波变化而不是随被检波信号波变化，则其RC电路的时间常数不能太小，应远大于信号周期据此选择时间常数RC66，取R320k，C33300，满足要求。由于二极管存在导通电压，当信号峰值小于二极管的导通电压时，二极管截止不导通，从而无法进行检测，为此在输入端加入一个直流偏置与输入信号进行叠加，调节滑动变阻器R1使得直流偏置电压恰好抵消二极管的正向导通电压，同时接入二极管D2到地，防止反向电压过大损坏二极管D1。检波出来的电压通过一级射级跟随后被TLC5510采样，将得到的AD采样数值存入单片机。3. 数据处理和频谱图显示模块：(1)系统噪声处理频谱分析仪的电路中的引入的各种外界噪声和电路内部串扰噪声被逐级放大，最后以噪声形式显示在示波器上，使得频谱分析仪的灵敏度降低。因此如果将输入端不加信号，测量此时输出的噪声电平，则比这个电平低的信号都会被噪声掩盖而无法测量，我们将此时采集到的数字电平作为门限电平，低于这个电平的均被做零处理，这样可以尽量减少噪声对输出信号的影响。(2)信号识别：控制本振信号的频率对输入信号进行扫频时，设输入信号在处存在较大频谱分量，则在本振频率为和均能检测到响应，由于程序默认设置，因而信号应在本振为处产生响应并看作被识别到，而在处被忽略，因此在检测到响应后，将信号本振频率减2，观察是否还有响应，如果输出无响应则可判断对应为的情况，应被忽略；如果输出有响应，则可判断为的情况，此时信号应被识别。但还存在另一种情况，即输出有响应，但该响应应是由于信号在处也存在较大频谱分量造成，而在处无频谱分量，此时信号仍应被忽略。故进行判断时应考虑到输入信号中的镜像频率。(3)镜像干扰的消除：当本振频率为时，输入信号或，均能在混频器输出端产生响应（即输出信号具有一定幅值），称和为镜像频率，他们引起的干扰成为镜像干扰。由于中频采用的是低中频，因此不可避免的会产生镜像干扰，我们通过程序对采集到的数据进行处理来消除镜像干扰。原理如图2.7所示：图2.7 镜像干扰消除的原理图设输入信号存在3个频率分量，,其中和 ehe,和互为镜像频率，对应的频谱幅值分别量化为电压，。改变本地振荡器的输出频率，如图示在处均会产生响应，在本地振荡频率处，,均会在混频器输出端产生一定的响应并叠加起来，这样此时单片机采集到的数据应与信号在,处的频谱的幅值和成正比，同样，在本地振荡频率处，单片机采集到的数据与信号在，处的频谱的幅值和成正比。 设定，则得到的,的量化电压值分别为，而且还得到一个不存在的幅频响应，其幅值为。对信号进行如上图示处理，从高频段第一个不为零的信号开始，与其镜像频率做减法运算，并将差值作为真实值存储下来。经过一轮运算后，就能消除镜像干扰，将真实的频谱图显示出来，同时对输入信号完成识别。(4)频谱图显示：由于示波器水平分辨率为200格，因此实际测量时只需256个点的数值。设扫频频宽为，扫频中心频率为，则本振频率扫频范围为：（）（）。显示时每两点之间的频率间隔为：，前面分析可知，为避免某些频率的信号被扫漏，本振信号频率步进值为1kHz，因此将扫频范围等分为256个区间，将对该区间扫频时采集到的信号的最大幅值进行存储。存满256个点后，通过串口将数据转存到FPGA的内部RAM，再由FPGA产生输出数据通过DA转换器产生一路锯齿波和一路信号波形，以XY方式在示波器上显示需要的信号频谱图。要使输出信号看起来稳定并不闪烁的显示在示波器上，要求显示数据刷新频率大于50Hz，每写一次屏大约要写600个点，故DA转换器的转换频率应大于：60050Hz=30kHz，选用8位的DA转换器CA3338，其转换速率最高可达50MHz，能满足要求，实际FPGA输出锯齿波的频率为500kHz。 4. 信号处理和显示模块：(1)波形种类判断：等幅波，调频，调幅的频谱图大致如图2.7所示，单片机对采得的信号数据进行如下判断： 图2.7 等幅波，调频，调幅频谱图1如果频谱集中在一点：判断为等幅波。2如果频谱在多点处存在，中心频率附近频谱（信号采集时本振频率步进值为1K）大量集中，判断是调频波。3如果频谱在多点处存在，中心频率附近频谱（信号采集时本振频率步进值为1K）比较离散，即出现响应的频率点之间间隔较大，可判断是调幅波。(2)信号中心频率测定： 题目发挥部分要求能测定调幅、调频和等幅波信号的中心频率，且其中心频率范围为1MHz30MHz。实际上要精确测定调频波的中心频率比较困难，可以在保证一定精度情况下，采用等精度测量法进行测量。我们选用Alter公司型号为EP1C3T144C8的FPGA为核心，辅助凌阳的61单片机来实现频率测量。原理图如图2.8所示。图2.8 频率测量原理图预制门控信号F_Gate为脉宽为Tpr 的脉冲，计数器BZQ，TSQ均是可控计数器，标准频率信号FPGA_CLK（）从计数器BZQ的时钟输入端输入，整形后的信号从计数器TSQ的输入端进入，CLR端为高电平时各个计数器清零。当预制门控信号F_Gate为高电平时，经整形后的被测信号的上升沿使D触发器输出为高电平，同时启动计数器BZQ，TSQ开始计数；当预制门控信号F_Gate为低电平时，被测信号的上升沿使D触发器的输出变为低电平，两个计数器同时停止计数。设一次预制门时间Tpr内被测信号计数值为Nx，计数器BZQ中标准频率信号计数值为，标准信号频率为Fi,测得输入信号频率为Fx，则得到下面的公式：，推导得到：，故相对误差公式为：从公式可以看出其测量精度只与Ns和标准频率精度有关，而与被测信号无关，取门限时间。由于外部信号的时钟作为计数器TSQ的计数频率，TSQ的位数为M=24位，在输入频率较高时预制门控信号时间长度就是计数器计数时间，要确保在计数器计数时间内不溢出，则输入信号频率应小于：在门限时间内计数值可达到3.84106，由前面误差公式可知，当测量频率为单一频率时，测量误差小于：1.9210-6110-51.110-55电源模块：我们使用自制稳压电源为系统供电，电路图如图2.9所示。图2.9 稳压电源三、单片机流程图单片机主要用来完成产生以下功能：向本振信号发生器（AD9851）送控制字，对采集信号进行去镜像干扰处理，和FPGA配合完成频率测量和频谱图显示，波形识别，人机友好界面设置（包括液晶显示和遥控键盘）。1. 单片机流程图如图3.1所示：图3.1 单片机流程图2. 红外接收和解码模块:我们采用专用红外解码芯片将遥控器发出的信号解调出来送入单片机,由单片机进行解码。由解调芯片解调出来的信号是16位串行数据,其中含有6位键码数据,还有一些控制信息,由于信号直接接到I/O口上,其信号幅值会下降很多,所以需要将信号经过两级非门进行缓冲。接收完十六位数据后,判断前十位数据是否为引导码,如果不是则认为是干扰码；如果是,则根据相应码值进行相应操作。为了观察是否有信号收到,我们充分利用凌阳单片机内建Flash容量大的特点,加入语音播报提示是否有相应键按下。四、系统测试和结果分析1. 测试仪器：（1）信号源：YB1620P，QF1055A（2）数字示波器：Tektronix TDS1002（3）QF4143型 调制度测量仪2. 测试条件：（1）时间：2005年9月10日（2）温度：26。C3. 测试方法和结果：（1）波形频率测量范围：使用QF1055A产生单一频率的信号，观察示波器上的频谱曲线，记录响应频率和测得的中心频率： 表4.1 频率范围测定1.522.551015202530（2）频率分辨力测量：产生调制度,频偏为的调幅波,改变频偏，观察显示频谱能否区分被调制信号和载波。设置扫频宽度2