基于单片机的频谱仪的设计

目录

1 绪论 (2)

1.1频谱仪概述 (2)

1.1.1 古老频谱仪 (2)

1.1.2 现代频谱仪 (3)

1.2背景及意义 (4)

2 频谱分析原理与技术指标 (6)

2.1 基本原理 (6)

2.1.1 动态信号的分析方法 (6)

2.1.2 扫描调谐分析仪 (6)

2.2 技术指标 (7)

2.2.1频率指标 (7)

2.2.2 幅度指标 (8)

3频谱仪的设计方案 (9)

3.1模拟式频谱分析仪 (9)

3.2数字式频谱分析仪 (10)

3.2.1 按信号处理方式分类 (10)

3.2.2 按频谱仪实现方式分类 (12)

3.3虚拟频谱分析仪 (13)

4 方案实现 (14)

4.1理论分析 (14)

4.2 软件总体设计 (16)

1 绪论

射频测量对象是宽频带内信号与网络系统的特性参数,而同一个物理系统或信号可以分别在时域和频域描述。

（1）时域测量以被测信号和网络系统在时域内的特性为依据，研究的是被测对象的幅度时间特性时域测量常用的测试信号是脉冲或阶跃信号，研究的是待测信号

的瞬变过程或网络输出的冲激或阶跃响应：关键是时域信号的采集和分析

（2）频域测量以被测信号和被测网络系统在频域的特性为依据，研究的是被测对象的幅频特性和相频特性。频域测量常用的测试信号为正弦波，研究的是待测信号或网络输出的稳态响应：关键是特定频率的产生和选择。

射频测试中，时域测量和频域测量是相辅相成的。从一个域到另一个域，如果测试是完全的，则无任何信息损失，仅仅是同一信号的不同表述方法。

1.1频谱仪概述

1.1.1 古老频谱仪

频谱仪便是对频域进行测量。频谱仪被誉为射频领域的示波器，现代频谱仪不仅具有传统的频谱分析功能，而且通过扩展选件，可以集成功率计、频率计、标量/矢量网络分析仪、信号分析、通信测试仪等众多仪器的主要功能，堪称射频测试的集大成者，拥有一台高性能频谱仪，即可完成大部分射频测试、信号分析功能。现代实时频谱仪的出现，进一步将频谱仪的应用领域扩展到快速变化的瞬态信号测试、宽实时带宽信号分析中。

频谱仪的基本功能是测量信号的幅度/频率响应，可以完成诸如频谱成分分析、失真测量、调制信号谱分析、信号衰减测量、电子组件增益测量等。基本工作原理是，扫频本振的频率随锯齿波发生器的输出在一定范围内扫描，使不同频率的输入信号与本振混频后，依次落入分辩率带宽滤波器通带内，进一步放大、检波后加到Y放大器，亮点在屏幕上的垂直偏移正比于该频率分量的幅值。由于扫描电压在调制振荡器的同时，又驱动X放大器，从而可以在屏幕上显示出被子测信号的频谱。

这是最古老的频谱仪工作原理，随着现代科学技术的发展，特别是数字信号处理技术和AD采样技术的不断提高，现代频谱仪多采用软件无线电思想设计：搭建通用性强的硬件平台，将功能实现软件化，使得现代频谱仪具有了“软件定义仪器”的特征，在维持硬

件平台基本不变的情况下，通过更新软件，就可以使频谱仪集成众多仪器，如接收机、功率计、频率计、网络分析仪的大部分功能，极大扩展了频谱仪的测量能力和应用领域。现代频谱仪发展迅速，针对不同应用需求，出现了各种各样的频谱仪，不同类型的频谱仪，其性能指标和功能配置也有很大差别。但从工作机理和主要应用领域的不同出发，现代频谱仪可以分为扫频式频谱仪和实时频谱仪两种。

1.1.2 现代频谱仪

现代扫频式频谱仪基本工作原理与古老的频谱仪工作原理相比，最显著的变化是：中频滤波器后进行了AD采样，分辩率带宽滤波、检波、视频滤波均采用数字信号处理的方式实现。由于AD采样之前的硬件结构是通用的超外差接收机结构，而AD采样后仪器具体实现的功能，完全取决于软件程序，因此现代频谱仪具有“软件定义仪器”的特征，只要购买相应选件，频谱仪就可以具有矢量信号分析，各种调制制式的信号解调、调制度分析、通信测量等功能。同时，只要付出很小的代价，购买部分辅助测量硬件，如驻波桥、跟踪源、接收天线等，频谱仪即可完成驻波比测试、组件传输特性测试、场强测试、传输线测试、天线测试等功能。

（1）扫频式频谱仪仍是目前频谱仪的主流，根据其应用领域的不同，可进一步分为台式频谱仪、手持式频谱仪、VXI总线频谱仪、PXI总线频谱仪、LXI总线频谱仪等。

①台式频谱仪具有性能指标高，功能强大等特点，应用领域十分广泛，如计量检验试验室、EMC/EMI试验室、卫星接收系统测试、雷达系统测试、无线电通信系统测试、基站维护都可以见到它们的身影。

②便携式频谱仪、手持式频谱仪典型特点是价格低、体积小、重量轻，携带方便。其性能指标已经接近中等台式频谱仪水平，功能配置也十分丰富，以RS公司的FSH3为例，-120dBm的测量灵敏度和-90dBc/Hz的相位噪声与台式仪器相比差了两个量级，但在功能配置上，除基本的频谱分析功能外，FSH3提供了功率计选件，驻波比桥、高增益定向天线、矢量传输与反射测量选件、接收机模式选件等，在这些选件的支持下，FSH3可以用于功率测试、驻波比测试、场强测试与电磁干扰定位、传输线测试与故障定位、电磁兼容诊断等。

便携式频谱仪、手持式频谱仪特别适合于野外使用。在功能、性能指标满足要求的情况下，由于具有价格、体积方面的优势，完全可以替代台式频谱仪使用，因此近年来发展十迅速，成为扫频式频谱仪发展的一个重要方向。

③VXI总线频谱仪、PXI总线频谱仪、LXI总线频谱仪等属于虚拟仪器类频谱仪产品，在各种综合测试平台的搭建中具有重要地位。VXI/PXI总线频谱仪属于机箱插卡式仪器，由于宽带频谱仪一般体积较大，3GHz以上的宽带频谱仪目前尚不多见。相对而言，LXI协议未对仪器体积、外型做出严格控制，很容易在台式频谱仪和手持式频谱仪的基础上扩展，同时LXI基于网络的分布式测试结构，更适合于现代测试系统的发展方向。

（2）实时频谱仪是近年发展起来的新型频谱仪，与扫频式频谱相比，实时频谱仪的显著优势在于：具有更高的数据处理速度和信号分析带宽，触发方式多样，适合频率快速变化的瞬态系统测试，实时频谱仪与现代扫频式频谱仪的硬件结构几乎完全相同，其区别主要体现在以下两方面：

①实时频谱仪的中频处理具有“实时处理”的特征。扫频式频谱仪采用“频谱扫描”方式获得信号频谱，一次频谱扫描只能获取整个扫频宽度中的一部分频谱数据，两次扫描之间允许存在一定的时间间隔，对于两次扫描之间，信号的变化，扫频式频谱仪是检测不到的。实时频谱仪采用“实时信号处理”的方式获得信号频谱，一次频谱扫描即可获得整个扫频宽度中频谱数据，其优秀的数据处理能力与灵活的触发方式相结合，可以连续捕获输入信号的瞬变信息。

②实时频谱仪的“实时处理带宽”更宽。为适应宽带快速变化信号的捕捉与分析，实时频谱仪的“实时处理带宽”，达到80MHz～110HMz，并可以对整个带宽内的信号进行实时分析。扫频式频谱仪的处理带宽（中频带宽）一般在40MHz以下，而且允许两次频谱扫描之间存在一定的时间间隔，因此，实频谱仪对硬件性能的要求比扫频式频谱仪高的多。

实时频谱仪的典型应用是迅速突发性干扰信号测试、跳频系统测试、捷变频雷达系统测试、电子对抗系统测试等。

1.2背景及意义

从事通信工程的技术人员，十分关心信号的谐波失真，交调失真、噪声背景、调制等各种频谱情况，因为这些对通信质量都有重要的影响。于是对于频谱分析则能很明了知道以上情况的来龙去脉。如谐波失真，看频谱分析的结果，便知道有没有倍频干扰，如噪声背景，便可知噪声是那些频率段的噪声，并在此可以设置特定滤波器来滤掉噪声，于是频域分析有时更清楚。同时通过频谱测试还可以了解信号的频谱占用情况，从而可以知道使用频率应该在哪个频率段，防止频率之间干扰而影响信号传输。

又如电磁兼容性EMC（Electro Magnetic Compatibility），即设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。从而，只有知道其频率范围和周围环境的频率范围才能判断是否达到干扰。又如EMI。

基于种种，对于信号频谱分析尤为重要。

由傅立叶变换知，时域电信号可以分解为一个、多个、甚至是连续的不同频率、不同幅度和不同相位的正弦波因此，用适当的方法，我们可以把时域波形分解为相应的正弦波分量，然后对它们分别进行分析与测量。每个正弦波的性质由幅度和相位决定，换句话说，他们可以把时域信号等效到频域中去进行分析和测量，这就是频谱分析。基于此，让其信号频谱在屏幕上显示出来，一边更好的观察频谱，这便产生了频谱分析仪。

2 频谱分析原理与技术指标

2.1 基本原理

科学发展到今天，我们可以用许多方法测量一个信号，不管它是什么信号。通常所用的最基本的仪器是示波器，观察信号的波形、频率、幅度等。但信号的变化非常复杂，许多信息是用示波器检测不出来的，如果我们要恢复一个非正弦波信号F’从理论上来说，它是由频率F1、电压Vl与频率为F2、电压为v2信号的矢量迭加。从分析手段来说，示波器横轴表示时间，纵轴为电压幅度，曲线是表示随时问变化的电压幅度。这是时域的测量方法，如果要观察其频率的组成，要用频域法，其横坐标为频率，纵轴为功率幅度。这样，我们就可以看到在不同频率点上功率幅度的分布，就可以了解这两个(或是多个)信号的频谱。有了这些单个信号的频谱，我们就能把复杂信号再现、复制出来。这一点是非常重要的。对于一个有线电视信号，它包含许多图像和声音信号，其频谱分布非常复杂。在卫星监测上，能收到多个信道，每个信道都占有一定的频谱成份，每个频率点上都占有一定的带宽。这些信号都要从频谱分析的角度来得到所需要的参数。从技术实现来说，目前有两种方法对信号频率进行分析。

2.1.1 动态信号的分析方法

其一是对信号进行时域的采集，然后对其进行傅立叶变换，将其转换成频域信号。我们把这种方法叫作动态信号的分析方法。

特点：比较快，有较高的采样速率，较高的分辨率。即使是两个信号间隔非常近，用傅立叶变换也可将它们分辨出来。但由于其分析是用数字采样，所能分析信号的最高频率受其采样速率的影响，限制了对高频的分析。目前来说，最高的分析频率只是在10MHz或是几十MHz，也就是说其测量范围是从直流到几十MHz。是矢量分析。这种分析方法一般用于低频信号的分析，如声音，振动等。

2.1.2 扫描调谐分析仪

另一方法原理则不同。它是靠电路的硬件去实现的，而不是通过数学变换。

它直接接收，称为超外差接收直接扫描调谐分析仪。我们叫它为扫描调谐分析仪。在工作中通常所用的HP-859X系列频谱仪都是此类的分析仪。其优点是扫描调谐分析法受器件的影响，只要我们把器件频率做得很高，其分析能力就会很强。目前的工艺水平，器件可达100GHz，最高甚至可做到325GHz。其频率范围要比前一种分析方法大很多。只是在达到较高分辨率时，其分析测量的时间会有所增加。在实际工作中，无线信号卫星信号的监督，由于其频率很高，都是采用扫描调谐的方式。它所能给我们的信息没有相位参数，只有幅度、频率。它是一种标量的分析方法。另外，这种方法有很高的灵敏度，它受到前端扫描调谐器件的控制，还有很高的动态范围。

2.2 技术指标

频谱分析仪的主要技术指标分为频率指标和幅度指标，频率指标包括频率范围和频率分辨率，幅度指标包括灵敏度，失真，动态范围。

2.2.1频率指标

(1) 频率范围

频谱仪的频率范围告诉我们频谱仪可以调谐观测的最小频率和最大频率低频端：可以观测诸如观测基带和中频信号。

高频端：可以观测诸如观测（已调制）信号及信号谐波和杂波干扰。（2）频率分辨率

频谱分析仪的频率分辨率是它区分临近频率分量的能力。

两个等幅信号之间频率差为中频滤波器的3dB带宽时，合成响应曲线仍有两个峰值，中间下沉大约3dB我们认为它们是可分辨的，因此称中频滤波器的3dB 带宽为频谱仪的分辨率带宽RBW。如是两个信号的频率两个不同频率的信号能够被清楚的分辨出来的最低频宽差异,两个不同频率的信号频宽如低于频谱分析仪的RBW （分析带宽）,此时该两信号将重叠,难以分辨,较低的RBW固然有助於不同频率信号的分辨与量测,低的RBW将滤除较高频率的信号成份,导致信号显示时产生失真,失真值与设定的RBW密切相关,较高的RBW固然有助於宽频带信号的侦测,将增加杂讯底层值(Noise Floor),降低量测灵敏度,对於侦测低强度的信号易产生阻碍,因此适当的

RBW宽度是正确使用频谱分析仪重要的概念。

于是便有了另一个概念VBW（显示带宽），在测试时能看到更宽的频率范围，如果要观测的信号更精细，则需要减少。 为了获得最佳的分辨结果显示效果，VBW一般取RBW的0.1倍（处于自动档的频谱分析仪一般自动设置为该比例关系）。

非等幅信号分辨需要更小的RBW

除了RBW外，中频滤波器的类型和选择性、残留调频、以及本振的相位噪声也影响到频谱仪的频率分辨率。

2.2.2 幅度指标

（1）灵敏度

灵敏度是频谱仪能够测量的最小信号，频谱仪本身产生的随机噪声限制了测量能力。

（2）失真

大信号使频谱仪出现非线性失真

（3）动态范围

动态范围是频谱分析仪的一个重要指标，这个指标通常是指频谱仪能同时测量最大和最小信号的能力，它描述了频谱分析仪在存在大信号的情况下测量小信号的能力。我们可以设想将两个信号接到分析仪的输入端，一个信号是该分析仪输入量程所允许的最大电平，而另一个信号电平相当小，使较小信号的幅度降低，

直至不再检测到它为止。就在较小信号刚好能被测量时，这两个信号电平的比值(以dB表示)便定义为该分析仪的动态范围。

图1 动态范围示意图

在频谱仪的输入端是单一频率的信号，由于仪器内部使用了非线性器件，必然产生输入信号频率中所没有的许多谐波分量。如果输入信号不是单频信号，则还会有各种互调失真分量。谐波失真、互调失真以及剩余响应幅度最高的那个将最终限制动态范围。

综上，常用的频谱仪是超外差结构的，中频带宽就是RBW，是频谱仪最重要的测量用参量。避免内部失真的方法，加大衰减，发现失真项不随衰减变化时，此时测试的就是信号的失真。最大动态范围是内部失真和信噪比两者之间的平衡。

3频谱仪的设计方案

频谱分析仪是在频域上观察电信号特征，并在显示仪器上显示当前信号频谱图的仪器。从实现方式上可分为模拟式与数字式以及虚拟式仪器三类方案，下面对三种方案进行比较：

3.1模拟式频谱分析仪

模拟方式的频谱仪以模拟滤波器为基础，通常有并行滤波法、顺序滤波法，可调滤波法、扫描外差法等实现方法，现在广泛应用的模拟频谱分析仪设计方案多为扫描外差法，此方案原理框图如图1.1：

图 1.1 模拟外差式频谱仪原理框图

图中的扫频振荡器是仪器内部的振荡源，当扫频振荡器的频率在一定范围内扫动时，输入信号中的各个频率分量在混频器中产生差频信号

（），依次落入窄带滤波器的通带内（这个通带是固定的），获得中频增益，经检波后加到Y放大器，使亮点在屏幕上的垂直偏移正比于该频率分量的幅值。由于扫描电压在调制振荡器的同时，又驱动X放大器，从而可以在屏幕上显示出被测信号的线状频谱图。这是目前常用模拟外差式频谱仪的基本原理。模拟外差式频谱仪具有高带宽和高频率分辨率等优点，但是模拟器件调试复杂，短期实现有难度，尤其是在对频谱信息的存储和分析上，逊色于新兴的数字化频谱仪方案。

3.2数字式频谱分析仪

数字式频谱仪通常使用高速A/D采集当前信号，然后送入处理器处理，最后将得到的各频率分量幅度值数据送入显示器显示，其组成框图如图1.2：

图 1.2 数字式频谱仪组成框图

3.2.1 按信号处理方式分类

按照对信号处理方式的不同，数字式频谱仪可分为以下三种：

(1)基于FFT技术的数字频谱仪：

这种频谱仪利用快速傅里叶变换可以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结果。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FFT处理后获得频谱分布图。FFT技术的数字式频谱分析仪在速度上明显超过传统的模拟式频谱分析仪，能够进行实时分析。但由于FFT所取的是有限长度，运算的点数也是有限的，因此，实现高扫频宽度和高频率分辨率需要高速A/D转换器和高速数字器件的配合。

(2)基于数字滤波法的数字式频谱仪

这种频谱仪原理上等同于模拟频谱仪中的并行滤波法或可调滤波法，通过设置多个窄带带通数字滤波器，或是中心频率可变的带通数字滤波器，提取信号经过数字滤波器的幅度值，实现测量信号频谱的目的，该方法受到数字器件资源的限制，无法设置足够多的数字滤波器，从而无法实现高频率分辨率和高扫频宽度。

(3)基于外差原理的数字式频谱仪

"数字式外差"原理是把模拟外差式频谱分析仪中的各模块利用数字可编程器件实现，其原理框图如图1.3：

图1.3 基于外差原理的数字式频谱仪原理框图

信号经高速A/D采集送入处理器，通过硬件乘法器与本地由DDS产生的本振扫频信号混频，变频后信号不断移入低通数字滤波器，然后提取通过低通滤波器的信号幅度，根据当前频率和提取到的幅度值，即可以绘制当前信号频谱图。

该方案利用数字器件实现传统方式上的外差式扫频仪，不但提高了速度，同时还可以对频谱信息实现存储和分析。理论上，只要数字滤波器的阶数足够高，频率分辨率可以做到很小，相比FFT数字频谱仪方案和数字滤波法，系统中只要使用一个固定截止频率的低通滤波器，消耗资源少，同时可以省去大容量的存储器，这就在保证系统精度的前提下提高了系统集成度，节省了宝贵的片内资源。

鉴于系统要求基于超外差原理设计频谱分析仪，权衡超外差频谱仪的模拟方案与数字方案，本系统采取方案二中的数字外差法方案。

3.2.2 按频谱仪实现方式分类

（1）基于单片机处理方式：

以单片机为控制中心，通过对采样电路的控制进行波形实时采样、数据处理和存储显示。该方案西贡规模较小，有一定的灵活性，成本低廉，但是受限于单片机速度，难以实现信号的实时处理和显示。

（2）基于FPGA与单片机联合开发方式。

充分利用FPGA与单片机联合开发方式。充分利用FPGA在逻辑设计上的优势，来完成对外部信号的采集，处理和存储。以单片机来控制液晶屏显示。通过51单片机来完成人机界面、系统控制、信号分析处理、变换，由FPGA完成高速数据采集，实现等效采样（数据处理和控制显示）等功能。最大限度地实现了设计的数字化、集成化，并具有功能强大、性能稳定、系统可再升级等特点。

方案一受单片机数据处理缓慢，对复杂书记处理效率不高的特点制约，难以实现题目要求。方案二利用单片机在软件控制方面的通用性和FPGA在逻辑设计上的优势，较好的进行资源优化，有效的缩短了设计时间，增大了设计的成功率，使得系统有更强大的功能，。综合以上两种，方案二更好。

（3）基于FPGA的嵌入式开发

目前国内在这方面的产品也比较多，大多采用DSP+FPGA的模式。由于系统中采用了多个主芯片，所以在系统集成度和系统可靠性方面，将不会优于单芯片

的SOPC解决方案。

此方案最大的特色是采用了基于FPGA的软核处理器的SOPC，改变传统的MCU+FPGA的模式，将控制部分和数字信号处理部分集成在一片即GA内部，实

现了片上系统，减小了体积和功耗。系统的升级空间很大，由于FPGA的软核处理器可以在以后不改变外围硬件电路的情况下对系统CPU进行升级，提高系统性能，提高其周期。

当然此种方案有很多好处，其集成性强，从而抗干扰能力也强，但由于其实现的难度却大大增加，本次设计放弃此种方式，相对于单片机+FPGA方式，各个发挥自己的优势，一个控制能力强，一个处理能力强，从而可以更好的完成设计。

3.3虚拟频谱分析仪

随着计算机技术的迅速发展，利用软件进行信号处理技术的应用日益广泛已开发的用于虚拟仪器的数字信号处理和图像处理软件的功能也日益强大，由于NI公司LabVIEW包含有信号分析和处理函数库部分，因此，利用LabVIEW提供的信号分析函数库，配合已开发的数字示波器即可实现虚拟信号频谱分析仪的信号处理功能，其信号的分析侧重于对信号频谱的分析以及滤波处理。

虚拟频谱分析仪即可以对虚拟信号发生器所产生的信号进行频谱分析。也可以对通过信号调理器，基于PCI总线的DAQ卡组成的采集系统所采集到的外部信号进行频谱分析。其中，在对外部信号进行频谱分析时，外界被测信号首先传送到信号调理电路，且由信号调理电路对它进行放大、滤波、隔离等处理后，再经数据采集卡进行A/D转换以将模拟信号转换为数字信号，然后由软件对被测试信号进行频谱分析和处理，最后得到测试结果，并按要求将它们显示或储存起来。

当然，此种方法相对前两者简单，但其不够直观，用起来必须要计算机和其软件，且系统缺乏性能指标评价和难以进行全面系统性能的考核，虚拟仪器属于间接测量原理；其仪器指标与其硬件平台指标有较大差异，用户容易混淆其中的差别，导致指标提法和应用的混乱状况；解决方式是同时给出硬件平台指标和虚拟仪器指标参数，且量化误差的情况不可避免。

4 方案实现

本设计采用的方案如图1所示，以单片机为控制部件，FPGA为数字信号算法处理单元的方式来完成对本系统的设计，其中单片机型号为C8051F121，。系统在遵循抽样定理的前提下，在时域内截取适当长度的一段信号，对信号进行抽样量化，按照具体的步骤求取信号的频谱，并将信号的频谱显示在LCD显示器上，同时还要提供友好的人机会话功能。在前面提到的研究目标及内容中指出的该系统的主要功能包括最小分辨率1Hz，分析带宽为0～5MHz的各种信号。

图1 系统总体设计框图

在这个方案中，由于选用的单片机内部集成了AD转换器，能够有效的完成对AGC压差的测量，从而计算出对输入信号的放大倍数；另外该单片机内部高速控制内核和丰富的存储器，使其能够完成对整个系统的控制；FPGA芯片内部丰富的存储器资源，这确保该硬件系统有足够的空间存储采集的点数，完成离散傅立叶变换、数字滤波器、数字混频等信号处理。

4.1理论分析

（1）数字下变频FFT的分析

这是整个频谱分析的核心理论，也是本系统在设计中的突出地方。随着高速A/D变换和DSP技术的发展,数字下变频的FFT技术能够有效减少传统FFT技术存在的内存不足等问题。在高中频、高采样率系统中,能实现信号频谱的高分辨率、低存储量和低运算量,从而极大地提高了系统的实时性。

基于数字下变频的FFT技术的实现原理框图如图2所示。

图 2 数字下混频的结构图

假设希望对整个频带中频率为的两边±B/2的一段频率范围内进行FFT,整个处理过程可分为数字下变频和FFT滤波2个模块。

数字下变频模块的处理过程包括以下3个步骤【1】:

(1)数字变频,将感兴趣部分的频谱下变频到零频附近。

(2)高抽取滤波,用一个带宽等于B的高抽取滤波器(如4级CIC抽取滤波器)对变频至零频的信号滤波,则输出信号含有在±B/2范围内的频率成分。

(3)抽取,实现对滤波后信号的抽取。若 /B=R,得R为抽取因子,此时输出数据的采样频率缩小了R倍;【2】

FFT滤波模块的处理过程则包括以下2个步骤:【3】

(1)加窗FFT,对经过数字下变频的I/Q两路信号先乘上窗函数,然后进行复数FFT。此时FFT的点数为M=N/R,其频谱就是±B/2内的频谱,但却有传统N点FFT的分辨率效果。

(2)取模,就是获取复信号的幅度信息,由于FFT输出值的每个点对应一个频率点,所以输出的就是信号的频谱。

（2）DDS原理

用DDS原理实现扫频信号的信号源主要由参考频率源、相位累加器、正弦波采样点存储RAM、数模转换器及低通滤波器构成。设参考频率源频率为，计数容量为的相位累加器（为相位累加器的位数），若频率控制字为，则DDS系统输出信号的频率为，而频率分辨率为。【4】为达到输出频率范围为5MHz的要求，考虑到实际低通滤波器性能的限制，为200MHz，相位累加器的位数为32位，其中高10位用做ROM地址读波表（一个正弦波周期采样1024个点），频率控字也为32位，这样理论输出频率便可满足要求

4.2 软件总体设计

本系统软件设计包括单片机部分和FPGA部分，单片机作为整个系统的核心控制单元主要负责系统的初始化、键盘输入控制以及LCD显示等功能，而FPGA 的高速并行计算性能让它很适合进行实时性要求比较高的信号处理运算。系统实现流程如图6所示：

图6 软件流程图

当系统上电后，单片机就分别对整个系统各个模块进行初始化操作，写入默认的CIC、FIR滤波器参数和写入默认的数字混频器频率值。程序初始化以后，系统就开始以默认的中心频率和分辨率进行频谱分析，进入等待键盘输入状态。当用户通过键盘重新输入中心频率和分辨率等参数以后，单片机重新刷新LCD，同时，我们还可以通过键盘对LCD上的画面进行操作，进行光标的移动，软件算出对应光标处的频率值并在LCD上显示，而且还可以对整个图像的放大和缩小以达到对频谱的更好观察。