基于AD9361的簡(jiǎn)易頻譜分析儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：頻譜分析儀是用來(lái)檢測(cè)電信號(hào)頻譜特征的儀器，在通信、雷達(dá)以及電子產(chǎn)品研發(fā)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了基于ZYNQ系列SoC(System on chip)和AD9361實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)易頻譜分析儀，頻譜數(shù)據(jù)可以通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)，并在上位機(jī)中通過(guò)MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。相比普通頻譜分析儀，該簡(jiǎn)易頻譜分析儀使用便捷，體積小，且十分便于功能擴(kuò)展。經(jīng)測(cè)試，該頻譜分析儀帶寬為40MHz，其通帶范圍為L(zhǎng)O(Local Oscillator )-20MHz到LO+20MHz，該頻譜分析儀可以較為準(zhǔn)確地分析信號(hào)功率范圍為0dBm到-65dBm。

引言

　　頻譜分析儀是用來(lái)測(cè)量電信號(hào)頻譜特征的儀器，主要用于測(cè)量相關(guān)頻段內(nèi)的信號(hào)頻譜。使用頻譜分析儀，可以觀測(cè)到信號(hào)在頻域中的分布情況、信號(hào)能量及其他頻譜信息。隨著電子通信產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，頻譜分析儀廣泛運(yùn)用在通信、電子、雷達(dá)及電子產(chǎn)品研發(fā)等領(lǐng)域，是電子工程師重要的頻域分析工具。

　　隨著對(duì)于信號(hào)分析的不斷發(fā)展，應(yīng)實(shí)現(xiàn)頻譜分析儀與上位機(jī)的通信。頻譜分析儀可以通過(guò)網(wǎng)口、USB接口及串口向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，在上位機(jī)中，MATLAB、GNU radio等多種工具軟件可以被用于處理該數(shù)據(jù)，擴(kuò)展了頻譜分析儀的功能^[1]。而且傳統(tǒng)的頻譜分析儀價(jià)格昂貴，個(gè)人和小型團(tuán)體均無(wú)力承受?；诖?，本文使用Xilinx ZYNQ系列SoC及AD9361射頻收發(fā)機(jī)完成了低成本簡(jiǎn)易頻譜分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)的頻譜儀相比，該頻譜儀價(jià)格低廉、便于攜帶。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用ZedBoard開(kāi)發(fā)板和AD9361射頻收發(fā)機(jī)。

　　ZedBoard開(kāi)發(fā)板是Digilent公司基于ZYNQ-7000系列SoC制作的低成本開(kāi)發(fā)板，該開(kāi)發(fā)板的主芯片為ZYNQ系列XC7Z020芯片，該芯片使用兩塊ARM Cortex-A9 MPCore作為處理器(PS Processing System)，并采用Xilinx 7系列FPGA作為可編程邏輯部分(PL Programmable Logic)，實(shí)現(xiàn)了高靈活性、高性能和強(qiáng)大的配置功能^[2]。

　　AD9361是一款高性能、高度集成的2收2發(fā)射頻收發(fā)機(jī)，該收發(fā)機(jī)具有可編程、寬帶寬等特點(diǎn)，其工作頻率范圍為70MHz～6GHz，支持的通道帶寬為200KHz～56MHz。AD9361可以根據(jù)用戶(hù)需求設(shè)置濾波器、本振、增益等參數(shù)，以契合用戶(hù)設(shè)計(jì)^[3]。

　　設(shè)計(jì)主要基于Xilinx ZYNQ-7000系列的可編程SoC平臺(tái)，在平臺(tái)上插接AD9361板卡，利用AD9361進(jìn)行對(duì)應(yīng)帶寬數(shù)據(jù)的采集，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)XC7Z020的PL部分進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換，然后利用ARM將頻譜分析結(jié)果通過(guò)串口發(fā)送至計(jì)算機(jī)。頻譜分析帶寬為0～40MHz，分辨率為25kHz。

　　本文采用基于快速傅里葉變換(FFT)完成頻譜分析儀的設(shè)計(jì)。其中，主要模塊包括射頻輸入及轉(zhuǎn)換模塊、頻譜分析模塊、ZYNQ PS(Processing System)控制模塊、串口傳輸模塊以及上位機(jī)處理模塊。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　其中，各部分的具體功能如下：

　　射頻輸入模塊及轉(zhuǎn)換，使用AD9361射頻收發(fā)機(jī)完成搭建，其中，通過(guò)AD9361內(nèi)置的本地振蕩器(LO)完成對(duì)射頻信號(hào)的射頻到中頻的轉(zhuǎn)換，通過(guò)ADC完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過(guò)后續(xù)的抽取濾波器進(jìn)行下采樣，最終得到I/Q兩路分別為60MSPS采樣率的信號(hào)，通過(guò)FMC接口送入ZedBoard，進(jìn)行下一步處理。

　　頻譜分析模塊，該模塊使用ZYNQ SoC的PL部分完成，主要完成頻譜分析儀的頻譜計(jì)算功能，其中通過(guò)FMC接口接收到射頻輸入及轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)信息，對(duì)其進(jìn)行時(shí)序轉(zhuǎn)換、加窗和FFT變換后，通過(guò)DMA發(fā)送至ZYNQ SoC的PS模塊內(nèi)的存儲(chǔ)空間中，供PS部分讀寫(xiě)。

　　ZYNQ PS控制模塊，該模塊為整個(gè)模塊的控制中樞，完成對(duì)射頻輸入模塊及頻譜分析模塊的控制。其中，對(duì)AD9361的控制為：調(diào)節(jié)AD9361的本振(LO)的輸出，調(diào)節(jié)輸入通路低通濾波器的帶寬，調(diào)節(jié)增益模式及增益大小，調(diào)節(jié)各級(jí)采樣率等。對(duì)頻譜分析模塊的控制為：調(diào)節(jié)計(jì)算FFT的點(diǎn)數(shù)等。PS模塊可以讀取頻譜數(shù)據(jù)，并將頻譜數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)口通信模塊。該模塊在ZYNQ PS上移植的Linux系統(tǒng)中完成。

　　串口通信模塊：通過(guò)該模塊，可以完成由頻譜分析儀到上位機(jī)的頻譜數(shù)據(jù)的傳輸，也可以由上位機(jī)到頻譜分析儀，如果需要高的傳輸速率，可以使用網(wǎng)口進(jìn)行傳輸。

　　上位機(jī)處理模塊：該模塊在上位機(jī)中，通過(guò)使用MATLAB工具對(duì)所得的頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理、顯示和完成頻譜圖。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 基于AD9361的射頻輸入及轉(zhuǎn)換模塊

　　AD9361為系統(tǒng)的射頻輸入及轉(zhuǎn)換模塊，主要對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行混頻、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換和降采樣等預(yù)處理。并將處理完成的數(shù)字信號(hào)通過(guò)數(shù)字接口送入ZedBoard，供ZYNQ的PL部分進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)處理。

　　如圖2所示，為AD9361的接收通路，AD9361接收通路完成射頻信號(hào)到基帶信號(hào)的部分?；鶐盘?hào)處理包括兩個(gè)可編程的模擬低通濾波器，一個(gè)12bit ADC，以及4級(jí)的數(shù)字下變頻濾波器。每個(gè)數(shù)字下變頻濾波器都可以被略去。其中I/Q兩路的接收通路是相同的^[4]。

　　根據(jù)設(shè)計(jì)需求，需要調(diào)節(jié)的有：增益控制模式及增益、本振大小、低通濾波器系數(shù)、各部分采樣率以及FIR濾波器系數(shù)等。

　　在本次設(shè)計(jì)中，各部分的系數(shù)為：

　　收發(fā)模式：使用FDD單收單發(fā)的收發(fā)模式;

　　增益模式：自動(dòng)增益模式;

　　LO頻率設(shè)置：給上位機(jī)提供相應(yīng)接口，可以根據(jù)用戶(hù)需求進(jìn)行設(shè)置;

　　低通濾波器設(shè)置：低通濾波器3dB帶寬為40MHz;

　　ADC采樣時(shí)鐘頻率：480MHz;

　　HB3/DEC3下采樣濾波器：進(jìn)行2倍抽取，輸出數(shù)據(jù)的采樣頻率為240MHz;

　　HB2下采樣濾波器：進(jìn)行2倍抽取，輸出數(shù)據(jù)的采樣頻率為120MHz;

　　HB1下采樣濾波器：進(jìn)行2倍抽取，輸出數(shù)據(jù)的采樣頻率為60MHz;

　　RX FIR濾波器設(shè)置：對(duì)該FIR濾波器進(jìn)行略過(guò)，輸出數(shù)據(jù)的采樣頻率為60MHz;

　　數(shù)字接口：采用LVDS傳輸模式。

　　通過(guò)對(duì)AD9361的相關(guān)寄存器進(jìn)行配置，可以完成對(duì)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，以下對(duì)AD9361的一些關(guān)鍵寄存器進(jìn)行介紹。

　　地址0x003為AD9361的Rx Enable and Filter Control寄存器，該寄存器用于控制接收通路的使能及數(shù)字寄存器的信息。由于使用FDD的單發(fā)單收模式，且HB3、HB2和HB1皆為2倍抽取，且將FIR濾波器略去，故該寄存器應(yīng)配置為0X9C。

本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第8期第49頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處