【正文】 性 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 FFT 算法的導(dǎo)出 FFT 算法分為時(shí)間抽取 FFT（ DIT）和頻率抽取 FFT（ DIF），本設(shè)計(jì)采用了DIT，所以著重討論 DIT 的原理。離散傅里葉變換的目的是把信號(hào)由時(shí)域變換到頻域，從而可以在頻域分析處理信息，得到的結(jié)果再由傅里葉逆變換到時(shí)域。 ST0 和 ST1 包括各種工作條件和工作方式的狀態(tài)， PMST 包括存儲(chǔ)器配置狀態(tài)及其他控制信息，如表 21，表 22，表 23。 CSSU由多路選擇器 MUX、比較器 COMP、狀態(tài)轉(zhuǎn)移寄存器 TRN 和測(cè)試位 TC 組成，它與 ALU 相配合實(shí)現(xiàn)快速 ACS 運(yùn)算。40 位桶形移位器的功能框圖如圖 25 所示。 TMS320C54x 的并行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，使其能在一條指令周期內(nèi)，高速地完成多項(xiàng)算術(shù)運(yùn)算。復(fù)位時(shí)，DROM 位被清 0。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間存放執(zhí)行指令所要用的數(shù)據(jù)。 采用各自分開的數(shù)據(jù)總線分別用于讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)，允許 CPU 在同一個(gè)機(jī)器周期內(nèi) 進(jìn)行兩次讀操作和一次寫操作。 存儲(chǔ)器AD D S P DA 模擬輸出模擬輸入 電壓變換C P L D J T A G 圖 11 原理圖 本文安排如下 本文主要由六個(gè)章節(jié)組成，第一章是緒論，主要介紹了本課題的研究背景及研究意義，同時(shí)也介紹了頻譜分析儀目前在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，以及簡(jiǎn)要說明了本論文的主要研究?jī)?nèi)容和方法；第二章到第四章是本文的核心，第二章著重介紹了數(shù)字信號(hào)處理器 TMS320VC5402 芯片的詳細(xì)情況，即它的結(jié)構(gòu)、特性、引腳及其各組成部分；第三章主要介紹了 FFT（快速傅里葉變換）的原理及其在 TMS320VC5402 DSP 上的實(shí)現(xiàn)，最后通過仿真軟件 來得到仿真結(jié)果；第四章主要針對(duì)本論文的硬件部分進(jìn)行了介紹，比如電源部分、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、 JTAG 等，以及所使用到的器件 AD、 DA、 CPLD、 FLASH、 SDRAM等的特性、原理和連接情況進(jìn)行了必要介紹；第五章則簡(jiǎn)要介紹了 DSP 的運(yùn)行環(huán)境 CCS 集成開發(fā)環(huán)境，使得對(duì) DSP 的仿真運(yùn)行有了進(jìn)一步的了解。在了解課題以后，接下來本人通過各種途徑收集關(guān)于課題的資料。 （ 4） 動(dòng)態(tài)范圍 指能以規(guī)定的準(zhǔn)確度測(cè)量同時(shí)出現(xiàn)在輸入端的兩個(gè)信號(hào)之間的最大差值。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(dòng)態(tài)范圍與測(cè)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(jiǎn)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(cè)試和自動(dòng)測(cè)試，向著定量分析發(fā)展 ]11[ 。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。 由于隨機(jī)信號(hào)的不確定性，所以它的電壓頻譜也是不確定的，但是對(duì)于常見的具有各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，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(hào)的功率譜密 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 3 度函數(shù)，簡(jiǎn)稱功率譜。所以只要時(shí)間序列足夠長(zhǎng)，采樣足夠密，頻域采樣也就可較好地反映信號(hào)的頻譜趨勢(shì)，所以 FFT 可以用以進(jìn)行連續(xù)信號(hào)的頻譜分析。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。 頻譜分析儀是對(duì)無線電信號(hào)進(jìn)行測(cè)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 ]3[ 。 關(guān)鍵詞 ： TMS320VC5402；頻譜分析； FFT；功率譜 II 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 Abstract With 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。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。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。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FFT 處理后獲得頻譜分布圖。 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?? ? 。 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[ 。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[。 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。 MS2711D 的頻譜儀的分辨力帶寬 60Hz~1MHz。頻譜分析儀 MS2711D 的掃描時(shí)間：全頻寬時(shí) =， 0 頻寬時(shí) ~20s。具體設(shè)計(jì)圖如附錄 I。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[ 。 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。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 字頁的開頭。有兩條指令 PORTR 和 PORTW，可以對(duì) I/O 存儲(chǔ)器空間訪問，訪問時(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。 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。其中硬件乘法器用來完成乘法運(yùn)算，專用加法器用來完成累加、取整、飽和等操作。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)。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。 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。 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。 3， 7 W 因子的生成及分布規(guī)律 在 FFT 中，乘法主要來自旋轉(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)。 FFT 實(shí)現(xiàn)的程序 本設(shè)計(jì)采用 256 個(gè)數(shù)據(jù)為例來說明 FFT 在 TMS320C54x 上的實(shí)現(xiàn)。 電源 設(shè)計(jì) 由于 TMS320VC5402 核電壓為 ，端口電壓為 ，外圍器件為 5V。 IS61C6416 是 1M（ 64K*16bit）、 5V 電壓高速靜態(tài) RAM，訪問時(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)。 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）。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。 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 仿真器接口引腳說明 信號(hào) I/O 說明 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) TMS、 TDO、 TDI、 _________TPST 、 TCK、 EMU0、 EMU1共 7 個(gè)引腳接出，做成一個(gè)如圖 45 所示的標(biāo)準(zhǔn)的 14 針插座，就可以供仿真器調(diào)試目標(biāo)板。 ? 封裝規(guī)模小 AD9201 提供完整綜合功能的緊湊的 28 引腳 SSOP 封裝。 R E F T QR E F B QR E F B IR E F T ID 9( M S B )D8D7D6D5D4D3D2D1D 0( L S B )I N A II N B IS e le c tC l oc kI N A QI N A QR E P S E N S EC H I P S E L E C TS L E E PW R F FA V S SA V D DDVDDD V S SP or tP or t5k10uF 10uF10uF10uF0. 1uF0. 1uF5k10uF 10uFA D 920 1 圖 45 0~2V 模擬信號(hào)輸入的原理圖 該款 AD 的設(shè)計(jì)方案 AD9201 的輸入信號(hào)主要有模擬信號(hào)和數(shù)字控制信號(hào)輸入。它是一個(gè)可編程 16 位。數(shù)字控制信號(hào)主要是 CHIP SELECT， CLOCK， SELECT 和 SLEEP，其都是由 AVDD 和 AVSS 來參考，其中轉(zhuǎn)換門限為 AVDD/2。 一個(gè)采樣保持功能，在每個(gè)階段，容許一個(gè)新的采樣進(jìn)來，第一個(gè)階段被操作，而且下一個(gè)階段還可繼續(xù)處理前面的采樣，這種“管線處理”使得在一個(gè)采樣進(jìn)來和相應(yīng)輸出到輸出緩存之間，存在三個(gè)時(shí)鐘周期。 AD9201 是一款雙通道的 10bit，采樣率為 20MHz的 CMOS ADC，還集成了兩個(gè)輸入緩沖放大器，一個(gè)內(nèi)部電壓參考和多路數(shù)字輸出緩沖器 ]12[ 。 JTAG 接口 20 世紀(jì) 70 年代末，由于電子技術(shù)的發(fā)展， PC 的密度增加，芯片封裝