1、本 科 毕 业 设 计 论 文基于 DSP的谱分析仪设计学 生 姓 名：班 级： 电自 0913学 号：指 导 教 师：所 在 单 位： 电气工程学院答 辩 日 期： 2013 年 6 月 24 日I东北电力大学本科毕业设计论文摘 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。频谱分析仪对于信号分析来说是必不可少的，它可以利用频率对信号进行分析。频谱分析仪可应用于诸多领域，如通讯发射机以及干扰信号的测量，频谱的监测，器件的特性分析等，但各行各业对其性能要求也不尽相同。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
2、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、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。最后，简要介绍了用于开发 DSP 的集成开发环境 CCS。关键词：TMS320VC5402；频谱分析；FFT ；功率谱II东北电力大学本科毕业设计论文AbstractWith the rapid development of computer and microelectronics
3、technology, spectrum analysis based on digital signal processing (DSP) has been applied to various fields and play an important role. A spectrum analyzer for the signal analysis is indispensable, it can make use of frequency analysis of signals. A spectrum analyzer can be applied to many fields, suc
4、h as communication transmitter and the interfering signal measurement, spectrum monitoring, device characteristics analysis and so on, but in all walks of life to its performance requirements are also different.This topic mainly done the following work: first of all, this paper introduces the role o
5、f a spectrum analyzer, topic background, present situation and development trend; Then, designed by TI companys fixed-point digital signal processor (DSP) TMS320VC5402 as CPU development system, including the reset circuit, clock circuit, memory expansion, a power supply module, AD sampling, DA unit
6、s, such as JTAG design; Due to the CPU adopts FFT algorithm, so the principle of FFT is introduced and its implementation on TMS320VC5402. Finally, this paper briefly introduces the integrated development environment CCS for the development of DSP.Keywords：TMS320VC5402；Spectrum analyzer；FFT；Power sp
7、ectrumIII东北电力大学本科毕业设计论文目 录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题背景及其研究现状 .11.2 频谱分析仪发展现状 .31.3 主要研究方法（手段） .41.4 设计方案介绍 .51.5 本文安排如下 .5第 2 章 TMS320VC5402 芯片介绍 .62.1 TMS320VC5402 的主要特性 .62.2 TMS320C54x 的总线结构 .72.3 TMS320C54x 的存储器分配 .82.4 TMS320C54x 的中央处理单元（ CPU） .92.5 TMS320C54x 片内外设简介 .132.6 TMS320VC5402
8、引脚图 .14第 3 章 FFT 原理及其实现 .153.1 FFT 原理 .153.1.1 DFT 原理 .153.1.2 FFT 算法的导出 .163.1.3 实数序列的 FFT .173.2 FFT 算法 .173.2.1 码位倒置 .173.2.2 W 因子的生成及分布规律 .173.2.3 蝶形运算的基本原理 .173.2.4 功率谱的计算 .183.3 FFT 在 TMS320C54x 上的实现 .183.3.1 FFT 实现的程序 .183.3.2 FFT 的仿真结果 .18第 4 章 TMS320C54x DSP 系统硬件设计 .204.1 系统设计要求 .204.2 电源设计
9、 .204.3 时钟电路设计 .204.4 存储器单元设计 .214.5 复位电路设计 .224.6 JTAG 接口 .234.7 A/D 模数转换器 .244.7.1 该款 AD 的主要特性 .244.7.2 该款 AD 的工作原理 .244.7.3 该款 AD 的设计方案 .254.8 D/A 数模转换器 .254.9 逻辑控制 .27第 5 章 CCS 集成开发环境 .28IV东北电力大学本科毕业设计论文5.1 CCS 集成开发环境简介 .285.2 CCS 的组成 .28结论 .31参考文献 .32致谢 .33附录 I.34附录 II .35东北电力大学本科毕业设计论文1第 1 章 绪
10、 论1.1 课题背景及其研究现状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。频谱分析仪对于信号分析来说是必不可少的，它可以利用频率对信号进行分析。频谱分析仪可应用于诸多领域，如通讯发射机以及干扰信号的测量，频谱的监测，器件的特性分析等，但各行各业对其性能要求也不尽相同。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 。1频谱分析仪（简称频谱仪） ，顾名思义它的功能是确定一个变化过程（称为信号）的频率成分，以及各频率成分之间的相对强弱关系
11、 。2频谱分析仪是对无线电信号进行测量的必备手段，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 。31、传统频谱分析仪传统的频谱分析仪的前端电路是一定带宽内可调谐的接收机，输入信号经变频器变频后由低通滤波器输出，滤波输出作为垂直分量，频率作为水平分量，在示波器屏幕上绘出坐标图，就是输入信号的频谱图，由于变频器可以达到很宽的频率，例如 30Hz30GHz；与外部混频器配合，可扩展到 100GHz 以上。频谱分析仪是频率覆盖最宽的测量仪器之一，无论测量连续信号或调制信号，频谱分析仪都是很理想的测量工具。但是，传统的频谱分析仪也有明显的缺点，它只能测量频率的幅
12、度，缺少相位信息，因此属于标量仪器而不是矢量仪器。2、现代频谱分析仪基于快速傅里叶变换（FFT）的现代频谱分析仪，通过傅里叶运算将被测信号分解成分立的频率分量，达到与传统频谱分析仪同样的效果。这种新型的频谱分析仪采用数字方法直接由模拟数字转换器（ADC）对输入信号取样；再经过 FFT 处理后获得频谱分布图。在这种频谱分析仪中，为获得良好的仪器线性度和高分辨率，对信号进行数据采集时，ADC 的取样率最少等于输入信号最高频率的两倍，亦即频率上限是 100MHz 的实时频谱分析仪需要 ADC 有 200MS/S 的取样率。目前半导体工艺水平可制成分辨率 8 位和取样率 4GS/S 的 ADC 或者分
13、辨率 12 位和取样率 800MS/S 的 ADC，亦即，原理上仪器可达到 2GHz 的带宽。为了扩展频率上限，可在 ADC 前端增加下变频器；本振采用数字调谐振荡器，这种混合式的频谱分析仪可扩展到几 GHz 以下的频段使用。东北电力大学本科毕业设计论文2FFT 的性能用取样点数和取样率来表征，例如用 100KS/S 的取样率对输入信号取样 1024 点，则最高输入频率是 50KHz 和分辨率是 50Hz，如果取样点数为 2048 点，则分辨率提高到 25Hz。由此可知，最高输入频率取决于取样率；分辨率取决于取样点数。FFT 运算时间与取样点数成对数关系，频谱分析仪需要高频率、高分辨率和高速运
14、算时，要选用高速的 FFT 硬件，或者相应的数字信号处理器（DSP） 。例如， 10MHz 输入频率的 1024 点的运算时间 80 ，而s10KHz 的 1024 点的运算时间变为 64 ,1KHz 的 1024 点的运算时间增加至 640ms.但运算时间超过 200 时，屏幕的反应变慢，不适于眼睛的观察，补救办mss法是减少取样点数，使运算时间降低至 200 以下。3、用 FFT 计算信号频谱的算法离散傅里叶变换 X（k）可看作是 z 变换在单位圆上的等距高采样值，同样，X(k)也可看作是序列傅氏变换 X( )的采样，采样间隔位 。由此看ej N/2出，离散傅里叶变换实质上是其频谱的离散频
15、域采样，对频率具有选择性（） ，在这些点上反映了信号的频谱。Nk/2根据采样定律，一个频带有限的信号，可以对它进行时域采样而不丢失任何信息，FFT 变换则说明对于时间有限的信号（有限长序列） ，也可以对其进行频域采样，而不丢失任何信息。所以只要时间序列足够长，采样足够密，频域采样也就可较好地反映信号的频谱趋势，所以 FFT 可以用以进行连续信号的频谱分析。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 ，N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，2NCoolle
16、y 和 Tuckey 提出了 FFT，可以将运算减少到（ ）log 次乘法。因2/N此，FFT 成为频谱分析的核心算法 。64信号的测量可以从频域和时域两个方面进行，频谱分析仪就是进行信号频域测量即频谱分析的仪器设备 。7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
17、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，相关函数序列东北电力大学本科毕业设计论文3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 。8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9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（
18、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10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。1.2 频谱分析仪发展现状30 年代末期，第一代扫频式频谱仪诞生。60 年代末期，可以为频谱仪提供频率和幅度的校准，前端预选的频谱仪问世，它标志着频谱仪从此进入了定量测试的时代。70 年
19、代末，随着集成电路技术，快速 A/D 变换技术，频率合成技术，数字存储技术，尤其是微处理器技术的飞速发展，频谱仪的技术指标大幅度提高。频率范围扩展到 100Hz20GHz，分辨力带宽达到 10Hz。现在，频谱分析仪的测量频率范围已达到 30Hz50GHz，外混频可以扩展到 mm 波波段，分辨力带宽从 1Hz3MHz，测量信号的动态范围 100dB，显示平均噪声-110dBm。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
20、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，想着固体话、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 。1衡量频谱分析仪优劣的一些主要技术指标有 ：12东北电力大学本科毕业设计论文4（1）输入频率范围指频谱分析仪能够正常工作的最大频率区间，以 Hz 表示该范围的上限和下限，由扫描本振的频率范围决定。现代频谱仪的频率范围通常可从低频段至射频段，甚至微波段。ATTEN 的 AT606 的输入频率范围0.15650MHz；MS2
21、711D 的频率范围 60K3GHz，而 Anritsu 安立的 MS2665C频谱仪输入频率范围：9KHz26.2GHz ，整体而言，目前输入频率范围有所扩大。（2）分辨力带宽指分辨频谱中两个相邻分量之间的最小谱线间隔，单位是 Hz。MS2711D的频谱仪的分辨力带宽 60Hz1MHz。（3）灵敏度指在给定分辨力带宽、显示方式和其他影响因素下，频谱仪显示最小信号电平的能力，以 dBm、dBu、dBv、V 等单位表示。ATTEN 的 AT606 的灵敏度为 1dB。（4）动态范围指能以规定的准确度测量同时出现在输入端的两个信号之间的最大差值。ATTEN 的 AT606 的动态范围：-60+6d
22、Bm 。（5）频率扫描宽度（Span）另有分析谱宽、扫宽、频率量程、频谱跨度等不同叫法。频谱分析仪MS2711D 的频率扫描宽度：6Hz2.99GHz 。（6）扫描时间（Sweep Time）即进行一次全频率范围的扫描、并完成测量所需的时间，也叫分析时间。频谱分析仪 MS2711D 的扫描时间：全频宽时 =1.1s，0 频宽时 0.05ms20s。1.3 主要研究方法（手段）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
23、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13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，送到东北电力大学本科毕业设计论文5DSP 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，其间的时序控制和地址码编译由 CPLD 完成。
24、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。具体设计图如附录 I。1.4 设计方案介绍本课题是采用中断查询的方式来控制时序，主要有AD、DA、CPU、CPLD 、 JTAG、FLASH、RAM 等组成，数据的处理是在CPU 里进行，由于 CPU 是采用 FFT 数字信号处理技术，数据量比较大，需要存储器来存储，而整个过程的时序控制由 CPLD 来控制。具体原理图如图 1-1所示。存 储 器AD DSP DA 模 拟 输 出模 拟 输 入 电 压 变 换CPLD JTAG图 1-1 原理图1.5 本文安排如下本文主要由六个章节组成
25、，第一章是绪论，主要介绍了本课题的研究背景及研究意义，同时也介绍了频谱分析仪目前在国内外的研究现状和发展趋势，以及简要说明了本论文的主要研究内容和方法；第二章到第四章是本文的核心，第二章着重介绍了数字信号处理器 TMS320VC5402 芯片的详细情况，即它的结构、特性、引脚及其各组成部分；第三章主要介绍了 FFT（快速傅里叶变换）的原理及其在 TMS320VC5402 DSP 上的实现，最后通过仿真软件 CCSv3.3 来得到仿真结果；第四章主要针对本论文的硬件部分进行了介绍，比如电源部分、复位电路、时钟电路、JTAG 等，以及所使用到的器件AD、DA、CPLD、FLASH 、SDRAM 等的特性、原理和连接情况进行了必要介绍；第五章则简要介绍了 DSP 的运行环境 CCS 集成开发环境，使得对 DSP 的
