摘要：频谱分析仪是一种用于检测电信号频谱特性的仪器，广泛应用于通信、雷达和电子产品研发等领域。本文设计了一种基于ZYNQ系列片上系统(SoC)和AD9361的简易频谱分析仪。光谱数据可以通过串口发送到上位机，在上位机中通过MATLAB对数据进行处理和分析。与普通频谱分析仪相比，这种简易频谱分析仪使用方便，体积小，功能扩展非常方便。经测试，该频谱分析仪的带宽为40MHz，其通带范围为LO(本振)-20MHz至LO 20MHz。频谱分析仪可以精确分析0dBm到-65dBm的信号功率范围。
简介频谱分析仪是一种用于测量电信号频谱特性的仪器，主要用于测量相关频段信号的频谱。使用频谱分析仪，我们可以观察到信号在频域的分布、信号能量等频谱信息。随着电子通信行业的不断发展，频谱分析仪广泛应用于通信、电子、雷达和电子产品研发等领域，是电子工程师重要的频域分析工具。随着信号分析的不断发展，需要实现频谱分析仪与主机的通信。频谱分析仪可以通过网口、USB接口和串口向上位机发送数据。在上位机中，可以利用MATLAB、GNU radio等工具对数据进行处理，扩展了频谱分析仪的功能[1]。而且传统的频谱分析仪过于昂贵，个人和小团体难以承受。基于此，本文采用Xilinx ZYNQ系列SoC和AD9361射频收发器完成了低成本简易频谱分析仪的设计与实现。与传统的光谱仪相比，该光谱仪价格低廉，便于携带。
1系统设计
本系统设计采用ZedBoard开发板和AD9361射频收发器。ZedBoard开发板是Digilent公司基于ZYNQ-7000系列SoC制作的低成本开发板。这个开发板的主芯片是ZYNQ系列XC7Z020芯片，采用了两个ARM Cortex-A9 MPCore作为其处理器(PS处理系统)。采用Xilinx 7系列FPGA作为PL可编程逻辑，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接收器2发射器RF收发器，具有可编程和宽带宽特性。其工作频率范围为70 MHz ~ 6 GHz，支持的信道带宽为200 kHz ~ 56 MHz。AD9361可以根据用户设置滤波器、本振和增益等参数。满足用户的需求设计[3]。设计了一种基于Xilinx ZYNQ-7000系列的可编程SoC平台。将AD9361板插入平台，利用AD9361收集相应的带宽数据。采集的数据通过XC7Z020的PL部分进行时频转换，然后利用ARM通过串口将频谱分析结果发送到计算机。分析带宽为040 MHz，分辨率为25kHz。
本文设计了基于FFT的频谱分析仪。其中，主要模块包括射频输入与转换模块、频谱分析模块、ZYNQ PS(处理系统)控制模块、串行传输模块和上位机处理模块。其基本结构如图1所示。
图1系统结构
图2 ad 9361接收框图
图3 ZYNQ PL部分的频谱分析模块
其中，各部分的具体功能如下：
RF的输入模块和转换利用AD9361 RF收发器完成，其中AD9361内置的本振(LO)完成RF信号到中频的转换，ADC完成模数转换，后续的抽取滤波器执行下采样。最后得到采样率为60MSPS的I/Q信号，通过FMC接口送到ZedBoard进行进一步处理。
频谱分析模块由ZYNQ SoC的PL部分完成，主要完成频谱分析仪的频谱计算功能，其中射频输入和转换模块的数据信息通过FMC接口接收，经过时序转换、加窗和FFT转换后，通过DMA发送到ZYNQ SoC的PS模块中的存储空间，供PS部分读写。
ZYPS控制模块是整个模块的控制中心，控制射频输入模块和频谱分析模块。其中，AD9361的控制包括调整AD9361的本振(LO)输出、调整输入通道的低通滤波器带宽、调整增益模式和增益以及调整各级的采样速率。频谱分析模块的控制是：调整FFT点数等。PS模块可以读取光谱数据并将光谱数据传输到网络端口通信模块。该模块在Linux系统下完成，移植到ZYNQ PS上。
串行通信模块：通过该模块，可以将频谱数据从频谱分析仪传输到上位机，或者从上位机传输到频谱分析仪。如果需要高传输速率，可以使用网口进行传输。
上位机处理模块：该模块在上位机中进一步处理、显示和完成利用MATLAB工具得到的光谱数据的谱图。
2系统实施
2.1基于AD9361的射频输入和转换模块。AD9361是系统的射频输入和转换模块，主要完成混频、滤波、模数转换和下采样等预处理。处理后的数字信号通过数字接口送到ZedBoard，由ZYNQ的PL部分进行进一步的信号处理。
如图2所示，它是AD9361的接收通道，完成从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模拟低通滤波器、一个12位ADC和四级数字下变频滤波器。可以省略每个数字下变频滤波器。I/Q的接收通道相同[4]。根据设计要求，有：增益控制方式和增益、本振、低通滤波系数、各部分采样率、FIR滤波系数等。
图4 ad采集的测量数据
图5 PC接收串行输出数据。
图6光谱仪测试结果
本设计中，各部分系数如下：收发方式：采用FDD的收发方式；增益模式：自动增益模式；LO频率设置：给上位机提供相应的界面，可以根据用户设置的要求；
低通滤波器设置：低通滤波器的3dB带宽为40MHz；
ADC采样时钟频率：480MHz；
HB3/DEC3下采样滤波器：2倍抽取，输出数据采样频率为240MHz；Hb下采样滤波器：2倍抽取，输出数据采样频率为120MHz；HB1下采样滤波器：2倍抽取，输出数据的采样频率为60MHz；
表1频谱分析仪的测试数据
RX FIR滤波器设置：跳过这个FIR滤波器，输出数据的采样频率为60MHz；数字接口：采用LVDS传输方式。该设计可以通过配置AD9361的相关寄存器来实现。以下是AD9361的一些主要寄存器。
地址0x003是AD9361的Rx使能和滤波器控制寄存器，用于控制接收通道的使能和数字寄存器的信息。该寄存器应配置为0X9C，因为使用了FDD的单次触发单次接收模式，HB3、HB2和HB1抽取2倍，并且省略了FIR滤波器。
地址0x005是AD9361的RFPLL分频器寄存器。该寄存器的值可以配置为对VCO进行分频，以获得接收通道的LO频率信息。
地址0x012是AD9361的并行端口配置寄存器，可以配置AD9361的数字接口。本设计采用LVDS的双端口模式，因此该寄存器的值设为0x10。地址0x013是AD9361的ENSM模式寄存器，通过配置该寄存器，可以在FDD状态机和TDD状态机之间转换。
本设计采用FDD模式，因此该寄存器的值为0x01。AD9361的VCO频率相关寄存器的地址是0x231~0x235。这组寄存器中设置的VCO值可以是6GHz~12GHz，经过0x005寄存器中设置的值分频后，它将成为AD9361 RX的LO。计算公式为：
此外，ADI公司提供了基于Xilinx SDK的AD9361控制功能，可用于配置AD9361，简化了AD9361的配置流程，提高了工作效率，提高了配置的精度。
zynq PS与AD9361之间的通信
Zyps通过SPI和GPIO接口与AD9361通信。ZYNQ包含两个SPI控制器，可以在主/从模式或多主模式下工作。在本设计中，ZYNQ PS中的一组SPI控制器用于读写AD9361的相关寄存器。在ZYNQ上，我们可以通过MIO引出多达54个GPIO引脚，所有GPIO都可以单独配置为输入、输出和中断功能。在本设计中，GPIO用于配置AD9361的TXNRX、NABLE和RESETB引脚，以控制AD9361。
2.3基于ZYNQ PL的频谱分析模块。频谱分析模块主要由定时处理模块、加窗模块、FFT模块和DMA模块完成。FFT点数由ZYNQ PS器件通过AXI GPIO模块控制。图3显示了ZYNQ PL的频谱分析部分的框图。
数字信号输入是模拟信号，通过射频输入和转换模块后得到。数字信号的采样率为60MSPS，在LVDS模式下通过FMC接口输入到模块的输入端。
时序处理模块将PL中相关模块的时序与AD9361收发器的数字接口时序相互转换，使其频谱分析模块能够正常工作。
在利用FPGA进行信号处理时，不可能对无限大的信号进行测量和分析，只能对信号进行截断，并延长截断部分的周期进行处理。然而，以这种方式获得的信号中会出现频谱泄漏。为了减少频谱泄漏的影响，在计算FFT之前应采用加窗技术。常见的窗口有汉宁窗口、汉明窗口和高斯窗口。本设计采用8192点汉宁窗，减少信号截断带来的频谱泄漏。
FFT模块对输入数据进行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。FFT模块的计算点数为8 ~ 8，192，FFT模块使用Xilinx提供的IP核。
ZYNQ PS模块为频谱分析模块提供控制信息，接收AXI DMA传输的频谱数据。Zyps和AXI GPIO通过AXI4协议传输数据，与AXI DMA通过AXI Lite协议控制信号。AXI流协议用于FFT和DMA之间的数据传输。通过AXI协议在DMA和ZYNQ PS HP接口之间传输，可以有很高的吞吐量和性能，但是需要额外的逻辑资源。
zynq与PC的通信为了方便频谱分析仪的频谱分析和控制，设计参考文献[7]采用串口将频谱分析数据发送到PC，频谱分析数据先通过DMA传输到PS的内存中，再通过串口发送到PC。串口传输速率慢，FFT转换不是连续转换。一旦所有转换后的数据通过串行端口发送，将进行下一次转换。
3系统测试
为了方便观察结果，我们在项目中加入了ILA模块，对AD采集的数据进行监控，如图4，Vivado中硬件管理器中捕获的AD输入数据，图5为串口接收相应FFT后的数据。将AD9361的本振设置为1.9GHz，外部信号源设置为1.902GHz，频率为-50dBm。频谱数据经上位机处理后，得到如图6所示的结果，其中MATLAB计算的2MHz的功率值为-49.7101dbm。
表1显示了该频谱分析仪测试的一些数据，测试期间本地振荡器设置为1.9GHz。测试结果表明，该频谱分析仪的通频带为LO-20MHz至Lo-20MHz，在该通频带内可精确分析的信号功率为0dBm至-65dBm，平均误差小于1.5dB，当信号源频率与本振频率之差为20 MHz时，绝对误差约为1dB。经过分析，是AD9361内部的模拟低通滤波器降低了信号，因此产生了误差。
4.总结与展望本文设计并实现了一个基于ZedBoard平台和AD9361射频收发器的简易频谱分析仪。频谱分析仪的核心部件是AD9361和ZedBoard，再加上一台计算机，便宜、方便、可靠。成品可以供个人或小团队使用。如果传输速率较高，可以使用ZedBoard的网络端口将频谱分析后的数据传输到PC。
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