基于DSP的谱分析仪设计

1、LULIANG UNIVERSITY分类号： 密 级: 论文设计 题 目: 基于DSP的谱分析仪 系 别: 物 理 系 专业年级: 电子信息工程2013级 姓 名: 马淑敏 学 号: 20130506117 指导教师: 庞淑蓉 2015年11月14日基于DSP的谱分析仪设计摘要随着计算机和微电子技术的飞速发展，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。本课题主要做了以下工作：首先，本文介绍了频谱分析仪的作用、课题背景、现状及发展趋势；然后，设计了以TI公司的定点数字信号处理器（DSP）TMS320VC5402为CPU的开发系统，包括复位电路、时钟电路、存储器扩展、电源模块、

2、AD采样、DA单元、JTAG等的设计；由于CPU采用FFT算法，所以详细介绍了FFT的原理以及其在TMS320VC5402上的实现。关键词：TMS320VC5402；频谱分析；FFT；功率谱AbstractWith the rapid development of computer and microelectronics technology, spectrum analysis based on digital signal processing (DSP) has been applied to various fields and play an important role.This

3、 topic mainly done the following work: first of all, this paper introduces the role of a spectrum analyzer, topic background, present situation and development trend; Then, designed by TI company's fixed-point digital signal processor (DSP) TMS320VC5402 as CPU development system, including the r

4、eset circuit, clock circuit, memory expansion, a power supply module, AD sampling, DA units, such as JTAG design; Due to the CPU adopts FFT algorithm, so the principle of FFT is introduced and its implementation on TMS320VC5402. Keywords：TMS320VC5402；Spectrum analyzer；FFT；Power spectrum目 录1 引言12 TMS

5、320VC5402 DSP介绍23 FFT原理及其实现33.1 FFT原理33.2 FFT算法33.2.1 码位倒置33.2.2 W因子的生成及分布规律33.2.3 蝶形运算的基本原理43.2.4 功率谱的计算44 系统设计55 CCS集成开发环境8结 论9参考文献10基于DSP的谱分析仪设计1 引言随着电子技术的发展和新型器件的出现，频谱分析仪成为通信、雷达、遥控、导航领域必不可少的信号分析仪器。利用频谱分析仪不但能够快速准确地显示信号频谱、提供强大的测量动态范围，而且能够利用其所具有的各种测试功能对信号频率、电平、信号频谱纯度及抗干扰特性进行分析。频谱分析仪是对无线电信号进行测量的必备手段

6、，是从事电子产研发、生产、检验的常用工具，因此，应用十分广泛，被称为工程师的射频万用表。频谱分析主要就是将时域信号转化为频域进行处理，一般要求使用时窗技术，如快速傅里叶变换（FFT）、离散傅里叶变换（DFT）等。如果采样点为，直接DFT运算需要次乘法操作，需要大量的运算时间。20世纪60年代，Coolley和Tuckey提出了FFT，可以将运算减少到（）log次乘法。因此，FFT成为频谱分析的核心算法。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

7、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，再通过示波器来显示，完成频谱分析。具体原理图如图1所示。图1 原理图2 TMS320VC5402 DSP介绍DSP处理器型号众多，本设计选用的是TI公司的TMS320VC5402芯片。TMS320C54x是TI公司于1996年推出的第一代定点数字信号处理器。它作为TI公司为实现低功耗、高速实时信号处理而专门设计的16位定点DSP，成为当前TMS320C5000系列DSP中最为广泛应用且最为成熟的处理器。详细结构见参考文献56。TMS320C54x DSP采用先进的哈佛结构和8总线结构，其独立的程序总线和数据总线允

8、许同时读取指令和操作数，实现高度的并行操作。采用各自分开的数据总线分别用于读数据和写数据，允许CPU在同一个机器周期内进行两次读操作和一次写操作。独立的程序总线和数据总线允许CPU同时访问程序指令和数据。TMS320C54x的总存储空间为192K字，由3个独立的可选择空间组成：64K字程序空间、64K字数据空间、64K字I/O空间。程序存储器空间存放要执行的指令和执行中所用的系数表。数据存储器空间存放执行指令所要用的数据。I/O存储器空间可与存储器映射外围设备相接口，也可以作为附加的数据存储器空间使用。中央处理单元（CPU）是DSP芯片的核心部件，它的性能直接关系到DSP器件的性能。TMS32

9、0C54x的并行结构设计特点，使其能在一条指令周期内，高速地完成多项算术运算。CPU的基本组成如下：40bit算术逻辑运算单元（ALU）；2个40bit累加器A和B；1个40bit桶形移位寄存器；乘法器/加法器单元（MAC）；比较、选择和存储单元（CSSU）；指数编码器；CPU状态和控制寄存器；两个地址发生器。TMS320C54x拥有完善的片内外设，可完成丰富的功能，组成如下：通用I/O引脚、定时器、时钟发生器、主机接口（HPI）、串行口、软件可编程等待状态发生器、可编程块切换逻辑、直接存储器访问控制器。TMS320VC5402共有144个引脚，按照功能可将其引脚分为10部分，分别为数据信号、

10、初始化、中断和复位操作信号、多处理器信号、存储器控制信号、振荡器/定时器信号、多通道缓冲串行口信号、混杂信号、主机接口（HPI）信号、电源引脚和IEEE1149.1测试引脚。3 FFT原理及其实现3.1 FFT原理快速傅里叶变换（FFT）是一种高效实现离散傅里叶变换的算法，在数字信号处理系统中，FFT作为一个非常重要的工具经常被使用，甚至成为DSP运算能力的一个考核因素。离散傅里叶变换的目的是把信号由时域变换到频域，从而可以在频域分析处理信息，得到的结果再由傅里叶逆变换到时域。FFT算法分为时间抽取FFT（DIT）和频率抽取FFT（DIF），本设计采用了DIT，所以着重讨论DIT的原理。DIT

11、是将N点的输入序列x(n)按照偶数和奇数分解为偶序列和奇序列，因此，x(n)的N点FFT可表示为： （3-1）用Y(k)和Z(k)分别表示（3-1）右边的第一个和第二个和式，则有 （3-2）Y(k)和Z(k)的周期为N/2，所以k的范围为0N/2-1。3.2 FFT算法3.2.1 码位倒置FFT的码位倒置实际上是将输入数据进行位倒序，以便在输出时得到正确的序列，以N=8为例说明码位倒置的原理。设输入序列为x(n)，对N=8，其自然序列号是0，1，2，3，4，5，6，7。第一次按奇、偶分开，得到两组N/2点的DFT，x(n)的序列号为 0，2，4，6 ¦ 1，3，5，7对每一组再按奇、

12、偶分开，这时应将每一组按自然顺序排列，故抽取后得到四组，每组序号为 0，4 ¦ 2，6 ¦ 1，5 ¦ 3，73.2.2 W因子的生成及分布规律在FFT中，乘法主要来自旋转因子，因为=cos（）-jsin（），所以在对相乘时，必须产生相应的正、余弦函数。在编程时，正、余弦函数产生的方法一般有两种：一种是在每一步直接产生，另一种是在程序开始前预先计算出，将=0，1，这个独立的值存于数组中，等效于建立了一个正、余弦函数“表”，在程序执行时可直接查“表”得到。这样可以提高运算速度，但要占用更多的内存。每一级因子分布有如下规律： 级， 级，1 级，1，2，3 : : :

13、: : : 级，1，2，因此，可以得出因子的一般分布规律为 第级，1，2，3.2.3 蝶形运算的基本原理对于任何一个2的整数幂，总可以通过次分解后成为2点的DFT计算。这样的次分解，也就构成了从x(n)到的（即log）级迭代计算，每级由个蝶形运算组成。可以得到计算方程： （3-3） （3-4）完成点的DFT计算需要log级迭代运算，那么计算256个点的DFT就要8级迭代运算。3.2.4 功率谱的计算用FFT计算x(n)的频谱，即计算 （3-5）一般是实部和虚部组成的复数，即 =+j （3-6）因此，只需要将FFT变换好的数据按照虚部的平方加上实部的平方，然后再对得到的数据进行开方，就能得到功率

14、谱密度。4 系统设计由于TMS320VC5402核电压为1.8V，端口电压为3.3V，外围器件为5V。其他器件的提供电压在3.3V，因此，选择TPS767D318将5V变为1.8V和3.3V，供给各个器件。存储单元使用一片FLASH和一片SDRAM，其中FLASH采用AMD公司的AM29LV200B存储芯片，SDRAM采用ISSI公司的IS61C6416。A/D转换器在DSP外围电路设计中，需要根据设计的需要选用合适的AD，本设计中采用AD公司的AD9201型号。AD9201是一款双通道的10bit，采样率为20MHz的CMOS ADC，还集成了两个输入缓冲放大器，一个内部电压参考和多路数字输

15、出缓冲器。AD9201集成了两个AD转换器I/Q，它们在CLOCK时钟输入信号上升沿时，将同时采样接收到的输入信号，而且这两个转换器将转换操作分配到几个不同的小A/D子块上处理，以逐步提高转换精度；还集成了两个模拟输入缓存；一个内部参考；一个参考缓存和一个输出复用器。一个采样保持功能，在每个阶段，容许一个新的采样进来，第一个阶段被操作，而且下一个阶段还可继续处理前面的采样，这种“管线处理”使得在一个采样进来和相应输出到输出缓存之间，存在三个时钟周期。AD9201集成输入缓存放大器来驱动输入模拟信号的转换，每个A/D转换器都有它自己的输出锁存器，当输入时钟信号上升沿来临，锁存器将会得到更新。逻辑

16、复用器是由SELECT决定输出情况，其输出可由CHIP-SELECT来设定其是否处于高阻态。AD9201在供电方面是比较灵活的，从2.7V5.5V，可以相互独立供电。AD9201有不同的输入方式，本设计是采用输入信号在02V，参考电压为2V。具体的设计图如02V模拟信号输入的原理图。图2 02V模拟信号输入的原理图D/A单元负责把DSP处理的数据转换为模拟输出，采用TI公司为DSP外围设备配套的一种D/A转换器TLV5617A。该转换器是双10位电压输出数模转换器，具有灵活的3线串行接口。串行接口与TMS320、SPIE、QSPI和Microwire串行兼容。它是一个可编程16位串行字符，其中

17、4位控制位和10位数据位。单电源供电从2.7V至5.5V。下图是时序图，在CS低电平有效时，当SCLK脉冲下降沿来临前，DIN数据开始读了，来临之后数据处于保持状态，具体如图3所示。图3 时序图逻辑控制部分是系统的核心管理中心，本系统采用Xilinx公司的可编程逻辑器件XC95108实现逻辑控制。该XC95108是一个高性能的可编程逻辑器件，提供先进的系统内编程和测试能力，是一款通用逻辑集成由6个36V18功能块，可提供2400个可编程的门，其传播延迟为7.5ns。高位地址A0A4、A16A19经过译码器和IS#、PS#、DS#组成FLASH、SDRAM、ADC、DAC、UART、CAN模块的

18、片选信号，用来分配地址，IOSTRB、MSTRB、R/W#组成FLASH、SDRAM、ADC、DAC、UART、CAN模块的读写信号，用来控制这些模块的输入输出。整个电路外设IO地址如表1所示。表1 IO端口地址外设LEDOLEDIKEYDA-ADA-BADCAN-CSCAN-ALE地址0x00000x00010x00020x00030x00040x00050x00060x0007外设 UART5 CCS集成开发环境 CCS是TI公司为TMS320系列DSP软件开发推出的集成开发环境。CCS工作在Windows操作系统下，类似于Visual C+的集成开发环境，采用图形接口界面，提供了环境配置

19、、工程管理工具、源文件编辑、程序调试、跟踪和分析等工具，可以帮助用户在一个软件环境下完成编辑、编译、链接、调试和数据分析等工作。 CCS有两种工作模式：第一种是软件模拟器模式，即脱离DSP，在PC上模拟DSP的指令集和工作机制，主要用于前期算法实现和调试；第二种是硬件在线编程模式，即实时运行在DSP上，与硬件开发板相结合在线编程和调试应用程序。结 论 本文的主要设计任务是基于DSP的谱分析仪设计，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，再通过示波器来显示，完成频谱分析。该设计在原理上比较简单，功能也比较单一，仅仅完成频谱分析，精度有所提高，性价比不错。而且可以在研究频谱分析的基础上进一步扩展外围设备，例如添加键控单元，可以完成单