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1、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: 学 号: 指导教师: 2015 年 11 月 14 日LULIANG UNIVERSITY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
2、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AbstractWith the rapid development of computer and microelectronics technology, spectrum analysis based on digital signal processing (DSP) has been applied to various fields and play
3、an important role.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; Then, designed by TI companys fixed-point digital signal processor (DSP) TMS320VC5402 as CPU development system
4、, including the reset circuit, clock circuit, memory expansion, a power supply module, AD sampling, DA units, such as JTAG design; Due to the CPU adopts FFT algorithm, so the principle of FFT is introduced and its implementation on TMS320VC5402. Keywords：TMS320VC5402；Spectrum analyzer；FFT；Power spec
5、trum基于 DSP 的谱分析仪设计目 录1 引言 .12 TMS320VC5402 DSP 介绍 .23 FFT 原理及其实现 .33.1 FFT 原理 .33.2 FFT 算法 .33.2.1 码位倒置 .33.2.2 W 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 .55 CCS 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
6、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 次乘法操作，需要大量的运算时间。20 世纪 60 年代，N2Coolley 和 Tuckey 提出了 FFT，可以将运算减少到（ ）log 次乘法。因2/N此，FFT 成为频谱分析的核心算法 。31本课题主要设计方
7、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 02V 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AD DSP DA 模 拟 输 出模 拟 输 入 电 压 变 换CPLD JTAG图 1 原理图基于 DSP 的谱分析仪设计22 TMS320VC5402 DSP介绍DSP 处理器型号众多，本设计选用的是 TI 公司的 TMS320VC54
8、02 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 。详细结构见参4考文献56。TMS320C54x DSP 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。TMS3
9、20C54x 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
10、 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
11、脚和 IEEE1149.1 测试引脚。基于 DSP 的谱分析仪设计33 FFT原理及其实现3.1 FFT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
12、N 点 FFT 可表示为：12/012/02/2/ )()()(NnNnnkNknWxWxkX（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)()(kZYkN（3-2）Y(k)和 Z(k)的周期为 N/2，所以 k 的范围为 0N/2-1。3.2 FFT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，
13、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 3，73.2.2 W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 =cos（ ）-jsin（rWNr/2） ，所以在对 相乘时，必须产生相应的正、余弦函数。在编程时，正、Nr/2r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 ，将 =0，1， 这 个独立的值存于数组中，等r 1N基于 DSP 的谱分析仪设计4效于建立了一个正、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 因子分布有如下规律：rW级， ，0mr20级， ， ，114级， ， ，1，2，3r8: : : : :级， ， ，1，2，1MmrNW012/N因此，可以得出 因子的一般分布规律为r第 级， ， ，1，2，m12 m3.2.3 蝶形运算的基本原理对于任何一个 2 的整数幂 ，总可以通过 次分解后成为 2 点的NMDFT 计算。这样的 次分解，也就构成了从 x(n)到 的 （即 log ）级M)(kXN迭代计算，每级由 个蝶形运算组成。可以得到计算方程：/)()(1qWpmNm（3-3）)()()
