〈新〉简易频谱分析仪1.doc

简易频谱分析仪[2005年电子大赛二等奖] 文章来源：凌阳科技教育推广中心 作者：国防科技大学 李楠 刘亮 李俊 ????发布时间：2006-8-30 11:46:44 摘要：本设计以凌阳16位单片机SPCE061A为核心控制器件，配合Xilinx Virtex-II FPGA及Xilinx公司提供的硬件DSP高级设计工具System Generator，制作完成本数字式外差频谱分析仪。前端利用高性能A/D对被测信号进行采集，利用FPGA高速、并行的处理特点，在FPGA内部完成数字混频，数字滤波等DSP算法。SPCE061A单片机是整个设计的核心控制器件，根据从键盘接受的数据控制整个系统的工作流程，包括控制FPGA工作以及控制双路D/A在模拟示波器屏幕上描绘频谱图。人机接口使用128×64液晶和4×4键盘。本系统运行稳定，功能齐全，人机界面友好。关键字：SPCE061A?? 简易频谱分析仪 一、方案论证　　频谱分析仪是在频域上观察电信号特征，并在显示仪器上显示当前信号频谱图的仪器。从实现方式上可分为模拟式与数字式两类方案，下面对两种方案进行比较：　　方案一 ：模拟式频谱分析仪　　模拟方式的频谱仪以模拟滤波器为基础，通常有并行滤波法、顺序滤波法，可调滤波法、扫描外差法等实现方法，现在广泛应用的模拟频谱分析仪设计方案多为扫描外差法，此方案原理框图如图1.1： 图 1.1 模拟外差式频谱仪原理框图 　　图中的扫频振荡器是仪器内部的振荡源，当扫频振荡器的频率 在一定范围内扫动时，输入信号中的各个频率分量 在混频器中产生差频信号（ ），依次落入窄带滤波器的通带内（这个通带是固定的），获得中频增益，经检波后加到Y放大器，使亮点在屏幕上的垂直偏移正比于该频率分量的幅值。由于扫描电压在调制振荡器的同时，又驱动X放大器，从而可以在屏幕上显示出被测信号的线状频谱图。这是目前常用模拟外差式频谱仪的基本原理。模拟外差式频谱仪具有高带宽和高频率分辨率等优点，但是模拟器件调试复杂，短期实现有难度，尤其是在对频谱信息的存储和分析上，逊色于新兴的数字化频谱仪方案。　　方案二：数字式频谱分析仪　　数字式频谱仪通常使用高速A/D采集当前信号，然后送入处理器处理，最后将得到的各频率分量幅度值数据送入显示器显示，其组成框图如图1.2： ??图 1.2 数字式频谱仪组成框图 　　按照对信号处理方式的不同，数字式频谱仪可分为以下三种：　　(1)基于FFT技术的数字频谱仪：　　这种频谱仪利用快速傅里叶变换可以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结果。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FFT处理后获得频谱分布图。FFT技术的数字式频谱分析仪在速度上明显超过传统的模拟式频谱分析仪，能够进行实时分析。但由于FFT所取的是有限长度，运算的点数也是有限的，因此，实现高扫频宽度和高频率分辨率需要高速A/D转换器和高速数字器件的配合。　　(2)基于数字滤波法的数字式频谱仪　　这种频谱仪原理上等同于模拟频谱仪中的并行滤波法或可调滤波法，通过设置多个窄带带通数字滤波器，或是中心频率可变的带通数字滤波器，提取信号经过数字滤波器的幅度值，实现测量信号频谱的目的，该方法受到数字器件资源的限制，无法设置足够多的数字滤波器，从而无法实现高频率分辨率和高扫频宽度。　　(3)基于外差原理的数字式频谱仪　　数字式外差原理是把模拟外差式频谱分析仪中的各模块利用数字可编程器件实现，其原理框图如图1.3： 图1.3? 基于外差原理的数字式频谱仪原理框图 　　信号经高速A/D采集送入处理器，通过硬件乘法器与本地由DDS产生的本振扫频信号混频，变频后信号不断移入低通数字滤波器，然后提取通过低通滤波器的信号幅度，根据当前频率和提取到的幅度值，即可以绘制当前信号频谱图。　　该方案利用数字器件实现传统方式上的外差式扫频仪，不但提高了速度，同时还可以对频谱信息实现存储和分析。理论上，只要数字滤波器的阶数足够高，频率分辨率可以做到很小，相比FFT数字频谱仪方案和数字滤波法，系统中只要使用一个固定截止频率的低通滤波器，消耗资源少，同时可以省去大容量的存储器，这就在保证系统精度的前提下提高了系统集成度，节省了宝贵的片内资源。　　鉴于系统要求基于超外差原理设计频谱分析仪，权衡超外差频谱仪的模拟方案与数字方案，本系统采取方案二中的数字外差法方案。 二、 详细软硬件设计　　系统采用XILINX VIRTEX-II 100万门的FPGA，将本振扫频，混频，放大，低通滤波，提取峰值等工作全部数字化实现。控制方面，由凌阳单片机SPCE061A作为控制核心，实现人机接口和最后频谱图的模拟示波器显示，系统构成框图如图2.