基于DSP的谱分析仪设计开题报告

毕业设计(论文)开题报告学生姓名： 董华珊 学 号： 0902050203 专 业： 电气工程及其自动化 设计(论文)题目： 基于DSP的谱分析仪设计 指导教师： 郭海涛 2013 年 3 月 15 日 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，可对调制信号、脉冲信号及其他信号的频率、电平、调制度、调制失真、频偏、互调失真、谐波失真、增益、衰减等多种参数进行测量，可用于测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。它又称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。 频谱分析仪具有高灵敏度、频带宽、动态范围大等特点，可方便的获得时域测量中不易得到的独特信息，如频谱纯度、信号失真、寄生、交调和噪声边带等各种参数。频谱分析仪可广泛应用于微波通信、雷达、导航、电子对抗卫星地面站、空间站、空间技术、频率管理、信号监测、EMI诊断和EMC测量等方面，是发展军用电子元器件和军用整机的科研、生产、测试、试验和计量等部门的必备仪器。因此，应用十分广泛，被称为工程师的射频万用表。信号处理器（DSP）是一种可编程的高性能处理器，近年来发展很快，不仅适用于数字信号处理，且在图像处理、语音处理、通信等领域都得到了广泛应用。DSP结构设计提供了低成本、低功耗和高性能的处理能力，以DSP作为核心是智能化制造技术中智能控制器的发展方向。随着计算机和微电子技术的发展，基于数字信号处理的频谱分析已经应用到各个领域并发挥着重要作用。现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果，可以对从直流到亚毫米波的整个电磁波频谱的任何一段进行频谱或光谱分析。对于一台频谱分析仪来说，能够覆盖的频带也越来越宽。现代的各种频谱分析仪不仅能分析连续波信号，而且还可以对瞬态信号和无规则变化的随机信号进行实时频谱分析。它不仅可以测量电量，而且可以测量非电量。通过换能器，他可以对各种非电量如压力、振动、冲击、声响等进行频域分析，不仅能定性而且还能定量分析，不仅能以频域显示信号频谱还能交替或同时以时域显示信号波形。现代的频谱分析仪由于发展了品种、增加了附件，而扩展了许多功能。它可以起到扫频仪和频率计的作用，还可以完成扫调附加遥测指示仪全景收机的功能，而计算式频谱仪（也叫频谱分析仪计算器）在信号处理系统中又是一台专用数字计算机。信号的频谱分析是研究信号特性的重要手段之一, 对于确定性信号, 可以用傅里叶变换来考察其频谱性质, 而对于广义平稳随机信号, 由于它一般既不是周期的, 又不满足平方可积, 严格来说不能进行傅里叶变换, 通常是求其功率谱来进行频谱分析。功率谱反映了随机信号各频率成份功率能量的分布情况, 可以揭示信号中隐含的周期性及靠得很近的谱峰等有用信息, 应用极其广泛, 例如, 在语音信号识别、雷达杂波分析、地震勘探信号处理、水声信号处理、系统辨识中非线性系统识别、物理光学中透镜干涉、流体力学的内波分析、太阳黑子活动周期研究等许多领域, 都发挥了极其重要的作用。在实际工作中，一般处理的信号可以分为规则信号（确定性信号）和随机信号（非确定性信号）两类。规则信号可以用明确的数学关系式来描述，而随机信号一般不可能用清楚的数学关系式来描述，也无法预测其未来瞬间的精确值，对于这些随机性质的数据只能用概率和统计平均的方法来描述，比如均值、均方差、方差、概率密度函数、概率分布函数、相关函数以及功率谱密度函数等。由于随机信号的不确定性，所以它的电压频谱也是不确定的，但是对于常见的具有各态历经的平稳随机信号，可以得到确定的相关函数，相关函数序列的量纲是功率单位，相关函数的傅立叶变换或z变换就表示这类随机信号的功率谱密度函数，简称功率谱。利用给定的N个样本数据估计一个平稳随机信号的功率谱密度叫做谱估计。功率谱估计（PSD）是利用给定的一组样本数据估计一个平稳随机信号的功率谱密度，它能给出被分析对象的能量随频率分布的情况。在雷达信号处理中可以根据回波信号的功率谱密度、谱峰的宽度、高度和位置可以确定运动目标的位置、辐射强度和运动速度。功率谱估计是数字信号处理的重要研究内容之一。功率谱估计可以分为经典谱估计（非参数估计）和现代谱估计（参数估计）。经典的功率谱估计有2 种：一种是直接法；另一种是间接法。直接法就是先计算N个数据的傅里叶变换，然后取频域和其共轭的乘积得到功率谱；间接法则是先计算N 个样本数据的估计自相关函数，然后再计算自相关数据的傅里叶变换得到功率谱。间接法的主要方法有最大熵谱分析法（AR 模型法）、Pisarenko谐波分解法、Prony提取极点法、Prony 谱线分解法以及Capon 最大似然法。其中周期图法和最大熵谱分析法是信号处理中最具代表性的方法。频谱分析仪的发展有两个趋势：在高频、超高频和微波频段是全景显示或倍频程扫描，在低频和超低频则是实时分析。低频频谱分析仪向着数字分析、快速实时分析发展；高频和微波频普仪向着宽扫频、全景显示发展。但无论是高频还是低频频谱仪都是向着宽的频率范围、高灵敏度及平坦的响应、宽的分析谱宽，并具有平坦的幅度响应、窄的分辨带宽和低的波形因数、宽的动态范围与测量范围以及良好的频谱显示纯度发展，向着固体化、高稳定性和可靠性、操作简单、使用方便、价格低廉以及高的抗干扰性能、多功能综合测试和自动测试，向着定量分析发展。 近年来, 国外频谱分析仪技术发展迅猛,美国Agilent、Tektronix、IFR、德国R/ S、日本ADVANTEST、ANRITSU 等公司都不断推出高性能频谱分析仪,并且以频谱分析仪为基础,不断扩展其功能,目前国外频谱仪的发展方向如下。 (1)向更宽频带、高灵敏度、高分辨率、大动态范围方向发展 最有代表性的产品是美国Agilent公司的8563E,频率范围9 kHz26.5 GHz,分辨率带宽1Hz,最佳灵敏度-149dBm,噪声边带-113dBc/Hz(10kHz频偏),同时兼有毫米波扩频、相位噪声、数字无线电等测试功能,使用灵活方便。 (2)向宽带高速实时方向发展 典型代表产品是Tektronix公司的3086,可一次采集整块频谱,连续分析全帧信号, 同时具有多种灵活的触发方式,对猝发信号、瞬变信号、时控信号的分析测量非常方便。 (3)向宽中频矢量化方向发展典型代表产品是R/S公司的FSET22,中频带宽10Hz 500 MHz,具有多种检波方式, 可满足频域、时域、调制域等的测量分析,是一台具有很高性能的测量接收机。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的方法（途径）：本课题旨在研究基于DSP的谱分析仪设计，并要求成品具有某些优势。由于该设计所包含的内容很广泛，在正式的开始写之前，本人首先查阅过很多关于DSP方面的资料，以利于对该课题有了一个很全面的宏观把握，并且与指导老师进行沟通，只有这样才会对自己的课题有一个更深入的了解。在了解课题以后，接下来本人通过各种途径收集关于课题的资料。通过这些资料，可以在学习前人成果的基础上，对自己课题做好充分的扩展和发挥。本课题主要设计方案是从硬件设计和软件编程两个方面来完成设计目的，选用TI公司TMS320VC5402定点数字信号处理芯片作为CPU。硬件方面设计主要原理是：通过信号发送器产生的02V模拟信号，经过AD采样，送到DSP进行FFT数字处理等过程后，由DA将数字信号转化成模拟信号，在通过示波器来显示，完成频谱分析，其间的时序控制和地址码编译由CPLD完成。软件方面主要工作是：FFT算法编程、A/D和D/A编程、仿真器在线FLASH编程和CPLD编程。参考文献： 1王琦频谱分析仪的原理J中国无线电管理，2000（1）:2325 2魏凤英频谱分析仪的原理、维修以及发展趋势J电磁场与微波，2006，36(7):3941 3王贵基于DSP的频谱分析仪的设计J华南师范大学学报（自然科学版），2009 4杜艳生, 谢克明, 杨斌虎. 基于DSP的数据采集及FFT实现J太原理工大学学报, 2004(5): 279-281 5杨文志，谌文俊，谭浩广基于DSP的AR谱估计的实现J制造业自动化，2011,33（9）:46 6天津第二仪器厂国外频谱分析仪发展概况J电子测量技术，1997(3):916 7宋宁，关华经典功率谱估计及其仿真J现代电子技术，2008(11):159 8聂祥飞基于MATLAB的线性法功率谱估计仿真J重庆三峡学院学报（自然科学版）， 2001,17:149 9杨太，张荣龙，袁晓华随机信号功率谱估计新技术，2001 10Texas I