基于DSP的谱分析仪设计

分类号：密级:论文设计题目:基于DSP的谱分析仪系别:物理系专业年级:电子信息工程2013级姓名:马淑敏学号:20130506117指导教师:庞淑蓉2015年11月14日LULIANGUNIVERSITY基于DSP的谱分析仪设计摘要随着计算机和微电子技术的飞速发展，基于数字信号处理的频谱分析已经应用到各个领域并发挥着重要作用。本课题主要做了以下工作：首先，本文介绍了频谱分析仪的作用、课题背景、现状及发展趋势；然后，设计了以TI公司的定点数字信号处理器（DSP）TMS320VC5402为CPU的开发系统，包括复位电路、时钟电路、存储器扩展、电源模块、AD采样、DA单元、JTAG等的设计；由于CPU采用FFT算法，所以详细介绍了FFT的原理以及其在TMS320VC5402上的实现。关键词：TMS320VC5402；频谱分析；FFT；功率谱基于DSP的谱分析仪设计AbstractWiththerapiddevelopmentofcomputerandmicroelectronicstechnology,spectrumanalysisbasedondigitalsignalprocessing(DSP)hasbeenappliedtovariousfieldsandplayanimportantrole.Thistopicmainlydonethefollowingwork:firstofall,thispaperintroducestheroleofaspectrumanalyzer,topicbackground,presentsituationanddevelopmenttrend;Then,designedbyTIcompany'sfixed-pointdigitalsignalprocessor(DSP)TMS320VC5402asCPUdevelopmentsystem,includingtheresetcircuit,clockcircuit,memoryexpansion,apowersupplymodule,ADsampling,DAunits,suchasJTAGdesign;DuetotheCPUadoptsFFTalgorithm,sotheprincipleofFFTisintroducedanditsimplementationonTMS320VC5402.Keywords：TMS320VC5402；Spectrumanalyzer；FFT；Powerspectrum基于DSP的谱分析仪设计目录1引言.............................................................12TMS320VC5402DSP介绍............................................23FFT原理及其实现.................................................33.1FFT原理....................................................33.2FFT算法....................................................33.2.1码位倒置..............................................33.2.2W因子的生成及分布规律................................33.2.3蝶形运算的基本原理....................................43.2.4功率谱的计算..........................................44系统设计.........................................................55CCS集成开发环境.................................................8结论..............................................................9参考文献...........................................................10基于DSP的谱分析仪设计11引言随着电子技术的发展和新型器件的出现，频谱分析仪成为通信、雷达、遥控、导航领域必不可少的信号分析仪器。利用频谱分析仪不但能够快速准确地显示信号频谱、提供强大的测量动态范围，而且能够利用其所具有的各种测试功能对信号频率、电平、信号频谱纯度及抗干扰特性进行分析。频谱分析仪是对无线电信号进行测量的必备手段，是从事电子产研发、生产、检验的常用工具，因此，应用十分广泛，被称为工程师的射频万用表。频谱分析主要就是将时域信号转化为频域进行处理，一般要求使用时窗技术，如快速傅里叶变换（FFT）、离散傅里叶变换（DFT）等。如果采样点为N，直接DFT运算需要N2次乘法操作，需要大量的运算时间。20世纪60年代，Coolley和Tuckey提出了FFT，可以将运算减少到（2/N）logN2次乘法。因此，FFT成为频谱分析的核心算法]31[。本课题主要设计方案是从硬件设计和软件编程两个方面来完成设计目的，选用TI公司TMS320VC5402定点数字信号处理芯片作为CPU。硬件方面设计主要原理是：通过信号发送器产生的0~2V模拟信号，经过AD采样，送到DSP进行FFT数字处理等过程后，由DA将数字信号转化成模拟信号，再通过示波器来显示，完成频谱分析。具体原理图如图1所示。存储器ADDSPDA模拟输出模拟输入电压变换CPLDJTAG图1原理图基于DSP的谱分析仪设计22TMS320VC5402DSP介绍DSP处理器型号众多，本设计选用的是TI公司的TMS320VC5402芯片。TMS320C54x是TI公司于1996年推出的第一代定点数字信号处理器。它作为TI公司为实现低功耗、高速实时信号处理而专门设计的16位定点DSP，成为当前TMS320C5000系列DSP中最为广泛应用且最为成熟的处理器]4[。详细结构见参考文献[5][6]。TMS320C54xDSP采用先进的哈佛结构和8总线结构，其独立的程序总线和数据总线允许同时读取指令和操作数，实现高度的并行操作。采用各自分开的数据总线分别用于读数据和写数据，允许CPU在同一个机器周期内进行两次读操作和一次写操作。独立的程序总线和数据总线允许CPU同时访问程序指令和数据。TMS320C54x的总存储空间为192K字，由3个独立的可选择空间组成：64K字程序空间、64K字数据空间、64K字I/O空间。程序存储器空间存放要执行的指令和执行中所用的系数表。数据存储器空间存放执行指令所要用的数据。I/O存储器空间可与存储器映射外围设备相接口，也可以作为附加的数据存储器空间使用。中央处理单元（CPU）是DSP芯片的核心部件，它的性能直接关系到DSP器件的性能。TMS320C54x的并行结构设计特点，使其能在一条指令周期内，高速地完成多项算术运算。CPU的基本组成如下：40bit算术逻辑运算单元（ALU）；2个40bit累加器A和B；1个40bit桶形移位寄存器；乘法器/加法器单元（MAC）；比较、选择和存储单元（CSSU）；指数编码器；CPU状态和控制寄存器；两个地址发生器。TMS320C54x拥有完善的片内外设，可完成丰富的功能，组成如下：通用I/O引脚、定时器、时钟发生器、主机接口（HPI）、串行口、软件可编程等待状态发生器、可编程块切换逻辑、直接存储器访问控制器。TMS320VC5402共有144个引脚，按照功能可将其引脚分为10部分，分别为数据信号、初始化、中断和复位操作信号、多处理器信号、存储器控制信号、振荡器/定时器信号、多通道缓冲串行口信号、混杂信号、主机接口（HPI）信号、电源引脚和IEEE1149.1测试引脚。基于DSP的谱分析仪设计33FFT原理及其实现3.1FFT原理快速傅里叶变换（FFT）是一种高效实现离散傅里叶变换的算法，在数字信号处理系统中，FFT作为一个非常重要的工具经常被使用，甚至成为DSP运算能力的一个考核因素。离散傅里叶变换的目的是把信号由时域变换到频域，从而可以在频域分析处理信息，得到的结果再由傅里叶逆变换到时域。FFT算法分为时间抽取FFT（DIT）和频率抽取FFT（DIF），本设计采用了DIT，所以着重讨论DIT的原理。DIT是将N点的输入序列x(n)按照偶数和奇数分解为偶序列和奇序列，因此，x(n)的N点FFT可表示为：12/012/02/2/)12()2()(NnNnnkNkNnkNWnxWWnxkX（3-1）用Y(k)和Z(k)分别表示（3-1）右边的第一个和第二个和式，则有)()()(kZWkYkXkN（3-2）Y(k)和Z(k)的周期为N/2，所以k的范围为0~N/2-1。3.2FFT算法3.2.1码位倒置FFT的码位倒置实际上是将输入数据进行位倒序，以便在输出时得到正确的序列，以N=8为例说明码位倒置的原理。设输入序列为x(n)，对N=8，其自然序列号是0，1，2，3，4，5，6，7。第一次按奇、偶分开，得到两组N/2点的DFT，x(n)的序列号为0，2，4，6¦1，3，5，7对每一组再按奇、偶分开，这时应将每一组按自然顺序排列，故抽取后得到四组，每组序号为0，4¦2，6¦1，5¦3，73.2.2W因子的生成及分布规律在FFT中，乘法主要来自旋转因子，因为rW=cos（Nr/2）-jsin（Nr/2），所以在对rW相乘时，必须产生相应的正、余弦函数。在编程时，正、余弦函数产生的方法一般有两种：一种是在每一步直接产生，另一种是在程序开始前预先计算出rW，将r=0，1，…，1N这N个独立的值存于数组中，等效于建立了基于DSP的谱分析仪设计4一个正、余弦函数“表”，在程序执行时可直接查“表”得到。这样可以提高运算速度，但要占用更多的内存。每一级rW因子分布有如下规律：0m级，rW2，0r1m级，rW4，0r，12m级，rW8，0r，1，2，3::::::1Mm级，rNW，0r，1，2，…，12/N因此，可以得出rW因子的一般分布规律为第m级，rmW12，0r，1，2，…，m23.2.3蝶形运算的基本原理对于任何一个2的整数幂MN2，总可以通过M次分解后成为2点的DFT计算。这样的M次分解，也就构成了从x(n)到)(kX的M（即logN2）级迭代计算，每级由2/N个蝶形运算组成。可以得到计算方程：)()()(1qXWpXpXmkNmm（3-3）)()()(1qXWpXqXmkNmm（3-4）完成MN2点的DFT计算需要logN2级迭代运算，那么计算256个点的DFT就要8级迭代运算。3.2.4功率谱的计算用FFT计算x(n)的频谱，即计算10)()(NnnkNWnxkX（3-5）)(kX一般是实部)(kXR和虚部)(kXI组成的复数，即)(kX=)(kXR+j)(kXI（3-6）因此，只需要将FFT变换好的数据按照虚部的平方加上实部的平方，然后再对得到的数据进行开方，就能得到功率谱密度]7[。基于DSP的谱分析仪设计54系统设计由于TMS320VC5402核电压为1.8V，端口电压为3.3V，外围器件为5V。其他器件的提供电压在3.3V，因此，选择TPS767D318将5V变为1.8V和3.3V，供给各个器件。存储单元使用一片FLASH和一片SDRAM，其中FLASH采用AMD公司的AM29LV200B存储芯片，SDRAM采用ISSI公司的IS61C6416。A/D转换器在DSP外围电路设计中，需要根据设计的需要选用合适的AD，本设计中采用AD公司的AD9201型号。AD9201是一款双通道的10bit，采样率为20M