基于AD9361的简易频谱分析仪设计与实现

　　地址0x005为AD9361的RFPLL Dividers寄存器，可以配置该寄存器的值，对VCO进行分频，得到接收通路的LO频率信息。

(1)

　　地址0x012为AD9361的 Parallel Port Configuration寄存器，可以配置AD9361数字接口的方式，本设计中，采用LVDS的双端口模式，因此，这里设置该寄存器的值为0x10。

　　地址0x013为AD9361的ENSM Mode寄存器，可以通过配置该寄存器AD9361的FDD状态机和TDD状态机之间的转换。本设计中，采用FDD模式，因此设该寄存器的值为0x01。

　　AD9361的VCO频率相关寄存器地址为0x231~0x235，该组寄存器设置的VCO值可以为6GHz~12GHz，经过0x005寄存器所设置的值进行分频后，作为AD9361 RX的LO。其计算公式为：

(2)

(3)

　　此外，ADI公司提供了基于Xilinx SDK的AD9361控制函数，可以使用这些函数对AD9361进行配置，这样可以简化AD9361的配置过程，提高工作效率，并提高配置的准确性。

2.2 ZYNQ PS与AD9361的通信

　　ZYNQ PS与AD9361采用SPI和GPIO接口进行通信。ZYNQ内包含两个SPI控制器，可以工作在主/从模式或多主机模式下。本次设计采用ZYNQ PS中的一组SPI控制器对AD9361的相关寄存器进行读写。在ZYNQ上，我们可以通过MIO引出最多54个GPIO引脚，所有的GPIO都可以单独配置成输入、输出以及中断的功能。本设计中，采用GPIO对AD9361的TXNRX、ENABLE以及RESETB引脚进行配置，以达到对AD9361控制的目的。

2.3 基于ZYNQ PL的频谱分析模块

　　频谱分析模块主要由时序处理模块、加窗模块、FFT模块及DMA模块完成，FFT的点数由ZYNQ PS部分通过AXI_GPIO模块控制，图3为ZYNQ PL频谱分析部分的框图。

　　数字信号输入为模拟信号，经过射频输入及转换模块后得到的数字信号，该数字信号的采样率为60MSPS，由LVDS方式通过FMC接口输入至该模块输入端。

　　时序处理模块将PL中相关模块的时序和AD9361收发机的数字接口时序进行相互转换，使其频谱分析模块可以正常工作。

　　由于在使用FPGA进行信号处理中，不可能对无限长的信号进行测量和分析，只能对信号进行截断，并对截断部分进行周期拓展并进行处理。但这样得到的信号会发生频谱泄露现象。为了减小频谱泄露的影响，需在计算FFT变换之前采用加窗技术，常见的窗有：hanning窗、hamming窗以及Gaussian窗等。本设计采用8192点的hanning窗，以减少由于信号截断所带来的频谱泄露现象。

　　FFT模块对输入的数据进行FFT或IFFT变换，得到时域数据的频谱信息或频域数据的时域信息。其中FFT模块的计算点数为8~8192点，FFT模块使用Xilinx官方提供的IP 核。

　　ZYNQ PS模块为频谱分析模块提供控制信息，并接收由AXI_DMA传输的频谱数据。ZYNQ PS与AXI_GPIO通过AXI4协议进行数据传输，与AXI_DMA通过AXI_Lite协议进行控制信号传输。FFT与DMA之间使用AXI_Stream协议进行数据传输。

　　DMA与ZYNQ PS HP接口之间通过AXI协议进行传输，这样可以拥有很高的吞吐率和性能，但需要花费额外的逻辑资源。

2.4 ZYNQ与PC通信

　　为了更方便地进行频谱分析以及对频谱分析仪的控制，设计参考文献[7]采用串口方式将得到的频谱分析数据发送到PC端，频谱分析首先数据经过DMA传输到PS的内存中，然后通过串口将数据发送到PC端。串口速率传输较慢，FFT转换并不是持续转换，一次转换数据全部通过串口发送完毕后，再进行下一次转换。

3 系统测试

　　为了方便观察结果，我们在工程中加入了ILA模块监视AD采集到的数据，如图4所示，在Vivado中的Hardware Manager中抓取的AD输入数据，图5为串口收到对应FFT后的数据。

　　将AD9361的本振设置为1.9GHz，外接信号源设置为1.902GHz，且频率为-50dBm，得到的频谱数据经过上位机处理后得出图6所示的结果，其中MATLAB所计算出来的2MHz的功率值为-49.7101dBm。

　　表1为利用该频谱分析仪测试的一些数据，测试时本振设置为1.9GHz。

　　测试结果表明，该频谱分析仪通带范围为LO-20MHz到LO+20MHz，在该通带范围内可以较为准确地分析的信号功率为0dBm到-65dBm，平均误差小于1.5dB。当信号源频率与LO频率相差为20MHz时，绝对误差约为1dB左右。经过分析，是AD9361内部的模拟低通滤波器部分对信号造成了消减，因此产生了误差。

4 总结与展望

　　论文采用ZedBoard平台以及AD9361射频收发机设计并实现了一款简易频谱分析仪，该频谱分析仪核心部件为AD9361和ZedBoard，外加一台电脑，成本低廉，方便可靠，成品作为个人或小型团队使用。如果对传输速率有更高的要求，可以利用ZedBoard的网口将频谱分析后的数据传送到PC端。

参考文献：

　　[1]Harikrishnan B, Raghul R, Shibu R M, et al. All programmable SOC based standalone SDR platform for researchers and academia[C]// Computational Systems and Communications (ICCSC), 2014 First International Conference on. IEEE, 2014:384 - 386.

　　[2]陆佳华, 江舟, 马岷. 嵌入式系统软硬件协同设计实战指南：基于Xilinx Zynq[M]. 北京:机械工业出版社, 2013.

　　[3]Analog Devices, Inc. RF Agile Transceiver AD9361 Data Sheet[EB/OL]. http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD9361.pdf.

　　[4]Analog,Devices.AD-FMCOMMS3-EBZ-UserGuide[EB/OL].http://wiki.analog.com/resources/eval/user-guides/ad-fmcomms3-ebz.

　　[5]孟宪元. Xilinx新一代FPGA设计套件Vivado应用指南[M]. 清华大学出版社, 2014.

　　[6]Louise, H. Crockett, Ross, A. Elliot, Martin, A. Enderwitz, Robert, W. Stewart. The Zynq Book Tutorials[J/OL]. http://www.zynqbook.com/downloads.html.

　　[7]夏柯, 门兰宁. 基于ZYNQ-7000 DMA控制器的UART数据传输的设计与实现[J]. 信息系统工程, 2014, (9):113-114.

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