便携式80-120 MHz频谱分析仪设计

第34卷第2期2021年6月闽南师范大学学报（自然科学版）JournalofMinnanNormalUniversity（NaturalScience）Vol.34Ｎｏ．2Jun.2021便携式80～120MHz频谱分析仪设计王灵芝,凌佳乐,蔡萍,王志辉,陈颖频（闽南师范大学物理与信息工程学院,福建漳州363000）摘要：本文将超外差技术与嵌入式系统相结合设计了一款80～120MHz频谱分析仪.方案以STM32为主控，搭载μC/OSIII操作系统.STM32通过SPI接口控制PLL锁相环模块进行扫频，本振源与输入信号混频后送入中频滤波器滤波，再经有效值检测模块将功率转换为电平信号进行AD采样与处理.系统具有实时显示频谱分析结果、频率扫描时间可控、自动捕捉最大频率分量等功能.调试结果表明，该方案满足各项设计指标且具有低成本、便携操控等特点.关键词：频谱仪；超外差；STM32；ADL5801；μC/OSIII中图分类号：TP23文献标志码：A文章编号：2095-7122（2021）02-0079-07Designofportable80～120MHzspectrumanalyzerWANGLingzhi,LINGJiale,CAIPing,WANGZhihui,CHENYingpin（SchoolofPhysicsandInformationEngineering,MinnanNormalUniversity,Zhangzhou,Fujian363000,China）Abstract:Adoptedsuperheterodynetechnologyandembeddedsystem,An80～temusesSTM32asthemaincontroller,whichisequippedwithμC/32controlsthePLLaloscillateeffectivevaluedetectiontemhasfunctionssuchasrealtimespectrum-analysis,frequencysweeptimecontrolling,ultsshowthattheschememeetsvariousdesignindicators,ds:spectrumanalyzer;phase-lockedloop;STM32;ADL5801;μC/OSIII频谱分析仪是研究电信号最基本的仪器之一，利用频谱仪进行频域分析，可以使信号的观测分析摆脱了时域的限制，因此成为测试频域信号的重要工具.根据工作原理和应用领域的不同，频谱仪可以分成实时频谱仪和外差式扫频频谱仪两大类[1].实时频谱仪是在一个特定的时间内采用FFT变换来对信号进行处理，从而得到信号的幅度和频率以及相位等信息.实时频谱仪多采用FPGA配合高速AD构成数字信号处理方案，其价格昂贵，且体积庞大[2].因此，选择超外差频谱分析方案来设计一款低成本便携式频谱仪，系统包含一个基于锁相环的本振源、混频器、中频滤波器和检波器[3].本振源频率范围覆盖80~120MHz，频率步进为100KHz，在频率范围内可自动扫描，扫描时间在1~5s之间可调.频谱分析仪可在频段内扫描并能显示信号的频谱分量.此外，系统还搭载了μC/OSIII嵌入式操作系统，通过STemWin设计GUI界面实现人机交互.最终实现实时频谱收稿日期：2021-01-13基金项目：福建省自然科学基金项目(2020J05169);福建省教育厅省级教改课题(FBJG20200049);闽南师范大学校长基金(KJ19019);闽南师范大学高级别项目(GJ19019)作者简介：王灵芝(1981-),女,福建省建瓯市人,硕士,副教授．

80闽南师范大学学报（自然科学版）2021年分析、频率扫描时间控制、最大频率分量自动捕捉等功能.1设计方案本频谱分析系统主要由本振源、混频器、锁相环、中频滤波器、功率检测和STM32单片机五部分组成，输入信号在ADL5801混频器中与ADF4351锁相环产生的本振信号进行混频，输出差频信号到10.7MHz中频滤波器.再由AD8361功率检测模块将功率转换为直流信号送入STM32进行ADC采集.系统结构框图如图1所示.假设输入信号fi的频率范围80~120MHz，与本振源fls=Alssin(2πflst)相乘得到混频输出信号fm.将fm送入中频滤波器，可得到下变频后的信号分量.由此可推出被测信号fi在对应频点的信号幅度.系统选择10.6MHz的中频滤波器，当设置锁相环输出本振频率90MHz，通过混频、滤波和功率检测即可得到输入信号为80MHz的频谱分量功率.对于不同的频率分量，只要步进地改变本征信号的频率就可获得所有频率分量.1.1锁相环模块系统采用的是AD公司的ADF4351芯片产生本振信号.ADF4351是一款PLL频率合成器，频率范围35~4400MHz，可实现整数N分频和小数N分频的锁相环.芯片支持SPI协议，模拟和数字锁定检测，可通过编程控制内部6个32位寄存器[4].ADF4351模块电路图如图2所示.引脚REF_IN接外部20MHz有源晶振作为参考频率，引脚CP_OUT连接V_TUNE_F环路滤波器滤除V_TUNE引脚的高频分量，从而提供给芯片内部压控振荡器；当LD引脚输出高电平；芯片内部锁相环锁定后，输出信号通过引脚RFOUTA+和RFOUTA−差分输出.ADF4351与STM32通过SPI接口相连.DATA引脚在CLK上升沿时将引脚数据存入移位寄存器.当LE引脚上升沿时将移位寄存器内的数值送入对应的内部寄存器.信号混频器中频滤波器锁相环功率检测图1系统结构框图Fig.1Systemstructureblockdiagram图2ADF4351模块硬件电路图Fig.2HardwarecircuitdiagramofADF4351module1.2混频器模块如图3所示，系统采用ADL5801芯片来实现混频功能.ADL5801是一款具有高线性度、双平衡的有源混频器，频率范围10~6000MHz[5].输入信号与本振源分别通过两路差分引脚LOIN,LOIP,RFIN,RFIP输入，混频结果由引脚IFON,IFOP输出.随着本振源频率的变化，输出信号的幅值也会发生改变，这将影响到混频结果.借助ADL5801的VSET端的偏置调节功能可优化输入线性度、噪声系数和直流工作电流.

第2期王灵芝等：便携式80～120MHz频谱分析仪设计81图3ADL5801模块电路图Fig.3HardwarecircuitdiagramofADL5801modul1.3中频滤波模块本设计采用村田Murata低损耗10.7M陶瓷滤波器作为中频滤波器，与π型低通滤波器组成中频滤波器模块.测试电路对多种滤波器组合电路进行性能测试，五种电路如图4所示.滤波器性能分析如图5所示，可以看出单个晶振+低通滤波器的组合选频特性曲线选择性较好，选择作为中频滤波电路.单个晶振2个晶振2个晶振+低通4个晶振1个晶振+低通图4中频滤波器电路图Fig.4CircuitdiagramofIFfilter单个晶振(10.7HMZ)10.732个晶振(10.7HMZ)10.614个晶振(10.7HMZ)10.62个晶振(10.7HMZ)+低通(2*110pF+470nH)10.62单个晶振+低通(2*110pF+470nH)10.6图5滤波器性能分析图Fig.5Filterperformancediagram

82闽南师范大学学报（自然科学版）2021年1.4检波器模块设计AD8361是一款均值响应的功率检测器，带宽高达2.5GHz，工作电压为2.7~5.5V[6].如表1所示，AD8361有3种工作模式以适应各种的模数转换的需求.本设计使用接地模式，在无信号输入时输出0V更加直观.设计电路中，RFIN引脚接入输入信号，在接地模式下输入信号被转换为相对应的直流电压信号由VRMS脚输出.FLTR引脚和之间放置一个100nF电容，可以降低调制滤波器的角频率，用于小信号输入.STM32单片机通过ADC转换即可得到对应的输入信号的有效值.AD8361电路如图6所示.表1AD8361模式配置表Tab.1AD8361modeconfigurationtable参考模式接地参考模式内部参考模式电源参考模式IREF接电源悬空接电源接地接地接电源检波SREF00.35VVs/7.5无信号时输出输出7.5VINrms7.5VINrms+0.35V7.5VINrms+Vs/7.5图6AD8361模块电路图Fig.6HardwarecircuitdiagramofAD8361module2软件设计2.1系统总流程STM32运行μC/OSIII实时操作系统[7-8]，上电后创建子任务及堆栈、设置任务优先级、初始化外设和操作系统.操作系统调度执行各子任务，包括图形任务，触摸屏任务，内存任务，频谱分析任务和待机任务，系统主程序流程图如图7所示：开始创建任务优先级和堆栈初始化外设和操作系统创建开展任务和子任务任务调度图形用户界面任务触摸屏任务CCM内存任务频谱分析任务待机任务图7系统流程图Fig.7Systemflowchart

第2期王灵芝等：便携式80～120MHz频谱分析仪设计832.2频谱分析任务频谱分析包含扫频驱动函数和频谱分析算法.扫频驱动函数驱动ADF4351芯片步进输出本振频率.ADF4351内部简化图如图8所示，ADF4351输出频率由内部的压控振荡器（VCO）分频后提供，鉴频鉴相器（PFD）控制压控振荡器的输出频率，当外部参考频率分频后的频率与压控振荡器分频后的频率相等时，压控振荡器的频率不再变化，完成频率锁定.系统设定频率步进为divider分频小数、整数分频RF输出小数、整数分频参考频率图8ADF4351内部简化框图Fig.8InternalsimplifiedblockdiagramofADF4351根据原理得到以下公式(1)和(2)：RFVCDREFIN×(1+D)=，FRACR×(1+T)INT+MODRFVCD=RFOUT×DIV，(1)(2)INT为16位的整数分频RFVCO为VCO输出频率；RFOUT为ADF4351输出频率；REFIN为外部参考频率；其中，MOD为12位的小数模数；FRAC为12位的小数分频的分子.DIV是VCO输出分频器的值，比；可配置为1、R、D和T构成输入参考频率的分频系数.将D和T设置为0，R设置为1，2、4、8、16、32、64；则可以得到简化后的公式(3)：RFOUT=INT+(3)因为RFVCO频率范围在2200～4400MHz之间，若RFOUT确定则可以通过穷尽法得到一个合适的分频FRAC值DIV.将INT、带入公式求解，其中INT代表整数部分，代表小数部MOD、FRAC看作一个整体变量，MODFRAC.最终获得以上公式多种解的其中一种解，分，穷尽法求解小数部分即可得到误差足够小的MOD、使得ADF4351输出对应的频率.2.3数据分析本设计采用STM32单片机内置ADC采集AD8361有效值检测模块的直流信号，配置ADC1通道5，采用软件触发连续转换模式，配置DMA将ADC转换的数据搬运到内存.程序通过STM32单片机执行扫频操作，即初始设定ADF4351频率为80MHz，读取50次ADC数值累加后取平均，之后送入卡尔曼滤波器滤波后保存在数组中，步进100KHz，重复以上步骤，直到频率达到120MHz.由于卡尔曼滤波器的特性，在扫频的结束点和下一次扫频的开始点之间的跳变较为明显时，滤波器

84闽南师范大学学报（自然科学版）2021年会将这段跳变视为噪声进行消除，可能会影响扫频前期的结果.图9显示初始状态为0的卡尔曼滤波曲线.图9中横坐标代表ADF4351的输出频率，纵坐标为ADC采集的数值.虚线代表原始数据的曲线，实线代表卡尔曼滤波后的曲线，可以看出因为卡尔曼滤波器的连续性，在80MHz附近与原始数据差距略大.原始数据滤波后图9初始状态的卡尔曼滤波效果图Fig.9TheKalmanfiltereffectdiagramoftheinitialstate因此，为了更好地实现数据的分析与处理，去除系统噪声，本文将AD采集后的数据上传至PC端，编写Python程序进行可视化分析，取待测信号频率为103MHz，幅值为5V的数据.图10显示经过优化的卡尔曼滤波后的曲线，横坐标代表ADF4351的输出频率，纵坐标为ADC采集的数值，虚线代表原始数据的曲线，实线代表卡尔曼滤波后的曲线，可以看出优化后的卡尔曼滤波算法，不受起始状态的影响，消除原始信号的毛刺、贴近原始数据的同时不丢失原始数据的特征.分析图像得到曲线在103MHz附近幅值最小，103±10.7MHz附近幅值较大，根据这些特征即可获得曲线对应的输入待测信号频率.为了求解频谱分量，数据分析算法采用滑动窗口的方法对整段数据进行极值扫描，取出满足条件的极值进行二轮判断，根据极值周围梯度特征进行一定的偏移和功率计算，最终输出对应的频谱[9].取待测信号频率为103MHz，幅值为5V的数据，图11中点线代表频率特征提取后的曲线，可以看出，经过算法处理后，可得到最大的频率分量为103MHz.原始数据滤波后原始数据滤波后频率图10频率f=103MHz卡尔曼滤波效果图Fig.10EffectofKalmanfilteroff=103MHz图11频率f=103MHz的频谱分量图Fig.11Spectrumcomponentmapoff=103MHz

第2期王灵芝等：便携式80～120MHz频谱分析仪设计85由于算法未采用Python库函数，因此通过简单的修改就能移植到STM32单片机上进行频谱分析.2.4系统界面设计系统的界面采用STemWin设计GUI界面，可通过触屏实现人机交互.系统可测试频率范围为80~120MHz.可实现自动频谱分析、频率扫描时间控制、最大频率分量自动捕捉等功能.图11显示输入信号为82MHz，1V的正弦波时输出的频谱分析图；图12显示输入信号为103MHz，3V的正弦波时输出的频谱分析图.实验结果表明各项指标均满足要求，信号测量准确性高，频谱纯度高.图12输入信号为频率82MHz幅值1V正弦波频谱分析结果Fig.12Spectrumanalysisoffrequency82MHzamplitude1Vsinewave图13输入信号为频率103MHz幅值3V正弦波频谱分析结果Fig.13Spectrumanalysisoffrequency103MHzamplitude3Vsinewave3结束本文设计了基于STM32的便携式超外差频谱分析系统，频率范围80~120MHz.系统由STM32控制ADF4351锁相环模块进行扫频，产生步进为100KHz的本振源.本振信号与输入信号经ADL5801混频后送入10.7MHz滤波器滤波，再经有效值检测模块进行AD采样与处理.系统搭载μC/OSIII操作系统，最终实现了快速实时频谱分析功能.调试结果表明，各项设计指标均满足要求.参考文献：[1]杨君,卢小金,吴晨晖.80~100MHz超外差频谱分析仪系统设计[J].仪表技术与传感器,2018,430(11):49-52.[2]周体民,佐风玲,吴宜轩,等.基于Zedboard的便携式频谱仪的设计与实现[J].电子科技,2017,30(7):139-141,145.[3]彭亮.超外差式数字接收机的非线性消除与主动利用[D].武汉:华中科技大学,2012.[4]梁军.基于ADF4351的频率合成器设计[J].电子测试,2020(1):38-40.[5]石林.混频器芯片测试技术研究与实现[D].武汉:华中科技大学,2015.[6]张玉林,郑晓红.AD8361-0.1-2.5GHz真功率有效值响应器件及其使用方法[J].电子技术应用,2001,27(3):73-74.[7]袁志祥,甘正良.基于μC/OS-Ⅲ的实时内核中断管理机制[J].计算机工程,2015,41(11):100-105.[8]张扬,李恒,谭洁,等.基于Cortex-M4处理器的μC/OS-Ⅲ移植分析与实现[J].工业仪表与自动化装置,2017(6):15-19,64.[9]付阳阳,高志宇.基于梯度下降和滑动窗口混合算法的人体穴位定位研究[J].中医药信息,2020,37(2):106-110.[责任编辑：姜生有]