基于 ZYNQ系列 SoC和AD9361實現的簡易頻譜分析儀

摘要：頻譜分析儀是用來檢測電信號頻譜特征的儀器，在通信、雷達以及電子產品研發等領域有著廣泛的應用。本文設計了基于ZYNQ系列SoC（System on chip）和AD9361實現的簡易頻譜分析儀，頻譜數據可以通過串口發送給上位機，并在上位機中通過MATLAB進行數據處理和分析。相比普通頻譜分析儀，該簡易頻譜分析儀使用便捷，體積小，且十分便于功能擴展。經測試，該頻譜分析儀帶寬為40MHz，其通帶范圍為LO（Local Oscillator ）-20MHz到LO+20MHz，該頻譜分析儀可以較為準確地分析信號功率范圍為0dBm到-65dBm。

引言頻譜分析儀是用來測量電信號頻譜特征的儀器，主要用于測量相關頻段內的信號頻譜。使用頻譜分析儀，可以觀測到信號在頻域中的分布情況、信號能量及其他頻譜信息。隨著電子通信產業的不斷發展，頻譜分析儀廣泛運用在通信、電子、雷達及電子產品研發等領域，是電子工程師重要的頻域分析工具。隨著對于信號分析的不斷發展，應實現頻譜分析儀與上位機的通信。頻譜分析儀可以通過網口、USB接口及串口向上位機發送數據，在上位機中，MATLAB、GNU radio等多種工具軟件可以被用于處理該數據，擴展了頻譜分析儀的功能[1]。而且傳統的頻譜分析儀價格昂貴，個人和小型團體均無力承受?；诖?，本文使用Xilinx ZYNQ系列SoC及AD9361射頻收發機完成了低成本簡易頻譜分析儀的設計與實現。與傳統的頻譜儀相比，該頻譜儀價格低廉、便于攜帶。

1 系統設計

本系統設計采用ZedBoard開發板和AD9361射頻收發機。ZedBoard開發板是Digilent公司基于ZYNQ-7000系列SoC制作的低成本開發板，該開發板的主芯片為ZYNQ系列XC7Z020芯片，該芯片使用兩塊ARM Cortex-A9 MPCore作為處理器（PS Processing System），并采用Xilinx 7系列FPGA作為可編程邏輯部分（PL Programmable Logic），實現了高靈活性、高性能和強大的配置功能[2]。

AD9361是一款高性能、高度集成的2收2發射頻收發機，該收發機具有可編程、寬帶寬等特點，其工作頻率范圍為70MHz～6GHz，支持的通道帶寬為200KHz～56MHz。AD9361可以根據用戶需求設置濾波器、本振、增益等參數，以契合用戶設計[3]。設計主要基于Xilinx ZYNQ-7000系列的可編程SoC平臺，在平臺上插接AD9361板卡，利用AD9361進行對應帶寬數據的采集，采集到的數據經過XC7Z020的PL部分進行時頻轉換，然后利用ARM將頻譜分析結果通過串口發送至計算機。頻譜分析帶寬為0～40MHz，分辨率為25kHz。

本文采用基于快速傅里葉變換(FFT)完成頻譜分析儀的設計。其中，主要模塊包括射頻輸入及轉換模塊、頻譜分析模塊、ZYNQ PS（Processing System）控制模塊、串口傳輸模塊以及上位機處理模塊。其基本結構如圖1所示。

圖1 系統結構

圖2 AD9361接收框圖

圖3 ZYNQ PL 部分的頻譜分析模塊

其中，各部分的具體功能如下：

射頻輸入模塊及轉換，使用AD9361射頻收發機完成搭建，其中，通過AD9361內置的本地振蕩器（LO）完成對射頻信號的射頻到中頻的轉換，通過ADC完成模數轉換，并通過后續的抽取濾波器進行下采樣，最終得到I/Q兩路分別為60MSPS采樣率的信號，通過FMC接口送入ZedBoard，進行下一步處理。

頻譜分析模塊，該模塊使用ZYNQ SoC的PL部分完成，主要完成頻譜分析儀的頻譜計算功能，其中通過FMC接口接收到射頻輸入及轉換模塊的數據信息，對其進行時序轉換、加窗和FFT變換后，通過DMA發送至ZYNQ SoC的PS模塊內的存儲空間中，供PS部分讀寫。

ZYNQ PS控制模塊，該模塊為整個模塊的控制中樞，完成對射頻輸入模塊及頻譜分析模塊的控制。其中，對AD9361的控制為：調節AD9361的本振（LO）的輸出，調節輸入通路低通濾波器的帶寬，調節增益模式及增益大小，調節各級采樣率等。對頻譜分析模塊的控制為：調節計算FFT的點數等。PS模塊可以讀取頻譜數據，并將頻譜數據傳輸給網口通信模塊。該模塊在ZYNQ PS上移植的Linux系統中完成。

串口通信模塊：通過該模塊，可以完成由頻譜分析儀到上位機的頻譜數據的傳輸，也可以由上位機到頻譜分析儀，如果需要高的傳輸速率，可以使用網口進行傳輸。

上位機處理模塊：該模塊在上位機中，通過使用MATLAB工具對所得的頻譜數據進行進一步的處理、顯示和完成頻譜圖。

2 系統實現

2.1 基于AD9361的射頻輸入及轉換模塊AD9361為系統的射頻輸入及轉換模塊，主要對輸入的模擬信號進行混頻、濾波、模數轉換和降采樣等預處理。并將處理完成的數字信號通過數字接口送入ZedBoard，供ZYNQ的PL部分進行進一步的信號處理。

如圖2所示，為AD9361的接收通路，AD9361接收通路完成射頻信號到基帶信號的部分?；鶐盘柼幚戆▋蓚€可編程的模擬低通濾波器，一個12bit ADC，以及4級的數字下變頻濾波器。每個數字下變頻濾波器都可以被略去。其中I/Q兩路的接收通路是相同的[4]。根據設計需求，需要調節的有：增益控制模式及增益、本振大小、低通濾波器系數、各部分采樣率以及FIR濾波器系數等。

圖4 AD采集的數據實測圖

圖5 PC端收到串口輸出數據

圖6 頻譜儀測試結果

在本次設計中，各部分的系數為：收發模式：使用FDD單收單發的收發模式；增益模式：自動增益模式；LO頻率設置：給上位機提供相應接口，可以根據用戶需求進行設置；

低通濾波器設置：低通濾波器3dB帶寬為40MHz；

ADC采樣時鐘頻率：480MHz；

HB3/DEC3下采樣濾波器：進行2倍抽取，輸出數據的采樣頻率為240MHz；HB2下采樣濾波器：進行2倍抽取，輸出數據的采樣頻率為120MHz；HB1下采樣濾波器：進行2倍抽取，輸出數據的采樣頻率為60MHz；

表1 頻譜分析儀測試數據

RX FIR濾波器設置：對該FIR濾波器進行略過，輸出數據的采樣頻率為60MHz；數字接口：采用LVDS傳輸模式。通過對AD9361的相關寄存器進行配置，可以完成對設計的實現，以下對AD9361的一些關鍵寄存器進行介紹。

地址0x003為AD9361的Rx Enable and Filter Control寄存器，該寄存器用于控制接收通路的使能及數字寄存器的信息。由于使用FDD的單發單收模式，且HB3、HB2和HB1皆為2倍抽取，且將FIR濾波器略去，故該寄存器應配置為0X9C。

地址0x005為AD9361的RFPLL Dividers寄存器，可以配置該寄存器的值，對VCO進行分頻，得到接收通路的LO頻率信息。

地址0x012為AD9361的 Parallel Port Configuration寄存器，可以配置AD9361數字接口的方式，本設計中，采用LVDS的雙端口模式，因此，這里設置該寄存器的值為0x10。地址0x013為AD9361的ENSM Mode寄存器，可以通過配置該寄存器AD9361的FDD狀態機和TDD狀態機之間的轉換。

本設計中，采用FDD模式，因此設該寄存器的值為0x01。AD9361的VCO頻率相關寄存器地址為0x231~0x235，該組寄存器設置的VCO值可以為6GHz~12GHz，經過0x005寄存器所設置的值進行分頻后，作為AD9361 RX的LO。其計算公式為：

此外，ADI公司提供了基于Xilinx SDK的AD9361控制函數，可以使用這些函數對AD9361進行配置，這樣可以簡化AD9361的配置過程，提高工作效率，并提高配置的準確性。

2.2 ZYNQ PS與AD9361的通信

ZYNQ PS與AD9361采用SPI和GPIO接口進行通信。ZYNQ內包含兩個SPI控制器，可以工作在主/從模式或多主機模式下。本次設計采用ZYNQ PS中的一組SPI控制器對AD9361的相關寄存器進行讀寫。在ZYNQ上，我們可以通過MIO引出最多54個GPIO引腳，所有的GPIO都可以單獨配置成輸入、輸出以及中斷的功能。本設計中，采用GPIO對AD9361的TXNRX、NABLE以及RESETB引腳進行配置，以達到對AD9361控制的目的。

2.3 基于ZYNQ PL的頻譜分析模塊頻譜分析模塊主要由時序處理模塊、加窗模塊、FFT模塊及DMA模塊完成，FFT的點數由ZYNQ PS部分通過AXI_GPIO模塊控制，圖3為ZYNQ PL頻譜分析部分的框圖。

數字信號輸入為模擬信號，經過射頻輸入及轉換模塊后得到的數字信號，該數字信號的采樣率為60MSPS，由LVDS方式通過FMC接口輸入至該模塊輸入端。

時序處理模塊將PL中相關模塊的時序和AD9361收發機的數字接口時序進行相互轉換，使其頻譜分析模塊可以正常工作。

由于在使用FPGA進行信號處理中，不可能對無限長的信號進行測量和分析，只能對信號進行截斷，并對截斷部分進行周期拓展并進行處理。但這樣得到的信號會發生頻譜泄露現象。為了減小頻譜泄露的影響，需在計算FFT變換之前采用加窗技術，常見的窗有：hanning窗、hamming窗以及Gaussian窗等。本設計采用8192點hanning窗，以減少由于信號截斷所帶來的頻譜泄露現象。

FFT模塊對輸入的數據進行FFT或IFFT變換，得到時域數據的頻譜信息或頻域數據的時域信息。其中FFT模塊的計算點數為8~8192點，FFT模塊使用Xilinx官方提供的IP 核。

ZYNQ PS模塊為頻譜分析模塊提供控制信息，并接收由AXI_DMA傳輸的頻譜數據。ZYNQ PS與AXI_GPIO通過AXI4協議進行數據傳輸，與AXI_DMA通過AXI_Lite協議進行控制信號傳輸。FFT與DMA之間使用AXI_Stream協議進行數據傳輸。DMA與ZYNQ PS HP接口之間通過AXI協議進行傳輸，這樣可以擁有很高的吞吐率和性能，但需要花費額外的邏輯資源。

2.4 ZYNQ與PC通信為了更方便地進行頻譜分析以及對頻譜分析儀的控制，設計參考文獻[7]采用串口方式將得到的頻譜分析數據發送到PC端，頻譜分析首先數據經過DMA傳輸到PS的內存中，然后通過串口將數據發送到PC端。串口速率傳輸較慢，FFT轉換并不是持續轉換，一次轉換數據全部通過串口發送完畢后，再進行下一次轉換。

3 系統測試

為了方便觀察結果，我們在工程中加入了ILA模塊監視AD采集到的數據，如圖4所示，在Vivado中的Hardware Manager中抓取的AD輸入數據，圖5為串口收到對應FFT后的數據。將AD9361的本振設置為1.9GHz，外接信號源設置為1.902GHz，且頻率為-50dBm，得到的頻譜數據經過上位機處理后得出圖6所示的結果，其中MATLAB所計算出來的2MHz的功率值為-49.7101dBm。

表1為利用該頻譜分析儀測試的一些數據，測試時本振設置為1.9GHz。測試結果表明，該頻譜分析儀通帶范圍為LO-20MHz到LO+20MHz，在該通帶范圍內可以較為準確地分析的信號功率為0dBm到-65dBm，平均誤差小于1.5dB。當信號源頻率與LO頻率相差為20MHz時，絕對誤差約為1dB左右。經過分析，是AD9361內部的模擬低通濾波器部分對信號造成了消減，因此產生了誤差。

4 總結與展望論文采用ZedBoard平臺以及AD9361射頻收發機設計并實現了一款簡易頻譜分析儀，該頻譜分析儀核心部件為AD9361和ZedBoard，外加一臺電腦，成本低廉，方便可靠，成品作為個人或小型團隊使用。如果對傳輸速率有更高的要求，可以利用ZedBoard的網口將頻譜分析后的數據傳送到PC端。