【正文】 inly done the following work: first of all, this paper introduces the role of a spectrum analyzer, topic background, present situation and development trend。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。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。利用頻譜分析儀不但能夠快速準(zhǔn)確地顯示信號(hào)頻譜、提供強(qiáng)大的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍，而且能夠利用其所具有的各種測(cè)試功能對(duì)信號(hào)頻率、電平、信號(hào)頻譜純度及抗干擾特性進(jìn)行分析 ]1[ 。 頻譜分析儀是對(duì)無(wú)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(wàn)用表 ]3[ 。頻譜分析儀是頻率覆蓋最寬的測(cè)量?jī)x器之一，無(wú)論測(cè)量連續(xù)信號(hào)或調(diào)制信號(hào)，頻譜分析儀都是很理想的測(cè)量工具。 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(guò)傅里葉運(yùn)算將被測(cè)信號(hào)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。 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(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)， ADC 的取樣率最少等于輸入信號(hào)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。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。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)。例如， 10MHz 輸入頻率的 1024 點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間 80 s? ，而 10KHz的 1024 點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間變?yōu)?64 ms ,1KHz的 1024 點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間增加至 640ms .但運(yùn)算時(shí)間超過(guò) 200 ms 時(shí)，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 200ms 以下。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(duì)頻率具有選擇性（ Nkk /2?? ? ），在這些點(diǎn)上反映了信號(hào)的頻譜。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。如果采樣點(diǎn)為 N ，直接 DFT 運(yùn)算需要 2N 次乘法操作，需要大量的運(yùn)算時(shí)間。因此，F(xiàn)FT 成為 頻譜分析的核心算法 ]64[? 。 在實(shí)際工作中，一般處理的信號(hào)可以分為規(guī)則信號(hào)（確定性信號(hào)）和隨機(jī)信號(hào)（非確定性信號(hào)）兩類。 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(jiàn)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。 功率譜估計(jì)（ PSD） ]9[ 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(hào)的功率譜密度，它能給出被分析對(duì)象的能量隨頻率分布的情況。功率譜估計(jì)是數(shù)字信號(hào)處理的重要研究?jī)?nèi)容之一。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。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。 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(wèn)世，它標(biāo)志著頻譜儀從此進(jìn)入了定 量測(cè)試的時(shí)代。頻率范圍擴(kuò)展到 100Hz~20GHz，分辨力帶寬達(dá)到 10Hz。 頻譜分析儀的發(fā)展有兩個(gè)趨勢(shì)：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。但無(wú)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[ ?，F(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。 （ 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。 （ 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(hào)電平的能力，以 dBm、 dBu、 dBv、 V 等單位表示。 （ 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。 （ 5） 頻率掃描寬度（ Span） 另有分析譜寬、掃寬、頻率量程 、頻譜跨度等不同叫法。 （ 6） 掃描時(shí)間（ Sweep Time） 即進(jìn)行一次全頻率范圍的掃描、并完成測(cè)量所需的時(shí)間，也叫分析時(shí)間。 主要研究方法（手段） 本課題旨在研究基于 DSP 的譜分析儀設(shè)計(jì)，并要求成品具有某些優(yōu)勢(shì)。在了解課題以后，接下來(lái)本人通過(guò)各種途徑收集關(guān)于課題的資料。 本課題主要設(shè)計(jì)方案是從硬件設(shè)計(jì)和軟件編程兩個(gè)方面來(lái)完成設(shè)計(jì)目的，選用 TI 公司 TMS320VC5402 定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理芯片 ]13[ 作為 CPU。軟件方面主要工作是： FFT 算法編程、 A/D 和 D/A 編程、仿真器在線 FLASH 編程和CPLD 編程。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 5 設(shè)計(jì)方案介紹 本課題是采用中斷查詢的方式來(lái)控制時(shí)序，主要有 AD、 DA、 CPU、 CPLD、JTAG、 FLASH、 RAM 等組成，數(shù)據(jù)的處理是在 CPU 里進(jìn)行，由于 CPU 是采用FFT 數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，數(shù)據(jù)量比較大，需 要存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)，而整個(gè)過(guò)程的時(shí)序控制由 CPLD 來(lái)控制。 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(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，以及簡(jiǎn)要說(shuō)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(guò)仿真軟件 來(lái)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(kāi)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。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 第 2 章 TMS320VC5402 芯片介紹 DSP 具有體積小、成 本低、易于產(chǎn)品化、可靠性高、易擴(kuò)展及方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)分布式并行處理等性能，所以在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但實(shí)際上沒(méi)有一個(gè)處理器能完全滿足所有的或絕大多數(shù)應(yīng)用需要，因此，在選擇處理器時(shí)需要根據(jù)性能、成本、集成度、開(kāi)發(fā)的難易程度以及功耗等因素進(jìn)行綜合考慮 ]14[ 。 TMS320C54x 是 TI 公司于 1996 年推出的第一代定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器 。 E X P e nc ode rM U XT t e gs t e rS ign C t r S ign C t rM ul t e ghe r ( 17* 17)F r a c t iona l M U XA c c ge r ( 40)Z E R O S A T R O U N DA ( 40) B ( 40)M U XS ign C t r S ign C t rA L U ( 40)S ign C t rM U XC O M PT R NTCM S W / L S Ws e le c tB a r r e ls hi r f t e r 圖 21 TMS320VC5402 DSP 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 TMS320VC5402 的主要特性 其主要特點(diǎn) ]16[ 有： ? 操作速率達(dá) 100MIPS； ? 具有先進(jìn)的多總線結(jié)構(gòu)，包括 3 組 16bit 數(shù)據(jù)總線、 1 組程序總線和 4 條地址總線； ? 40bit 算術(shù)邏輯單元（ ALU），包括一個(gè) 40bit 的桶形移位器以及兩個(gè)獨(dú)立的 40bit 累加器； ? 17? 17bit 并行乘法器，與 40bit 的專用加法器相連，應(yīng)用于非流水線式單周期 MAC； 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 ? 比較、選擇和存儲(chǔ)單元（ CSSU）用于 Viterbi運(yùn)算器的加法 /比較 /選擇； ? 指數(shù)編碼器在一個(gè)周期里計(jì)算一個(gè) 40bit 累加器值 的哇 指數(shù)值； ? 雙地址發(fā)生器，其中包括 8 個(gè)輔助寄存器和兩個(gè)輔助寄存器算術(shù)單元（ ARAUS）； ? 數(shù)據(jù) /程序?qū)ぶ房臻g 1M 16bit，內(nèi)存 4K 16bit ROM 和 16K 16bit 雙存取RAM； ? 內(nèi)置可編程等待狀態(tài)發(fā)生器、鎖相環(huán)（ PLL）時(shí)鐘發(fā)生器、 2 個(gè)多通道緩沖串行口、 1 個(gè) 8bit 并行與外部處理器通信的 HPI 口、 2 個(gè) 16bit 定時(shí)器以及 6通道 DMA 控制器； ? 低功耗，工作電源 和 ； ? 數(shù)據(jù)總線具有總線保持特性； ? 支持單指令循環(huán)和快指令循環(huán)； ? 支持存儲(chǔ)塊傳送指令； ? 支持 32bit 長(zhǎng)操作數(shù)指令； ? 支持同時(shí)讀取 2 個(gè)或 3 個(gè)操作數(shù)讀指令； ? 支持并行存儲(chǔ)和并行裝入的算術(shù)指令； ? 支持條件存儲(chǔ)指令及中斷快速返回指令； ? 軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器和可編程的存儲(chǔ)單元轉(zhuǎn)換； ? 單周期定點(diǎn)指令執(zhí)行時(shí)間 10ns~25ns。 采用各自分開(kāi)的數(shù)據(jù)總線分別用于讀數(shù)據(jù)和寫(xiě)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(xiě)操作。 片內(nèi)有 4 條程序 /數(shù)據(jù)總線、 4 條地址總線，其功能如下： ? 1 條程序總線（ PB） 程序總線（ PB）傳送由程序存儲(chǔ)器取出的指令操作代碼和立即操作數(shù)。其中，CB 和 DB總線用來(lái)傳送從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀出的數(shù)據(jù)； EB 總線用來(lái)傳送寫(xiě)入到存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。 TMS320C54x 的存儲(chǔ)器分配 ? 存儲(chǔ)器空間 TMS320C54x 的總存儲(chǔ)空間為 192K 字，由 3 個(gè)獨(dú)立的可選擇空間組成： 64K字程序空間、 64K 字?jǐn)?shù)據(jù)空間、 64K 字 I/O 空間。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)。 TMS320VC5402 存儲(chǔ)器分配圖和擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器分配圖分別如圖 22， 23 所示。 當(dāng)處理器復(fù)位時(shí)，復(fù)位和中斷向量都映射到程序存儲(chǔ)器空間的 FF80H。這就很 容易將中斷向量表從引導(dǎo) ROM 中移出來(lái)，然后再根據(jù)存儲(chǔ)器圖安排。復(fù)位時(shí)，DROM 位被清 0。 ? I/O 存儲(chǔ)器 除程序存儲(chǔ)器空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間外， C54x 系列器件還提供了 I/O 存儲(chǔ)器空間，利用 I/O 空間可以擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器。 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)空間使用。訪問(wèn) I/O 是對(duì) I/O 映射的外部器件進(jìn)行訪問(wèn)，而不是訪問(wèn)存儲(chǔ)器。 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。 ? 算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ ALU） 算術(shù)邏輯單元（ ALU）可以實(shí)現(xiàn)加 /減法運(yùn)算、邏輯運(yùn)算等大部分算術(shù)和邏輯功能，且大多數(shù)算術(shù)邏輯運(yùn)算指令都是單周期指令。 40 位 ALU 功能框圖如圖 24 所示。 ?桶形移位寄存器 TMS320C54x CPU 內(nèi)部有一個(gè) 40 位的桶形移位器，主要用于累加 器或數(shù)據(jù)區(qū)操作數(shù)的定標(biāo)。40 位桶形移位器的功能框圖如圖 25 所示。桶形移位寄存器的輸出連到 ALU 或經(jīng)過(guò) MSW/LSW（最高有效字 /最低有效字）寫(xiě)選擇單元至EB 總線。其功能框圖如圖 26 所示。 C B 15 C B 0D B 15 D B 0P B 15 P B 0TX M U X Y M U XS ign c t rS ign c t rXM YMM ul t i pl ie r ( 17* 17)F r a c t / intM U XXA YAA dde r ( 40)Z e r o de t e c tR oun dS A T404001717F R C T17OVMO V A / O V BZ A / Z B40 圖 26 乘法器 /加法器單元功能框圖 ?比較、選擇和存儲(chǔ)單元（ CSSU） 在數(shù)據(jù)通信、模式識(shí)別等領(lǐng)域