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1、基于DSP的谱分析仪设计Spectrum analyzer design based on DSP系 别 电子系专业名称 10电子信息科学与技术 学生姓名 学 号 完成日期 2013年10月10日摘 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
2、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 A Design of Spectrum Analyzer Based on DSPAbstract：With the rapid development of computer and microelectronics technology, spectrum analysis based on digital signal processing (DSP) has been applied to various fields and play an important rol
3、e.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, including the
4、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 spectrum1 TMS320VC54
5、02 DSP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。详细结构见参考文献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
6、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40
7、bit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。
8、2 FFT原理及其实现2.1 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N点FFT可表示为： （2-1）用Y(k)和Z(k)分别表示（3-1）右边的第一个和第二个和式，
9、则有 （2-2）Y(k)和Z(k)的周期为N/2，所以k的范围为0N/2-1。2.2 FFT算法2.2.1 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 3，72.2.2 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（）-jsi
10、n（），所以在对相乘时，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，将=0，1，这个独立的值存于数组中，等效于建立了一个正、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： 级， 级，1 级，1，2，3 : : : : : : 级，1，2，因此，可以得出因子的一般分布规律为 第级，1，2，2.2.3 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DFT计算。这样的次分解，也就构成了从x(n)到的（即log）级迭代计算，每
11、级由个蝶形运算组成。可以得到计算方程： （2-3） （2-4）完成点的DFT计算需要log级迭代运算，那么计算256个点的DFT就要8级迭代运算。2.2.4 功率谱的计算用FFT计算x(n)的频谱，即计算 （2-5）一般是实部和虚部组成的复数，即 =+j （2-6）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。3 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
12、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20MHz的CMOS ADC，还集成了两个输入缓冲放大器，一个内部电压参考和多路数字输出缓冲器。AD9201集成了两个AD转换器I/Q，它们在CLOCK时钟输入信号上升沿时，将同时采样接收到的输入信号，而且这两个转换器将转换操作分配到几个不同的小A/D子块上处理，以逐步提高转换精度；还集成了两个模拟输入缓存；一个内部
13、参考；一个参考缓存和一个输出复用器。一个采样保持功能，在每个阶段，容许一个新的采样进来，第一个阶段被操作，而且下一个阶段还可继续处理前面的采样，这种“管线处理”使得在一个采样进来和相应输出到输出缓存之间，存在三个时钟周期。AD9201集成输入缓存放大器来驱动输入模拟信号的转换，每个A/D转换器都有它自己的输出锁存器，当输入时钟信号上升沿来临，锁存器将会得到更新。逻辑复用器是由SELECT决定输出情况，其输出可由CHIP-SELECT来设定其是否处于高阻态。AD9201在供电方面是比较灵活的，从2.7V5.5V，可以相互独立供电。AD9201有不同的输入方式，本设计是采用输入信号在02V，参考电
14、压为2V。具体的设计图如02V模拟信号输入的原理图。图1 02V模拟信号输入的原理图D/A单元负责把DSP处理的数据转换为模拟输出，采用TI公司为DSP外围设备配套的一种D/A转换器TLV5617A。该转换器是双10位电压输出数模转换器，具有灵活的3线串行接口。串行接口与TMS320、SPIE、QSPI和Microwire串行兼容。它是一个可编程16位串行字符，其中4位控制位和10位数据位。单电源供电从2.7V至5.5V。下图是时序图，在CS低电平有效时，当SCLK脉冲下降沿来临前，DIN数据开始读了，来临之后数据处于保持状态，具体如图2所示。图2 时序图逻辑控制部分是系统的核心管理中心，本系统采用Xilinx公司的可编程逻辑器件XC95108实现逻辑控制。该XC95108是一个高性能的可编程逻辑器件，提供先进的系统内编程和测试能力，是一款通用逻辑集成由6个36V18
