【正文】 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。頻譜分析儀對(duì)于信號(hào)分析來(lái)說(shuō)是必不可少的，它可以利用頻率對(duì)信號(hào)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(hào)的測(cè)量，頻譜的監(jiān)測(cè)，器件的特性分析等，但各行各業(yè)對(duì)其性能要求也不盡相同。 Then, designed by TI pany39。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(hào)的測(cè)量，頻譜的監(jiān)測(cè)，器件的特性分析等，但各行各業(yè)對(duì)其性能要求也不盡相同。 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(hào)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(hào)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。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(duì)輸入信號(hào)取樣；再經(jīng)過(guò)FFT 處理后獲得頻譜分布圖。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 2 FFT 的性能用取樣點(diǎn)數(shù)和取樣率來(lái)表征，例如用 100KS/S 的取樣率對(duì)輸入信號(hào)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。 用 FFT 計(jì)算信號(hào)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( ?ej )的采樣，采樣間隔位 NN /2?? ? 。 頻譜分析主要就是將時(shí)域信號(hào)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 。 信號(hào)的測(cè)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(hào)頻域測(cè)量即頻譜分析的儀器設(shè)備 ]7[ 。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(hào)的功率譜密度叫做譜估計(jì) ]8[ 。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)）]10[。 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。 現(xiàn)在，頻譜分析儀的測(cè)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(cè)量信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍 100dB，顯示平均噪聲 110dBm。 衡量頻譜分析儀優(yōu)劣的一些主要技術(shù)指標(biāo)有 ]12[ ： （ 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 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 限，由掃描本振的頻率范圍決定。 MS2711D 的頻譜儀的分辨力帶寬 60Hz~1MHz。ATTEN 的 AT606 的動(dòng)態(tài)范圍： 60~+6dBm。頻譜分析儀 MS2711D 的掃描時(shí)間：全頻寬時(shí) =， 0 頻寬時(shí) ~20s。通過(guò)這些資料，可以在學(xué)習(xí)前人成果的基礎(chǔ)上，對(duì)自己課題做好充分的擴(kuò)展和發(fā)揮。具體設(shè)計(jì)圖如附錄 I。最后一章則指出了本論文的一些特點(diǎn)及其不足之處，并提出了一些改善方法，指明了下一步的研究方向。它作為 TI 公司為實(shí)現(xiàn)低功耗、高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理而專門設(shè)計(jì)的 16 位定點(diǎn) DSP，成為當(dāng)前 TMS320C5000 系列 DSP 中最為廣泛應(yīng)用且最為成熟的處理器 ]15[ 。獨(dú)立的程序總線和數(shù)據(jù)總線允許 CPU同時(shí)訪問(wèn)程序指令和數(shù)據(jù)。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 ? 4 條 地址 總線（ PAB、 CAB、 DAB 和 EAB） 4 條 地址 總線（ PAB、 CAB、 DAB 和 EAB）用于傳送執(zhí)行指令所需要的地址。 I/O 存儲(chǔ)器空間可與存儲(chǔ)器映射外圍設(shè)備相接口，也可以作為附加的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間使用 ]15[ 。復(fù)位后，這些向量可以被重新映射到程序存儲(chǔ)器空間中任何一個(gè) 128 字頁(yè)的開頭。 64K 字的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 映射寄存器 MMR， 0000H~001FH是常用的 CPU 寄存器地址， 0020H~005FH 是片內(nèi)外設(shè)寄存器的地址。有兩條指令 PORTR 和 PORTW，可以對(duì) I/O 存儲(chǔ)器空間訪問(wèn)，訪問(wèn)時(shí)，讀寫時(shí)序與程序存儲(chǔ)器空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間有很大不同。 CPU 的基本組成如下： 40bit 算術(shù)邏輯運(yùn)算單元 （ ALU）； 2 個(gè) 40bit 累加器A 和 B； 1 個(gè) 40bit 桶形移位寄存器；乘法器 /加法器單元（ MAC）；比較、選擇和存儲(chǔ)單元（ CSSU）；指數(shù)編碼器； CPU 狀態(tài)和控制寄存器；兩個(gè)地址發(fā)生器。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 圖 24 ALU 功能框圖 ? 累加器 TMS320C54x CPU 內(nèi)有兩個(gè) 40 位的累加器 A 和 B，它們用于存儲(chǔ) ALU 或乘法器 /加法器單元輸出的數(shù)據(jù)，也能輸出數(shù)據(jù)到 ALU 或乘法器 /加法器中。 桶形移位寄存器的輸入可以為： ?從 DB 獲得的 16 位操作數(shù)； ?從 DB 和CB 獲得的 32 位操作數(shù)； ?從累加器 A 或 B 獲得的 40 位操作數(shù)。其中硬件乘法器用來(lái)完成乘法運(yùn)算，專用加法器用來(lái)完成累加、取整、飽和等操作。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 圖 27 比較、選擇和存儲(chǔ)單元（ CSSU）功能框圖 ? 指數(shù)編碼器 指數(shù)編碼器是一個(gè)用于支持指數(shù)運(yùn)算指令的專用硬件，可以在單周期內(nèi)執(zhí)行EXP 指令，求出累加器中數(shù)的指數(shù)值。累加器的指數(shù)值等于累加器中冗余符號(hào)位的位數(shù)減 8，也就是為消除多余符號(hào)位而將累加器中的數(shù)值左移的位數(shù)。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 表 21 狀態(tài)寄存器 ST0 的位結(jié)構(gòu) 15~13 12 11 6 9 8~0 ARP TC C OVA OVB DP 表 22 狀態(tài)寄存器 ST1 的位結(jié)構(gòu) 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4~0 BRAF CPL XF HM INTM 0 OVM SXM C16 FRCT CMPT ASM 表 23 處理器方式狀態(tài)寄存器 PMST 的位結(jié)構(gòu) 15~7 6 5 4 3 2 1 0 IPTR MP/ MC_________ OVLY AVIS DROM CLKOFF SMUL SST ?地址發(fā)生器 TMS320C54x 中有兩個(gè)地址發(fā)生器：程序地址發(fā)生 器（ PAGEN）和數(shù)據(jù)地址發(fā)生器（ DAGEN），用來(lái)對(duì)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行尋址，產(chǎn)生所需的地址信息。其輸入電壓的絕對(duì)范圍是 ~+，除少數(shù)引腳外，其輸入電平是與 TTL 邏輯電平兼容的，因此 TMS320VC5402 的輸入引腳僅能與 的 CMOS 電路連接，不能與 5VTTL 電路、 5VCMOS 電路 連接。 快速傅里葉變換（ FFT） ]18[ 是計(jì)算 N 點(diǎn)離散傅里葉變換（ DFT）的高效算法，而 DFT 是數(shù)字信號(hào)處理中常用的一種算法，用來(lái)對(duì)信號(hào)頻譜進(jìn)行分析。 DFT 原理 DFT 是連續(xù)傅里葉變換的離散形式，模擬信號(hào) x(t)的連 續(xù)時(shí)間傅里葉變換表示為： X（ ? ） =???? )(tx etj?? dt （ 311） x(t)經(jīng)抽樣后變?yōu)?x(nT)， T 為抽樣周期。 DIT是將 N點(diǎn)的輸入序列 x(n)按照偶數(shù)和奇數(shù)分解為偶序列和奇序列，因此，x(n)的 N 點(diǎn) FFT 可表示為： )(kX = ???12/02)2(NnnkNWnx + ?????12/0)12()12(NnknNWnx （ 313） 根據(jù) 2NW = 2)/2( ][ Nje ?? = )2//(2 Nje ?? = 2/NW （ 314） 得： ? ????? ???12/012/0 2/2/ )12()2()(NnNnnkNkNnkN WnxWWnxkX （ 315） 用 Y(k)和 Z(k)分別表示（ 315）右邊的第一個(gè)和第二個(gè)和式，則有 )()()( kZWkYkX kN?? （ 316） Y(k)和 Z(k)的周期為 N/2，所以 k 的范圍為 0~N/21。 圖 32 基 2 DIT FFT 蝶形運(yùn)算 按照基 2DIT 計(jì)算 8 點(diǎn)信號(hào)的 FFT，信號(hào)流圖如圖 33 所示，從圖中可以看出輸入是順序的，而輸出是按照碼位倒置的順序排列的。第一次按奇、偶分開，得到 兩組 N/2 點(diǎn)的DFT， x(n)的序列號(hào)為 0， 2， 4， 6 166。 3， 7 W 因子的生成及分布規(guī)律 在 FFT 中，乘法主要來(lái)自旋轉(zhuǎn)因子，因?yàn)?rW =cos（ Nr/2? ） jsin（ Nr/2? ），所以在對(duì) rW 相乘時(shí)，必須產(chǎn)生相應(yīng)的正、余弦函數(shù)。這樣的 M 次分解，也就構(gòu)成了從 x(n)到 )(kX 的 M （即 logN2 ）級(jí)迭代計(jì)算，每級(jí)由 2/N 個(gè)蝶形運(yùn)算組成。 FFT 實(shí)現(xiàn)的程序 本設(shè)計(jì)采用 256 個(gè)數(shù)據(jù)為例來(lái)說(shuō)明 FFT 在 TMS320C54x 上的實(shí)現(xiàn)。 一個(gè)完整獨(dú)立的最小系統(tǒng)至少應(yīng)該包含以下內(nèi)容： 1） 系統(tǒng)上電可以獨(dú)立運(yùn)行用戶最終程序，不需依賴計(jì)算機(jī) /仿真器等設(shè)備開發(fā)。 電源 設(shè)計(jì) 由于 TMS320VC5402 核電壓為 ，端口電壓為 ，外圍器件為 5V。本系統(tǒng)采用的是外部振蕩方式 。 IS61C6416 是 1M（ 64K*16bit）、 5V 電壓高速靜態(tài) RAM，訪問(wèn)時(shí)間 15ns，三態(tài)輸出，在工藝制造方面使用了高性能的 CMOS 技術(shù)，創(chuàng)新的電路設(shè)計(jì)技術(shù)使得其具有穩(wěn)定可靠的處理能力，存取時(shí)間快，功耗低等特點(diǎn)。該器件采用 44 引腳 S0,48 引腳 TSOP 封裝，和 48ball FBGA封裝。 AM29LV200B具有 m? 制造工藝技術(shù)，負(fù)荷 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)，超低功耗（典型值 5MHz）。在系統(tǒng)加電過(guò)程中，當(dāng)內(nèi)核電壓和外圍端口電壓未達(dá)到要求的電平時(shí)，復(fù)位電路確 保 DSP 始終處于復(fù)位狀態(tài)。同時(shí)需要考慮到系統(tǒng)振蕩器達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)至少需要20ms，復(fù)位電路 至少需要產(chǎn)生 10 個(gè)機(jī)器周期，約為 21ms 低電平復(fù)位脈沖。 JTAG 硬件電路結(jié)合仿真器和仿真軟件（ Emulator），可以訪問(wèn) DSP 內(nèi)部的所有資源，包括片內(nèi)寄存器以及所有的存儲(chǔ)器，從而可提供實(shí)時(shí)硬件在線仿真與調(diào) 試的環(huán)境，便于開發(fā)人員進(jìn)行系統(tǒng)軟件調(diào)試。 1 23 45 67 89 1011 1213 14T M ST D IPD （ V c c ）T D OT C K R E TT C KE M U 0/T P S TGNDNo pi n （ ke y ）GNDGNDGNDE M U 1 圖 44 JTAG 14 針接口上的信號(hào)定義 表 42 仿真器接口引腳說(shuō)明 信號(hào) I/O 說(shuō)明 Ntrst 輸出 仿真器到目標(biāo)板的高電平輸出，可用于連接目標(biāo)板 JTAG 口的復(fù)位信號(hào) GND 電源地 TDI 輸出 仿真器到目標(biāo)板 JTAG 口的數(shù)據(jù)輸入信號(hào) TMS 輸出 測(cè)試模式信號(hào) TCK 輸出 測(cè)試始終信號(hào) TDO 輸出 測(cè)試信號(hào)輸出信號(hào) Nsrst 輸出 JTAG 復(fù)位信號(hào) Nemu 輸出 仿真器信號(hào) 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 24 TMS320VC5402 提供了片上的 JTAG 接口，為方便仿真調(diào)試，只需將TMS320VC5402 的關(guān)鍵信號(hào) T