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1、本科毕业设计论文基于DSP的谱分析仪设计 学 生 姓 名： 董华珊 班 级：电自0913 学 号：0902050203 指 导 教 师：郭海涛 所 在 单 位： 电气工程学院 答 辩 日 期： 2013年 6月 24日东北电力大学本科毕业设计论文摘 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。频谱分析仪对于信号分析来说是必不可少的，它可以利用频率对信号进行分析。频谱分析仪可应用于诸多领域，如通讯发射机以及干扰信号的测量，频谱的监测，器件的特性分析等，但各行各业对其性能要求也不尽相同。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、
2、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。最后，简要介绍了用于开发DSP的集成开发环境CCS。关键词：TMS320VC5402；频谱分析；FFT；功率谱AbstractWith the rapid development of computer and microelectronics technology, spectrum analys
3、is based on digital signal processing (DSP) has been applied to various fields and play an important role. A spectrum analyzer for the signal analysis is indispensable, it can make use of frequency analysis of signals. A spectrum analyzer can be applied to many fields, such as communication transmit
4、ter and the interfering signal measurement, spectrum monitoring, device characteristics analysis and so on, but in all walks of life to its performance requirements are also different.This topic mainly done the following work: first of all, this paper introduces the role of a spectrum analyzer, topi
5、c background, present situation and development trend; Then, designed by TI companys fixed-point 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; Due
6、 to the CPU adopts FFT algorithm, so the principle of FFT is introduced and its implementation on TMS320VC5402. Finally, this paper briefly introduces the integrated development environment CCS for the development of DSP.Keywords：TMS320VC5402；Spectrum analyzer；FFT；Power spectrum目 录摘要IAbstractII第1章 绪
7、论11.1 课题背景及其研究现状11.2 频谱分析仪发展现状31.3 主要研究方法（手段）41.4 设计方案介绍51.5 本文安排如下5第2章 TMS320VC5402芯片介绍62.1 TMS320VC5402的主要特性62.2 TMS320C54x的总线结构72.3 TMS320C54x的存储器分配82.4 TMS320C54x的中央处理单元（CPU）92.5 TMS320C54x片内外设简介132.6 TMS320VC5402引脚图14第3章 FFT原理及其实现153.1 FFT原理153.1.1 DFT原理153.1.2 FFT算法的导出163.1.3 实数序列的FFT173.2 FFT
8、算法173.2.1 码位倒置173.2.2 W因子的生成及分布规律173.2.3 蝶形运算的基本原理173.2.4 功率谱的计算183.3 FFT在TMS320C54x上的实现183.3.1 FFT实现的程序183.3.2 FFT的仿真结果18第4章 TMS320C54x DSP系统硬件设计204.1 系统设计要求204.2 电源设计204.3 时钟电路设计204.4 存储器单元设计214.5 复位电路设计224.6 JTAG接口234.7 A/D模数转换器244.7.1 该款AD的主要特性244.7.2 该款AD的工作原理244.7.3 该款AD的设计方案254.8 D/A数模转换器254.
9、9 逻辑控制27第5章 CCS集成开发环境285.1 CCS集成开发环境简介285.2 CCS的组成28结论31参考文献32致谢33附录I34附录II3534第1章 绪 论1.1 课题背景及其研究现状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。频谱分析仪对于信号分析来说是必不可少的，它可以利用频率对信号进行分析。频谱分析仪可应用于诸多领域，如通讯发射机以及干扰信号的测量，频谱的监测，器件的特性分析等，但各行各业对其性能要求也不尽相同。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
10、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（简称频谱仪），顾名思义它的功能是确定一个变化过程（称为信号）的频率成分，以及各频率成分之间的相对强弱关系。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。1、 传统频谱分析仪传统的频谱分析仪的前端电路是一定带宽内可调谐的接收机，输入信号经变频器变频后由低通滤波器输出，滤波输出作为垂直分量，频率作为水平分量，在示波器屏幕上绘出坐标图，就是输入信号的频谱图，由于变频器可以达到很宽的频率，例如30Hz30GHz；与外部混频器配合，可扩展到100GHz以上。频谱分
11、析仪是频率覆盖最宽的测量仪器之一，无论测量连续信号或调制信号，频谱分析仪都是很理想的测量工具。但是，传统的频谱分析仪也有明显的缺点，它只能测量频率的幅度，缺少相位信息，因此属于标量仪器而不是矢量仪器。2、 现代频谱分析仪基于快速傅里叶变换（FFT）的现代频谱分析仪，通过傅里叶运算将被测信号分解成分立的频率分量，达到与传统频谱分析仪同样的效果。这种新型的频谱分析仪采用数字方法直接由模拟数字转换器（ADC）对输入信号取样；再经过FFT处理后获得频谱分布图。在这种频谱分析仪中，为获得良好的仪器线性度和高分辨率，对信号进行数据采集时，ADC的取样率最少等于输入信号最高频率的两倍，亦即频率上限是100M
12、Hz的实时频谱分析仪需要ADC有200MS/S的取样率。目前半导体工艺水平可制成分辨率8位和取样率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取样率800MS/S的ADC，亦即，原理上仪器可达到2GHz的带宽。为了扩展频率上限，可在ADC前端增加下变频器；本振采用数字调谐振荡器，这种混合式的频谱分析仪可扩展到几GHz以下的频段使用。FFT的性能用取样点数和取样率来表征，例如用100KS/S的取样率对输入信号取样1024点，则最高输入频率是50KHz和分辨率是50Hz，如果取样点数为2048点，则分辨率提高到25Hz。由此可知，最高输入频率取决于取样率；分辨率取决于取样点数。FFT运算时间与取样点数成对
13、数关系，频谱分析仪需要高频率、高分辨率和高速运算时，要选用高速的FFT硬件，或者相应的数字信号处理器（DSP）。例如，10MHz输入频率的1024点的运算时间80，而10KHz的1024点的运算时间变为64,1KHz的1024点的运算时间增加至640.但运算时间超过200时，屏幕的反应变慢，不适于眼睛的观察，补救办法是减少取样点数，使运算时间降低至200以下。3、 用FFT计算信号频谱的算法离散傅里叶变换X（k）可看作是z变换在单位圆上的等距高采样值，同样，X(k)也可看作是序列傅氏变换X()的采样，采样间隔位。由此看出，离散傅里叶变换实质上是其频谱的离散频域采样，对频率具有选择性（），在这些
14、点上反映了信号的频谱。根据采样定律，一个频带有限的信号，可以对它进行时域采样而不丢失任何信息，FFT变换则说明对于时间有限的信号（有限长序列），也可以对其进行频域采样，而不丢失任何信息。所以只要时间序列足够长，采样足够密，频域采样也就可较好地反映信号的频谱趋势，所以FFT可以用以进行连续信号的频谱分析。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，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，Coolley和Tuckey提出了FFT，可以将运算减少到（）log次乘法。因此，FFT成
15、为频谱分析的核心算法。信号的测量可以从频域和时域两个方面进行，频谱分析仪就是进行信号频域测量即频谱分析的仪器设备。在实际工作中，一般处理的信号可以分为规则信号（确定性信号）和随机信号（非确定性信号）两类。规则信号可以用明确的数学关系式来描述，而随机信号一般不可能用清楚的数学关系式来描述，也无法预测其未来瞬间的精确值，对于这些随机性质的数据只能用概率和统计平均的方法来描述，比如均值、均方差、方差、概率密度函数、概率分布函数、相关函数以及功率谱密度函数等。由于随机信号的不确定性，所以它的电压频谱也是不确定的，但是对于常见的具有各态历经的平稳随机信号，可以得到确定的相关函数，相关函数序列的量纲是功率单位，相关函数的傅立叶变换或z变换就表示这类随机信号的功率谱密度函数，简称功率谱。利用给定的N个样本数据估计一个平稳随机信号的功率谱密度叫做谱估计。功率谱估计（PSD）是利用给定的一组样本数据估计一个平稳随机信号的功率谱密度，它能给出被分析对
