基于AD9361的简易频谱分析仪设计与实现

摘要：频谱分析仪是用来检测电信号频谱特征的仪器，在通信、雷达以及电子产品研发等领域有着广泛的应用。本文设计了基于ZYNQ系列SoC(System on chip)和AD9361实现的简易频谱分析仪，频谱数据可以通过串口发送给上位机，并在上位机中通过MATLAB进行数据处理和分析。相比普通频谱分析仪，该简易频谱分析仪使用便捷，体积小，且十分便于功能扩展。经测试，该频谱分析仪带宽为40MHz，其通带范围为LO(Local Oscillator )-20MHz到LO+20MHz，该频谱分析仪可以较为准确地分析信号功率范围为0dBm到-65dBm。

引言

　　频谱分析仪是用来测量电信号频谱特征的仪器，主要用于测量相关频段内的信号频谱。使用频谱分析仪，可以观测到信号在频域中的分布情况、信号能量及其他频谱信息。随着电子通信产业的不断发展，频谱分析仪广泛运用在通信、电子、雷达及电子产品研发等领域，是电子工程师重要的频域分析工具。

　　随着对于信号分析的不断发展，应实现频谱分析仪与上位机的通信。频谱分析仪可以通过网口、USB接口及串口向上位机发送数据，在上位机中，MATLAB、GNU radio等多种工具软件可以被用于处理该数据，扩展了频谱分析仪的功能^[1]。而且传统的频谱分析仪价格昂贵，个人和小型团体均无力承受。基于此，本文使用Xilinx ZYNQ系列SoC及AD9361射频收发机完成了低成本简易频谱分析仪的设计与实现。与传统的频谱仪相比，该频谱仪价格低廉、便于携带。

1 系统设计

　　本系统设计采用ZedBoard开发板和AD9361射频收发机。

　　ZedBoard开发板是Digilent公司基于ZYNQ-7000系列SoC制作的低成本开发板，该开发板的主芯片为ZYNQ系列XC7Z020芯片，该芯片使用两块ARM Cortex-A9 MPCore作为处理器(PS Processing System)，并采用Xilinx 7系列FPGA作为可编程逻辑部分(PL Programmable Logic)，实现了高灵活性、高性能和强大的配置功能^[2]。

　　AD9361是一款高性能、高度集成的2收2发射频收发机，该收发机具有可编程、宽带宽等特点，其工作频率范围为70MHz～6GHz，支持的通道带宽为200KHz～56MHz。AD9361可以根据用户需求设置滤波器、本振、增益等参数，以契合用户设计^[3]。

　　设计主要基于Xilinx ZYNQ-7000系列的可编程SoC平台，在平台上插接AD9361板卡，利用AD9361进行对应带宽数据的采集，采集到的数据经过XC7Z020的PL部分进行时频转换，然后利用ARM将频谱分析结果通过串口发送至计算机。频谱分析带宽为0～40MHz，分辨率为25kHz。

　　本文采用基于快速傅里叶变换(FFT)完成频谱分析仪的设计。其中，主要模块包括射频输入及转换模块、频谱分析模块、ZYNQ PS(Processing System)控制模块、串口传输模块以及上位机处理模块。其基本结构如图1所示。

　　其中，各部分的具体功能如下：

　　射频输入模块及转换，使用AD9361射频收发机完成搭建，其中，通过AD9361内置的本地振荡器(LO)完成对射频信号的射频到中频的转换，通过ADC完成模数转换，并通过后续的抽取滤波器进行下采样，最终得到I/Q两路分别为60MSPS采样率的信号，通过FMC接口送入ZedBoard，进行下一步处理。

　　频谱分析模块，该模块使用ZYNQ SoC的PL部分完成，主要完成频谱分析仪的频谱计算功能，其中通过FMC接口接收到射频输入及转换模块的数据信息，对其进行时序转换、加窗和FFT变换后，通过DMA发送至ZYNQ SoC的PS模块内的存储空间中，供PS部分读写。

　　ZYNQ PS控制模块，该模块为整个模块的控制中枢，完成对射频输入模块及频谱分析模块的控制。其中，对AD9361的控制为：调节AD9361的本振(LO)的输出，调节输入通路低通滤波器的带宽，调节增益模式及增益大小，调节各级采样率等。对频谱分析模块的控制为：调节计算FFT的点数等。PS模块可以读取频谱数据，并将频谱数据传输给网口通信模块。该模块在ZYNQ PS上移植的Linux系统中完成。

　　串口通信模块：通过该模块，可以完成由频谱分析仪到上位机的频谱数据的传输，也可以由上位机到频谱分析仪，如果需要高的传输速率，可以使用网口进行传输。

　　上位机处理模块：该模块在上位机中，通过使用MATLAB工具对所得的频谱数据进行进一步的处理、显示和完成频谱图。

2 系统实现

2.1 基于AD9361的射频输入及转换模块

　　AD9361为系统的射频输入及转换模块，主要对输入的模拟信号进行混频、滤波、模数转换和降采样等预处理。并将处理完成的数字信号通过数字接口送入ZedBoard，供ZYNQ的PL部分进行进一步的信号处理。

　　如图2所示，为AD9361的接收通路，AD9361接收通路完成射频信号到基带信号的部分。基带信号处理包括两个可编程的模拟低通滤波器，一个12bit ADC，以及4级的数字下变频滤波器。每个数字下变频滤波器都可以被略去。其中I/Q两路的接收通路是相同的^[4]。

　　根据设计需求，需要调节的有：增益控制模式及增益、本振大小、低通滤波器系数、各部分采样率以及FIR滤波器系数等。

　　在本次设计中，各部分的系数为：

　　收发模式：使用FDD单收单发的收发模式;

　　增益模式：自动增益模式;

　　LO频率设置：给上位机提供相应接口，可以根据用户需求进行设置;

　　低通滤波器设置：低通滤波器3dB带宽为40MHz;

　　ADC采样时钟频率：480MHz;

　　HB3/DEC3下采样滤波器：进行2倍抽取，输出数据的采样频率为240MHz;

　　HB2下采样滤波器：进行2倍抽取，输出数据的采样频率为120MHz;

　　HB1下采样滤波器：进行2倍抽取，输出数据的采样频率为60MHz;

　　RX FIR滤波器设置：对该FIR滤波器进行略过，输出数据的采样频率为60MHz;

　　数字接口：采用LVDS传输模式。

　　通过对AD9361的相关寄存器进行配置，可以完成对设计的实现，以下对AD9361的一些关键寄存器进行介绍。

　　地址0x003为AD9361的Rx Enable and Filter Control寄存器，该寄存器用于控制接收通路的使能及数字寄存器的信息。由于使用FDD的单发单收模式，且HB3、HB2和HB1皆为2倍抽取，且将FIR滤波器略去，故该寄存器应配置为0X9C。

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第8期第49页，欢迎您写论文时引用，并注明出处