王靈芝,凌佳樂,蔡 萍,王志輝,陳穎頻

（閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院,福建漳州363000）

頻譜分析儀是研究電信號(hào)最基本的儀器之一，利用頻譜儀進(jìn)行頻域分析，可以使信號(hào)的觀測(cè)分析擺脫了時(shí)域的限制，因此成為測(cè)試頻域信號(hào)的重要工具.根據(jù)工作原理和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，頻譜儀可以分成實(shí)時(shí)頻譜儀和外差式掃頻頻譜儀兩大類[1].實(shí)時(shí)頻譜儀是在一個(gè)特定的時(shí)間內(nèi)采用FFT 變換來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，從而得到信號(hào)的幅度和頻率以及相位等信息.實(shí)時(shí)頻譜儀多采用FPGA配合高速AD構(gòu)成數(shù)字信號(hào)處理方案，其價(jià)格昂貴，且體積龐大[2].

因此，選擇超外差頻譜分析方案來(lái)設(shè)計(jì)一款低成本便攜式頻譜儀，系統(tǒng)包含一個(gè)基于鎖相環(huán)的本振源、混頻器、中頻濾波器和檢波器[3].本振源頻率范圍覆蓋80～120 MHz，頻率步進(jìn)為100 KHz，在頻率范圍內(nèi)可自動(dòng)掃描，掃描時(shí)間在1～5 s之間可調(diào).頻譜分析儀可在頻段內(nèi)掃描并能顯示信號(hào)的頻譜分量.此外，系統(tǒng)還搭載了μC/OSIII嵌入式操作系統(tǒng)，通過(guò)STemWin設(shè)計(jì)GUI界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互.最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)頻譜分析、頻率掃描時(shí)間控制、最大頻率分量自動(dòng)捕捉等功能.

1 設(shè)計(jì)方案

本頻譜分析系統(tǒng)主要由本振源、混頻器、鎖相環(huán)、中頻濾波器、功率檢測(cè)和STM32單片機(jī)五部分組成，輸入信號(hào)在ADL5801混頻器中與ADF4351鎖相環(huán)產(chǎn)生的本振信號(hào)進(jìn)行混頻，輸出差頻信號(hào)到10.7 MHz中頻濾波器.再由AD8361功率檢測(cè)模塊將功率轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)送入STM32進(jìn)行ADC采集.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

假設(shè)輸入信號(hào)fi的頻率范圍80～120 MHz，與本振源fls=Alssin()2πflst相乘得到混頻輸出信號(hào)fm.將fm送入中頻濾波器，可得到下變頻后的信號(hào)分量.由此可推出被測(cè)信號(hào)fi在對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的信號(hào)幅度.系統(tǒng)選擇10.6 MHz的中頻濾波器，當(dāng)設(shè)置鎖相環(huán)輸出本振頻率90 MHz，通過(guò)混頻、濾波和功率檢測(cè)即可得到輸入信號(hào)為80 MHz的頻譜分量功率.對(duì)于不同的頻率分量，只要步進(jìn)地改變本征信號(hào)的頻率就可獲得所有頻率分量.

1.1 鎖相環(huán)模塊

系統(tǒng)采用的是AD 公司的ADF4351 芯片產(chǎn)生本振信號(hào).ADF4351 是一款PLL 頻率合成器，頻率范圍35～4 400 MHz，可實(shí)現(xiàn)整數(shù)N分頻和小數(shù)N分頻的鎖相環(huán).芯片支持SPI協(xié)議，模擬和數(shù)字鎖定檢測(cè)，可通過(guò)編程控制內(nèi)部6個(gè)32位寄存器[4].

ADF4351 模塊電路圖如圖2 所示. 引腳REF_IN接外部20 MHz 有源晶振作為參考頻率，引腳CP_OUT連接V_TUNE_F環(huán)路濾波器濾除V_TUNE引腳的高頻分量，從而提供給芯片內(nèi)部壓控振蕩器；當(dāng)芯片內(nèi)部鎖相環(huán)鎖定后，LD引腳輸出高電平；輸出信號(hào)通過(guò)引腳RFOUTA+和RFOUTA-差分輸出.ADF4351 與STM32 通過(guò)SPI 接口相連.DATA引腳在CLK上升沿時(shí)將引腳數(shù)據(jù)存入移位寄存器.當(dāng)LE引腳上升沿時(shí)將移位寄存器內(nèi)的數(shù)值送入對(duì)應(yīng)的內(nèi)部寄存器.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure block diagram

圖2 ADF4351模塊硬件電路圖Fig.2 Hardware circuit diagram of ADF4351 module

1.2 混頻器模塊

如圖3所示，系統(tǒng)采用ADL5801芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)混頻功能.ADL5801是一款具有高線性度、雙平衡的有源混頻器，頻率范圍10～6 000 MHz[5].輸入信號(hào)與本振源分別通過(guò)兩路差分引腳LOIN,LOIP,RFIN,RFIP輸入，混頻結(jié)果由引腳IFON,IFOP輸出.隨著本振源頻率的變化，輸出信號(hào)的幅值也會(huì)發(fā)生改變，這將影響到混頻結(jié)果.借助ADL5801的VSET端的偏置調(diào)節(jié)功能可優(yōu)化輸入線性度、噪聲系數(shù)和直流工作電流.

圖3 ADL5801模塊電路圖Fig.3 Hardware circuit diagram of ADL5801 modul

1.3 中頻濾波模塊

本設(shè)計(jì)采用村田Murata低損耗10.7 M陶瓷濾波器作為中頻濾波器，與π型低通濾波器組成中頻濾波器模塊.測(cè)試電路對(duì)多種濾波器組合電路進(jìn)行性能測(cè)試，五種電路如圖4 所示.濾波器性能分析如圖5 所示，可以看出單個(gè)晶振+低通濾波器的組合選頻特性曲線選擇性較好，選擇作為中頻濾波電路.

圖4 中頻濾波器電路圖Fig.4 Circuit diagram of IF filter

圖5 濾波器性能分析圖Fig.5 Filter performance diagram

1.4 檢波器模塊設(shè)計(jì)

AD8361 是一款均值響應(yīng)的功率檢測(cè)器，帶寬高達(dá)2. 5 GHz，工作電壓為2. 7～5. 5 V[6]. 如表1 所示，AD8361 有3 種工作模式以適應(yīng)各種的模數(shù)轉(zhuǎn)換的需求.本設(shè)計(jì)使用接地模式，在無(wú)信號(hào)輸入時(shí)輸出0 V更加直觀.設(shè)計(jì)電路中，RFIN引腳接入輸入信號(hào)，在接地模式下輸入信號(hào)被轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的直流電壓信號(hào)由VRMS腳輸出.FLTR引腳和之間放置一個(gè)100 nF 電容，可以降低調(diào)制濾波器的角頻率，用于小信號(hào)輸入.STM32單片機(jī)通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換即可得到對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)的有效值.AD8361電路如圖6所示.

表1 AD8361模式配置表Tab.1 AD8361 mode configuration table

圖6 AD8361模塊電路圖Fig.6 Hardware circuit diagram of AD8361 module

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總流程

STM32 運(yùn)行μC/OSIII 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[7-8]，上電后創(chuàng)建子任務(wù)及堆棧、設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級(jí)、初始化外設(shè)和操作系統(tǒng).操作系統(tǒng)調(diào)度執(zhí)行各子任務(wù)，包括圖形任務(wù)，觸摸屏任務(wù)，內(nèi)存任務(wù)，頻譜分析任務(wù)和待機(jī)任務(wù)，系統(tǒng)主程序流程圖如圖7所示：

圖7 系統(tǒng)流程圖Fig.7 System flow chart

2.2 頻譜分析任務(wù)

頻譜分析包含掃頻驅(qū)動(dòng)函數(shù)和頻譜分析算法.掃頻驅(qū)動(dòng)函數(shù)驅(qū)動(dòng)ADF4351 芯片步進(jìn)輸出本振頻率.ADF4351 內(nèi)部簡(jiǎn)化圖如圖8 所示，ADF4351 輸出頻率由內(nèi)部的壓控振蕩器（VCO）分頻后提供，鑒頻鑒相器（PFD）控制壓控振蕩器的輸出頻率，當(dāng)外部參考頻率分頻后的頻率與壓控振蕩器分頻后的頻率相等時(shí)，壓控振蕩器的頻率不再變化，完成頻率鎖定.系統(tǒng)設(shè)定頻率步進(jìn)為100 KHz.

圖8 ADF4351內(nèi)部簡(jiǎn)化框圖Fig.8 Internal simplified block diagram of ADF4351

根據(jù)原理得到以下公式(1)和(2)：

其中，RFVCO為VCO輸出頻率；RFOUT為ADF4351輸出頻率；REFIN為外部參考頻率；INT為16位的整數(shù)分頻比；MOD為12 位的小數(shù)模數(shù)；FRAC為12 位的小數(shù)分頻的分子.DIV是VCO輸出分頻器的值，可配置為1、2、4、8、16、32、64；R、D和T構(gòu)成輸入?yún)⒖碱l率的分頻系數(shù).將D和T設(shè)置為0，R設(shè)置為1，則可以得到簡(jiǎn)化后的公式(3)：

因?yàn)镽FVCO頻率范圍在2 200～4 400 MHz之間，若RFOUT確定則可以通過(guò)窮盡法得到一個(gè)合適的分頻值DIV.將INT、MOD、FRAC看作一個(gè)整體變量，帶入公式求解，其中INT代表整數(shù)部分，代表小數(shù)部分，窮盡法求解小數(shù)部分即可得到誤差足夠小的MOD、FRAC.最終獲得以上公式多種解的其中一種解，使得ADF4351輸出對(duì)應(yīng)的頻率.

2.3 數(shù)據(jù)分析

本設(shè)計(jì)采用STM32 單片機(jī)內(nèi)置ADC 采集AD8361 有效值檢測(cè)模塊的直流信號(hào)，配置ADC1 通道5，采用軟件觸發(fā)連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，配置DMA 將ADC 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)搬運(yùn)到內(nèi)存.程序通過(guò)STM32單片機(jī)執(zhí)行掃頻操作，即初始設(shè)定ADF4351頻率為80 MHz，讀取50次ADC數(shù)值累加后取平均，之后送入卡爾曼濾波器濾波后保存在數(shù)組中，步進(jìn)100 KHz，重復(fù)以上步驟，直到頻率達(dá)到120 MHz.

由于卡爾曼濾波器的特性，在掃頻的結(jié)束點(diǎn)和下一次掃頻的開始點(diǎn)之間的跳變較為明顯時(shí)，濾波器會(huì)將這段跳變視為噪聲進(jìn)行消除，可能會(huì)影響掃頻前期的結(jié)果.圖9 顯示初始狀態(tài)為0 的卡爾曼濾波曲線.圖9中橫坐標(biāo)代表ADF4351的輸出頻率，縱坐標(biāo)為ADC采集的數(shù)值.虛線代表原始數(shù)據(jù)的曲線，實(shí)線代表卡爾曼濾波后的曲線，可以看出因?yàn)榭柭鼮V波器的連續(xù)性，在80 MHz附近與原始數(shù)據(jù)差距略大.

因此，為了更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析與處理，去除系統(tǒng)噪聲，本文將AD 采集后的數(shù)據(jù)上傳至PC 端，編寫Python程序進(jìn)行可視化分析，取待測(cè)信號(hào)頻率為103 MHz，幅值為5 V的數(shù)據(jù).圖10顯示經(jīng)過(guò)優(yōu)化的卡爾曼濾波后的曲線，橫坐標(biāo)代表ADF4351 的輸出頻率，縱坐標(biāo)為ADC 采集的數(shù)值，虛線代表原始數(shù)據(jù)的曲線，實(shí)線代表卡爾曼濾波后的曲線，可以看出優(yōu)化后的卡爾曼濾波算法，不受起始狀態(tài)的影響，消除原始信號(hào)的毛刺、貼近原始數(shù)據(jù)的同時(shí)不丟失原始數(shù)據(jù)的特征.分析圖像得到曲線在103 MHz 附近幅值最小，103±10.7 MHz附近幅值較大，根據(jù)這些特征即可獲得曲線對(duì)應(yīng)的輸入待測(cè)信號(hào)頻率.

為了求解頻譜分量，數(shù)據(jù)分析算法采用滑動(dòng)窗口的方法對(duì)整段數(shù)據(jù)進(jìn)行極值掃描，取出滿足條件的極值進(jìn)行二輪判斷，根據(jù)極值周圍梯度特征進(jìn)行一定的偏移和功率計(jì)算，最終輸出對(duì)應(yīng)的頻譜[9].取待測(cè)信號(hào)頻率為103 MHz，幅值為5 V 的數(shù)據(jù)，圖11 中點(diǎn)線代表頻率特征提取后的曲線，可以看出，經(jīng)過(guò)算法處理后，可得到最大的頻率分量為103 MHz.

圖9 初始狀態(tài)的卡爾曼濾波效果圖Fig.9 The Kalman filter effect diagram of the initial state

圖11 頻率f=103 MHz的頻譜分量圖Fig.11 Spectrum component map of f=103 MHz

由于算法未采用Python庫(kù)函數(shù)，因此通過(guò)簡(jiǎn)單的修改就能移植到STM32單片機(jī)上進(jìn)行頻譜分析.

2.4 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的界面采用STemWin設(shè)計(jì)GUI界面，可通過(guò)觸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互.系統(tǒng)可測(cè)試頻率范圍為80～120 MHz.可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)頻譜分析、頻率掃描時(shí)間控制、最大頻率分量自動(dòng)捕捉等功能.圖11顯示輸入信號(hào)為82 MHz，1 V 的正弦波時(shí)輸出的頻譜分析圖；圖12 顯示輸入信號(hào)為103 MHz，3 V 的正弦波時(shí)輸出的頻譜分析圖.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，信號(hào)測(cè)量準(zhǔn)確性高，頻譜純度高.

圖12 輸入信號(hào)為頻率82 MHz幅值1 V正弦波頻譜分析結(jié)果Fig. 12 Spectrum analysis of frequency 82 MHz amplitude 1V sine wave

圖13 輸入信號(hào)為頻率103 MHz幅值3 V正弦波頻譜分析結(jié)果Fig.13 Spectrum analysis of frequency 103 MHz amplitude 3V sine wave

3 結(jié)束

本文設(shè)計(jì)了基于STM32 的便攜式超外差頻譜分析系統(tǒng)，頻率范圍80～120 MHz.系統(tǒng)由STM32 控制ADF4351鎖相環(huán)模塊進(jìn)行掃頻，產(chǎn)生步進(jìn)為100 KHz的本振源.本振信號(hào)與輸入信號(hào)經(jīng)ADL5801混頻后送入10.7 MHz 濾波器濾波，再經(jīng)有效值檢測(cè)模塊進(jìn)行AD 采樣與處理.系統(tǒng)搭載μC/OSIII 操作系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)了快速實(shí)時(shí)頻譜分析功能.調(diào)試結(jié)果表明，各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)均滿足要求.