DSP 頻譜分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周錦榮，馮翰輝

（閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，漳州 363000）

在本科電類專業(yè)特別是通信專業(yè)教學(xué)中，頻譜分析是理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。頻譜分析主要就是將時(shí)域信號轉(zhuǎn)化為頻域進(jìn)行處理，如利用快速傅氏變換（FFT）、離散傅氏變換（DFT）等。通過基2 - 按時(shí)間抽取的FFT 運(yùn)算理論， 利用TMS320VC5416 DSP 與液晶接口等硬件，對采集到的信號進(jìn)行FFT 運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)信號的頻譜變換，并由液晶顯示出轉(zhuǎn)換結(jié)果波形[1]。設(shè)計(jì)中基于案例教學(xué)需要，采用北京瑞泰創(chuàng)新科技有限責(zé)任公司生成的ICETEKVC5416-A 實(shí)驗(yàn)板，通過CCS 編程仿真平臺，實(shí)現(xiàn)對輸入信號的頻譜分析和顯示[2-4]。系統(tǒng)方框圖如圖1 所示[1-3]。

圖1 系統(tǒng)模塊框圖Fig.1 System block diagram

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 信號采集電路

信號采集電路使用ICETEK-VC5416-A 實(shí)驗(yàn)板自帶的AD 轉(zhuǎn)換模塊，AD 芯片采用TI 公司生產(chǎn)的ADS7864，如圖2 所示。該模塊中，采用8 MHz 的有源晶振為AD 芯片提供時(shí)鐘，在該時(shí)鐘下采樣速率最高可達(dá)500 kHz。ADS7864 使用的方式是非差分方式，采用輸入信號的范圍為0～5 V，而5416DSP 為3.3 V 器件，所以在硬件連接設(shè)計(jì)時(shí)要采用電平轉(zhuǎn)換芯片對信號線和數(shù)據(jù)線進(jìn)行隔離。電平轉(zhuǎn)換芯片采用TI 公司生產(chǎn)的SN74LVTH162245，該芯片為3.3 V低功耗器件，16 位三態(tài)輸出總線收發(fā)器，同時(shí)提供與TTL 兼容的5 V 系統(tǒng)接口，可用于不同電平系統(tǒng)之間的接口芯片，同時(shí)提高總線的驅(qū)動能力[5-6]。設(shè)計(jì)中使用IO 地址port0782 讀AD 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，port0783 用于AD 通道選擇，port0784 用于啟動AD 轉(zhuǎn)換[3]。

圖2 信號采集電路框圖Fig.2 Signal acquisition circuit diagram

1.2 顯示模塊的設(shè)計(jì)

由于DSP 速度較快而液晶速度較慢，在設(shè)計(jì)DSP 與液晶的接口電路時(shí)，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存，以保證數(shù)據(jù)在DSP 執(zhí)行內(nèi)部延時(shí)程序時(shí)不會發(fā)生不可預(yù)知的變化，設(shè)計(jì)中選用SN74HC573 對總線信號鎖存，同時(shí)滿足與液晶接口8 位需求[7]。液晶控制端口E、RS、RW 均為MCU 到液晶的單向控制線，無復(fù)用，因此該處鎖存器芯片的輸出使能端接地，一直處于輸出使能狀態(tài)，數(shù)據(jù)接口的芯片連接方式與其相近，讀液晶數(shù)據(jù)時(shí)，打開總線收發(fā)器74LS245，同時(shí)使數(shù)據(jù)輸出鎖存器輸出使能處于無效狀態(tài)。IO 地址portFEFF 用于給液晶的三個(gè)控制端口E、RW、RS 寫控制命令，portFBFF 和portFBFF 用于液晶數(shù)據(jù)端口的讀和寫[3]。顯示接口電路如圖3 所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序分為信號采集、頻譜變換以及LCD 顯示三個(gè)主要模塊，主流程圖如圖4 所示。

圖3 液晶顯示接口電路Fig.3 Interface circuit of liquid crystal display

圖4 系統(tǒng)主流程圖Fig.4 The main flow chart of system

信號采集模塊利用定時(shí)器中斷讀取AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果，通過設(shè)置中斷的時(shí)間可以改變實(shí)際的采樣頻率，采集到的信號存放到ptr 指針指向的以0×6000 開始的512 個(gè)單元中，供第二個(gè)模塊使用。當(dāng)采集完成時(shí)，關(guān)定時(shí)器中斷，終止對信號的采集，同時(shí)設(shè)置state 等于FOURIER，在下個(gè)主循環(huán)來臨時(shí)，轉(zhuǎn)移到頻譜變換模塊。FFT 變換模塊通過指針方式將采集到的信號復(fù)制到傅里葉變換程序的入口中，然后調(diào)用匯編編寫的傅里葉變換程序rfft_task（），轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在real_fft_output 數(shù)組中，供LCD 顯示時(shí)使用。變換完成后令state=LCD_DISP，當(dāng)下個(gè)主循環(huán)來臨時(shí)進(jìn)入LCD 顯示模塊。LCD 顯示模塊主要調(diào)用了兩個(gè)函數(shù)，ShowFFT（）和Showwave（）。ShowFFT（）主要用于顯示實(shí)際轉(zhuǎn)換后的FFT 波形，由于采用打點(diǎn)方式，波形具有離散性，顯示貼近真實(shí)但是不易觀察。Showwave（）主要用于顯示放大后的FFT 波形，該波形經(jīng)過處理，易于觀察，但是由于LCD 顯示空間有限，處理過的波形只能在一個(gè)比較窄的范圍內(nèi)顯示。兩種顯示波形進(jìn)行對比，易于觀察。

頻譜變換模塊采用基2-按時(shí)間抽取的FFT 運(yùn)算實(shí)現(xiàn)對信號的傅里葉變換，其流程如圖5 所示[8]。由于采集的信號為實(shí)數(shù)序列，為簡化運(yùn)算，需要對實(shí)數(shù)序列進(jìn)行一定的變換。

圖5 FFT 程序流程圖Fig.5 FFT program flow chart

LCD 顯示流程如圖6 所示。設(shè)計(jì)中利用GUI_Point（unsigned int x，unsigned int y，unsigned int flag）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，該函數(shù)中x 代表顯示橫坐標(biāo)，y 代表顯示縱坐標(biāo)，flag=1 點(diǎn)亮，flag=0 代表擦除。根據(jù)該函數(shù)沿順序地址取出FFT 結(jié)果，顯示在LCD 上，顯示結(jié)果為離散的打點(diǎn)圖形，不易觀察。因此顯示函數(shù)分為兩部分，ShowFFT（）用于顯示實(shí)際的FFT 波形，Showwave（）用于顯示放大修正后的波形。

圖6 LCD 顯示流程圖Fig.6 LCD display chart

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對于本系統(tǒng)而言，軟件程序所實(shí)現(xiàn)的功能相對獨(dú)立，因此可以對特定功能的程序單獨(dú)調(diào)試，例如FFT 子程序。在對程序進(jìn)行仿真時(shí)，可以利用CCS 軟件自帶的圖形顯示功能，將采集到的信號以及FFT輸出結(jié)果通過圖形方式顯示出來[9]。

圖7 輸入信號波形Fig.7 Actual input signal waveform

如圖7 為用示波器觀測到的實(shí)際信號的波形，圖8 為采集到的信號數(shù)據(jù)，通過圖形顯示功能顯示出來的波形。波形顯示采集得到的信號準(zhǔn)確。

圖8 CCS 采集到的信號波形Fig.8 Collected signal waveform of CCS

如圖9 為采集到信號的實(shí)際頻譜波形，該波形用CCS 自帶圖形顯示功能產(chǎn)生，為實(shí)際的信號頻譜。圖10 為經(jīng)過FFT 變換后得到的信號頻譜，通過觀察可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過FFT 變換后的頻譜波形特征量與實(shí)際頻譜相同，基本可以反映原來信號的特性。

圖9 信號實(shí)際頻譜圖Fig.9 Actual signal spectrum

圖10 信號FFT 變換后的波形Fig.10 Signal FFT transform waveform

在程序運(yùn)行正確后，將處理結(jié)果顯示到液晶顯示器上，顯示效果如圖11 所示。該圖中下半屏為實(shí)際顯示的波形，上半屏為修正放大后的頻譜波形，兩圖中剔除了直流分量的顯示。從圖中可以看到頻譜波形與軟件仿真出來的波形接近，反映的信號特性一致，達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖11 液晶顯示的波形Fig.11 Liquid crystal display waveform

4 結(jié)論

系統(tǒng)基于案例教學(xué)需要，以TI 公司的TMS320VC5416 芯片為核心部件，利用快速傅里葉變換FFT 對采集到的信號進(jìn)行頻譜變換，設(shè)計(jì)并制作完成基于DSP 的頻譜分析系統(tǒng)，在頻率點(diǎn)確定上雖然存在一些誤差，但整體基本符合預(yù)期要求，具有案例教學(xué)或?qū)嶋H應(yīng)用設(shè)計(jì)參考價(jià)值。該系統(tǒng)還留有許多改進(jìn)的余地，例如可以增大FFT 的點(diǎn)數(shù)，以提高頻率分辨率，提高采樣率，獲得更大的頻帶寬度。但是采樣率的提高伴隨著的FFT 點(diǎn)數(shù)也得相應(yīng)增大，否則頻率分辨率將會降低，因此必須兩者互相匹配，才能達(dá)到要求。

［1］ 卜紅霞，胡永杰，齊焱焱，等. 基于DSP 的頻譜分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（7-2）：208-209.

［2］ 周錦榮，馮翰輝，王輝，等. 基于DSP 的交通燈控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)［J］. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，24（2）：84-86.

［3］ 北京瑞泰創(chuàng)新科技有限責(zé)任公司.ICETEK-VC5416-A板及教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱說明書［EB/OL］.［2013-04-10］.http：//wenku.baidu.com/view/534f5002bed5b9f3f90f1c52.html.

［4］ 劉益成. TMS320C54x DSP 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)與開發(fā)［M］. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［5］ 劉明成，劉瑞安. 基于AD9852 多模式信號的應(yīng)用研究［J］. 天津師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，31（3）：59-62.

［6］ 池志鵬，陶然，單濤. 基于TMS320C6701 控制多片AD9852 的接口電路的設(shè)計(jì)［J］. 電子技術(shù)應(yīng)用，2004，30（3）：58-60.

［7］ 許敬淑，傅華明，劉川. 一種基于DSP 實(shí)現(xiàn)的LCD 液晶屏顯示技術(shù)［J］. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（24）：52-54.

［8］ 吳宏鋼，秦樹人. 基于DSP 技術(shù)的虛擬式FFT 頻譜分析儀［J］. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，27（7）：21-23.

［9］ 彭啟琮 張?jiān)娧?，常? TI DSP 集成開發(fā)環(huán)境（CCS）使用手冊［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.