【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文基于DSP的譜分析儀設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名： 班 級：電自0913 學(xué) 號： 指 導(dǎo) 教 師： 所 在 單 位： 電氣工程學(xué)院 答 辯 日 期： 2013年 6月 24日 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文摘 要隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，基于數(shù)字信號處理的頻譜分析已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域并發(fā)揮著重要作用。頻譜分析儀對于信號分析來說是必不可少的，它可以利用頻率對信號進(jìn)行分析。頻譜分析儀可應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如通訊發(fā)射機(jī)以及干擾信號的測量，頻譜的監(jiān)測，器件的特性分析等，但各行各業(yè)對其性能要求也不盡相同。本課題主要做了以下工作：首先，本文介紹了頻譜分析儀的作用、課題背景、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢；然后，設(shè)計(jì)了以TI公司的定點(diǎn)數(shù)字信號處理器（DSP）TMS320VC5402為CPU的開發(fā)系統(tǒng)，包括復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、存儲器擴(kuò)展、電源模塊、AD采樣、DA單元、JTAG等的設(shè)計(jì)；由于CPU采用FFT算法，所以詳細(xì)介紹了FFT的原理以及其在TMS320VC5402上的實(shí)現(xiàn)。最后，簡要介紹了用于開發(fā)DSP的集成開發(fā)環(huán)境CCS。關(guān)鍵詞：TMS320VC5402；頻譜分析；FFT；功率譜AbstractWith the rapid development of puter and microelectronics 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, such as munication 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 of a spectrum analyzer, topic background, present situation and development trend。 Then, designed by TI pany39。s fixedpoint digital signal processor (DSP) TMS320VC5402 as CPU development system, including the reset 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. Finally, this paper briefly introduces the integrated development environment CCS for the development of DSP.Keywords：TMS320VC5402；Spectrum analyzer；FFT；Power spectrum目 錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題背景及其研究現(xiàn)狀 1 頻譜分析儀發(fā)展現(xiàn)狀 3 主要研究方法（手段） 4 設(shè)計(jì)方案介紹 5 本文安排如下 5第2章 TMS320VC5402芯片介紹 6 TMS320VC5402的主要特性 6 TMS320C54x的總線結(jié)構(gòu) 7 TMS320C54x的存儲器分配 8 TMS320C54x的中央處理單元（CPU） 9 TMS320C54x片內(nèi)外設(shè)簡介 13 TMS320VC5402引腳圖 14第3章 FFT原理及其實(shí)現(xiàn) 15 FFT原理 15 DFT原理 15 FFT算法的導(dǎo)出 16 實(shí)數(shù)序列的FFT 17 FFT算法 17 碼位倒置 17 W因子的生成及分布規(guī)律 17 蝶形運(yùn)算的基本原理 17 功率譜的計(jì)算 18 FFT在TMS320C54x上的實(shí)現(xiàn) 18 FFT實(shí)現(xiàn)的程序 18 FFT的仿真結(jié)果 18第4章 TMS320C54x DSP系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 20 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 20 電源設(shè)計(jì) 20 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 20 存儲器單元設(shè)計(jì) 21 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 22 JTAG接口 23 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器 24 該款A(yù)D的主要特性 24 該款A(yù)D的工作原理 24 該款A(yù)D的設(shè)計(jì)方案 25 D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器 25 邏輯控制 27第5章 CCS集成開發(fā)環(huán)境 28 CCS集成開發(fā)環(huán)境簡介 28 CCS的組成 28結(jié)論 31參考文獻(xiàn) 32致謝 33附錄I 34附錄II 35IV 第1章 緒 論 課題背景及其研究現(xiàn)狀隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，基于數(shù)字信號處理的頻譜分析已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域并發(fā)揮著重要作用。頻譜分析儀對于信號分析來說是必不可少的，它可以利用頻率對信號進(jìn)行分析。頻譜分析儀可應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如通訊發(fā)射機(jī)以及干擾信號的測量，頻譜的監(jiān)測，器件的特性分析等，但各行各業(yè)對其性能要求也不盡相同。利用頻譜分析儀不但能夠快速準(zhǔn)確地顯示信號頻譜、提供強(qiáng)大的測量動態(tài)范圍，而且能夠利用其所具有的各種測試功能對信號頻率、電平、信號頻譜純度及抗干擾特性進(jìn)行分析。頻譜分析儀（簡稱頻譜儀），顧名思義它的功能是確定一個(gè)變化過程（稱為信號）的頻率成分，以及各頻率成分之間的相對強(qiáng)弱關(guān)系。頻譜分析儀是對無線電信號進(jìn)行測量的必備手段，是從事電子產(chǎn)研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)的常用工具，因此，應(yīng)用十分廣泛，被稱為工程師的射頻萬用表。 傳統(tǒng)頻譜分析儀傳統(tǒng)的頻譜分析儀的前端電路是一定帶寬內(nèi)可調(diào)諧的接收機(jī)，輸入信號經(jīng)變頻器變頻后由低通濾波器輸出，濾波輸出作為垂直分量，頻率作為水平分量，在示波器屏幕上繪出坐標(biāo)圖，就是輸入信號的頻譜圖，由于變頻器可以達(dá)到很寬的頻率，例如30Hz~30GHz；與外部混頻器配合，可擴(kuò)展到100GHz以上。頻譜分析儀是頻率覆蓋最寬的測量儀器之一，無論測量連續(xù)信號或調(diào)制信號，頻譜分析儀都是很理想的測量工具。但是，傳統(tǒng)的頻譜分析儀也有明顯的缺點(diǎn)，它只能測量頻率的幅度，缺少相位信息，因此屬于標(biāo)量儀器而不是矢量儀器。 現(xiàn)代頻譜分析儀基于快速傅里葉變換（FFT）的現(xiàn)代頻譜分析儀，通過傅里葉運(yùn)算將被測信號分解成分立的頻率分量，達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的效果。這種新型的頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）對輸入信號取樣；再經(jīng)過FFT處理后獲得頻譜分布圖。在這種頻譜分析儀中，為獲得良好的儀器線性度和高分辨率，對信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，ADC的取樣率最少等于輸入信號最高頻率的兩倍，亦即頻率上限是100MHz的實(shí)時(shí)頻譜分析儀需要ADC有200MS/S的取樣率。目前半導(dǎo)體工藝水平可制成分辨率8位和取樣率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取樣率800MS/S的ADC，亦即，原理上儀器可達(dá)到2GHz的帶寬。為了擴(kuò)展頻率上限，可在ADC前端增加下變頻器；本振采用數(shù)字調(diào)諧振蕩器，這種混合式的頻譜分析儀可擴(kuò)展到幾GHz以下的頻段使用。FFT的性能用取樣點(diǎn)數(shù)和取樣率來表征，例如用100KS/S的取樣率對輸入信號取樣1024點(diǎn)，則最高輸入頻率是50KHz和分辨率是50Hz，如果取樣點(diǎn)數(shù)為2048點(diǎn)，則分辨率提高到25Hz。由此可知，最高輸入頻率取決于取樣率；分辨率取決于取樣點(diǎn)數(shù)。FFT運(yùn)算時(shí)間與取樣點(diǎn)數(shù)成對數(shù)關(guān)系，頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運(yùn)算時(shí)，要選用高速的FFT硬件，或者相應(yīng)的數(shù)字信號處理器（DSP）。例如，10MHz輸入頻率的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間80，而10KHz的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間變?yōu)?4,，屏幕的反應(yīng)變慢，不適于眼睛的觀察，補(bǔ)救辦法是減少取樣點(diǎn)數(shù)，使運(yùn)算時(shí)間降低至200以下。 用FFT計(jì)算信號頻譜的算法離散傅里葉變換X（k）可看作是z變換在單位圓上的等距高采樣值，同樣，X(k)也可看作是序列傅氏變換X()的采樣，采樣間隔位。由此看出，離散傅里葉變換實(shí)質(zhì)上是其頻譜的離散頻域采樣，對頻率具有選擇性（），在這些點(diǎn)上反映了信號的頻譜。根據(jù)采樣定律，一個(gè)頻帶有限的信號，可以對它進(jìn)行時(shí)域采樣而不丟失任何信息，F(xiàn)FT變換則說明對于時(shí)間有限的信號（有限長序列），也可以對其進(jìn)行頻域采樣，而不丟失任何信息。所以只要時(shí)間序列足夠長，采樣足夠密，頻域采樣也就可較好地反映信號的頻譜趨勢，所以FFT可以用以進(jìn)行連續(xù)信號的頻譜分析。頻譜分析主要就是將時(shí)域信號轉(zhuǎn)化為頻域進(jìn)行處理，一般要求使用時(shí)窗技術(shù)，如快速傅里葉變換（FFT）、離散傅里葉變換（DFT）等。如果采樣點(diǎn)為，直接DFT運(yùn)算需要次乘法操作，需要大量的運(yùn)算時(shí)間。20世紀(jì)60年代，Coolley和Tuckey提出了FFT，可以將運(yùn)算減少到（）log次乘法。因此，F(xiàn)FT成為頻譜分析的核心算法。信號的測量可以從頻域和時(shí)域兩個(gè)方面進(jìn)行，頻譜分析儀就是進(jìn)行信號頻域測量即頻譜分析的儀器設(shè)備。在實(shí)際工作中，一般處理的信號可以分為規(guī)則信號（確定性信號）和隨機(jī)信號（非確定性信號）兩類。規(guī)則信號可以用明確的數(shù)學(xué)關(guān)系式來描述，而隨機(jī)信號一般不可能用清楚的數(shù)學(xué)關(guān)系式來描述，也無法預(yù)測其未來瞬間的精確值，對于這些隨機(jī)性質(zhì)的數(shù)據(jù)只能用概率和統(tǒng)計(jì)平均的方法來描述，比如均值、均方差、方差、概率密度函數(shù)、概率分布函數(shù)、相關(guān)函數(shù)以及功率譜密度函數(shù)等。由于隨機(jī)信號的不確定性，所以它的電壓頻譜也是不確定的，但是對于常見的具有各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)信號，可以得到確定的相關(guān)函數(shù)，相關(guān)函數(shù)序列的量綱是功率單位，相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換或z變換就表示這類隨機(jī)信號的功率譜密度函數(shù)，簡稱功率譜。利用給定的N個(gè)樣本數(shù)據(jù)估計(jì)一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)信號的功率譜密度叫做譜估計(jì)。功率譜估計(jì)（PSD）是利用給定的一組樣本數(shù)據(jù)估計(jì)一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)信號的功率譜密度，它能給出被分析對象的能量隨頻率分布的情況。在雷達(dá)信號處理中可以根據(jù)回波信號的功率譜密度、譜峰的寬度、高度和位置可以確定運(yùn)動目標(biāo)的位置、輻射強(qiáng)度和運(yùn)動速度。功率譜估計(jì)是數(shù)字信號處理的重要研究內(nèi)容之一。功率譜估計(jì)可以分為經(jīng)典譜估計(jì)（非參數(shù)估計(jì)）和現(xiàn)代譜估計(jì)（參數(shù)估計(jì)）。經(jīng)典的功率譜估計(jì)有2種：一種是直接法；另一種是間接法。直接法就是先計(jì)算N個(gè)數(shù)據(jù)的傅里葉變換，然后取頻域和其共軛的乘積得到功率譜；間接法則是先計(jì)算N個(gè)樣本數(shù)據(jù)的估計(jì)自相關(guān)函數(shù)，然后再計(jì)算自相關(guān)數(shù)據(jù)的傅里葉變換得到功率譜。間接法的主要方法有最大熵譜分析法（AR模型法）、Pisarenko諧波分解法、Prony提取極點(diǎn)法、Prony譜線分解法以及Capon最大似然法。 頻譜分析儀發(fā)展現(xiàn)狀30年代末期，第一代掃頻式頻譜儀誕生。60年代末期，可以為頻譜儀提供頻率和幅度的校準(zhǔn)，前端預(yù)選的頻譜儀問世，它標(biāo)志著頻譜儀從此進(jìn)入了定量測試的時(shí)代。70年代末，隨著集成電路技術(shù)，快速A/D變換技術(shù)，頻率合成技術(shù)，數(shù)字存儲技術(shù)，尤其是微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展，頻譜儀的技術(shù)指標(biāo)大幅度提高。頻率范圍擴(kuò)展到100Hz~20GHz，分辨力帶寬達(dá)到10Hz?，F(xiàn)在，頻譜分析儀的測量頻率范圍已達(dá)到30Hz~50GHz，外混頻可以擴(kuò)展到mm波波段，分辨力帶寬從1Hz~3MHz，測量信號的動態(tài)范圍100dB，顯示平均噪聲110dBm。頻譜分析儀的發(fā)展有兩個(gè)趨勢：在高頻、超高頻和微波頻段是全景顯示或倍頻程掃描，在低頻和超低頻則是實(shí)時(shí)分析。低頻頻譜分析儀向著數(shù)字分析、快速實(shí)時(shí)分析發(fā)展；高頻和微波頻普儀向著寬掃頻、全景顯示發(fā)展。但無論是高頻還是低頻頻譜儀都是向著寬的頻率范圍、高靈敏度及平坦的響應(yīng)、寬的分析譜寬，并具有平坦的幅度響應(yīng)、窄的分辨帶寬和低的波形因數(shù)、寬的動態(tài)范圍與測量范圍以及良好的頻譜顯示純度發(fā)展，想著固體話、高穩(wěn)定性和可靠性、操作簡單、使用方便、價(jià)格低廉以及高的抗干擾性能、多功能綜合測試和自動測試，向著定量分析發(fā)展。衡量頻譜分析儀優(yōu)劣的一些主要技術(shù)指標(biāo)有：（1） 輸入頻率范圍指頻譜分析儀能夠正常工作的最大頻率區(qū)間，以Hz表示該范圍的上限和下限，由掃描本振的頻率范圍決定。現(xiàn)代頻譜儀的頻率范圍通?？蓮牡皖l段至射頻段，甚至微波段。~650MHz；MS2711D的頻率范圍60K~3GHz，而Anritsu安立的MS2665C頻譜儀輸入頻率范圍：9KHz~，整體而言，目前輸入頻率范圍有所擴(kuò)大。（2） 分辨力帶寬指分辨頻譜中兩個(gè)相鄰分量之間的最小譜線間隔，單位是Hz。MS2711D的頻譜儀的分辨力帶寬60Hz~1MHz。（3） 靈敏度指在給定分辨力帶寬、顯示方式和其他影響因素下，頻譜儀顯示最小信號電平的能力，以dBm、dBu、dBv、V等單位表示。ATTEN的AT606的靈敏度為1dB。（4