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 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, 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 spectrum11 TMS320VC5402 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。4TMS320C54x 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。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。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2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：（2-12/012/02/2/ )()()(NnNnnkNknWxWxkX1）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（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（ ）-jsin（ ） ，rWNr/2Nr/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、余弦函数产生的rW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 =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1N“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：r级， ，0mrW20级， ， ，1143级， ， ，1，2，32mrW80: : : : :级， ， ，1，2，1MrN 12/N因此，可以得出 因子的一般分布规律为r第 级， ， ，1，2，mm120m2.2.3 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。NM这样的 次分解，也就构成了从 x(n)到 的 （即 log ）级迭代计算，每级由M)(kXN2个蝶形运算组成。可以得到计算方程：2/N（2-)()(1qWpmNm3）（2-)()()(1XqXkNm4）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MN228 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10)()(NnnkWxkX（2-5）一般是实部 和虚部 组成的复数，即)(kX)(kR)(kI= +j XR)(kXI（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 。73 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。4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 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，参考电压为 2V。具体的设计图如 02V 模拟信号输入的原理图。REFT-QREFB-QREFB-IREFT-ID9(MSB)D8D7D6D5D4D3D2D1D0(LSB)INA-IINB-ISelectClockINA-QINA-QREPSENSECHIP-SELECTSLEEPWRFFAVSSAVDDDVDDDVSSPortPort5k10uF 10uF 10uF 10uF0.1uF0.1uF5k10uF 10uFAD9201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53 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