基于嵌入式便携频谱仪的设计与研制
发布时间：2020-12-24 08:03
随着5G的全球商用时代的到来,频谱资源作为重要的战略资源也越来越被国家重视。军用或者民用设备的逐年增多,无线电频谱资源的需求和其本身的有限性之间的矛盾愈发显现。某些不法分子非法利用频谱资源牟利,危害国家社会安全。因此为了科学化管理频谱资源,提高频谱利用率,打击违法行为,提高频谱监测能力的必要性不言而喻。同时电子设备智能化、微型化的趋势已然形成,对于电子设备的性能和集成度提出了更高的要求。因此设计开发便携式的频谱监测分析设备具有重要意义。针对以上问题,本文开展了基于嵌入式片上系统平台的便携式的频谱仪的系统设计研究,研究内容包括了频谱分析的理论基础,整个系统的总体设计,频谱分析软件的功能实现和最终的测试与验证。本文的具体工作如下:对于频谱仪系统的总体设计,从功能需求入手,比较超外差式接收机架构和零中频接收机架构的优劣,设计了基于Zynq嵌入式平台和AD9371射频收发器结合的系统硬件结构。针对本文的设计需求,实现Zynq的嵌入式Linux开发环境的搭建。同时利用ADI公司提供的Libiio库编程设计实现了对AD9371的配置使用。对频谱监测分析工作进行了理论研究,重点研究了信号的各种时频分...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
AD9371芯片内部结构
第二章频谱仪的系统设计方案与设计平台15相关功能组成，其中Cortex-A53MPCore处理器是Armv8架构，可以完全后向兼容Armv7架构，它能在AArch32和AArch64操作模式切换，允许32位应用和64位应用在64位操作系统上一起执行。具有独立的32Kb一级缓存和1MB的二级缓存，8级顺序执行的简单流水线，能够提供低功耗，高效率的企业级性能。实时处理单元（RPU）：用一对基于armv7架构的32位Cortex-R5处理器作为实时处理单元，具有专用紧密耦合内存(TCM)的实时处理单元，可以实现对本地RAM低延迟访问，常用于许多关键性安全应用。图2-5ZCU102评估板内部资源结构图形处理单元（GPU）：图形处理单元是一个基于ArmMali-400MP2硬件加速器的2D和3D的图形子系统。拥有一个机和处理器，两个像素处理器，共享的64KB二级缓存控制器，128位的AXI主总线接口。大量的外设接口：包括网口、I2C接口、SPI接口、USB、CAN总线、SD卡控制器、高速串行接口、以及通用I/O口。2）PL端
电子科技大学硕士学位论文28ZCU102的SD卡插槽，上电后就可以启动为整个系统定制的linux系统，测试结果由后面的测试章节展示。图3-2内核配置3.3Libiio编写AD9371控制Libiio库用于连接Linux工业输入/输出(IIO)子系统,它简化了Linux工业I/O(IIO)设备的软件接口的开发[45]。该库抽象了硬件的底层细节，并提供了一个简单但完整的编程接口，可用于高级项目。LinuxIIO子系统旨在为数模，模数转换器等设备提供支持，还包括加速度计、陀螺仪、IMUs、电容到数字转换器(CDCs)、压力传感器、光传感器、温度传感器、磁力仪、DDS(直接数字合成)、PLLs(锁相环)、可变/可编程增益放大器(VGA、PGA)和射频收发器[46]。可以在嵌入式Linux目标上本地使用libiio(本地模式)，或者使用libiio通过USB、以太网或串口从主机Linux、Windows或MAC与相同的目标进行远程通信。这里主要介绍如何设计libiio的程序从嵌入式平台控制AD9371的工作模式，如何从AD9371中获取数据。Libiio的接口函数模型如图3-3所示：Libiio库的最主要的四个结构体是iio_context,iio_device，iio_channel,iio_buffer。一个iio_context对象可能包含了数个iio_device对象，它代表了整个库的实例。一个iio_device对象只会与一个iio_context对象有关，它可能包含了数个iio_channel对象，比如AD9371就是双通道的。一个iio_device对象有时候绑定一个iio_buffer对象，表示这个设备的数据缓冲区。
【参考文献】：
期刊论文
[1]无线电监测技术研究现状和发展方向[J]. 李伟康. 中国新通信. 2019(21)
[2]轨道交通移动通信技术发展分析及建议[J]. 蔺伟,李毅. 现代城市轨道交通. 2019(09)
[3]基于AD9371和Zynq UltraScale+MPSOC的多通道宽带通信平台[J]. 苏兆忠. 电子质量. 2019(07)
[4]实施动态频谱管理 提高资源利用效率[J]. 丁家昕,方箭,王坦. 中国无线电. 2018(01)
[5]SOC与单片机应用技术的发展[J]. 刘佳璐. 通讯世界. 2017(07)
[6]5G移动通信技术发展与应用趋势[J]. 曾剑秋. 电信工程技术与标准化. 2017(02)
[7]无线频谱监测与定位技术现状与未来趋势[J]. 彭勃. 中国无线电. 2017(01)
[8]5G频谱研究现状及展望[J]. 方箭,李景春,黄标,冯岩. 电信科学. 2015(12)
[9]嵌入式处理器和嵌入式操作系统研究概述[J]. 徐德. 电脑知识与技术. 2014(16)
[10]基于FFTW库分步傅里叶变换算法并行方案研究[J]. 刘帅,李智,王晶. 装备学院学报. 2013(02)
博士论文
[1]认知无线电中频谱感知优化与无线资源管理的研究[D]. 杜红.北京邮电大学 2012
硕士论文
[1]基于SOPC的嵌入式Linux操作系统移植以及USB HCD实现[D]. 张洪.重庆大学 2015
[2]手持式频谱监测设备的嵌入式系统与驱动设计[D]. 张鑫.电子科技大学 2015
[3]无线电管理信息系统架构研究与设计[D]. 朱臻真.哈尔滨理工大学 2014
[4]基于WinCE的免疫检测酶标仪系统设计与实现[D]. 朱家亮.上海交通大学 2012
[5]基于手持移动终端的灾情数据采集系统研究[D]. 刘瑞.上海师范大学 2012
[6]雷达接收机自动测试系统的研制[D]. 王永东.南京理工大学 2008
[7]手持式频谱分析仪嵌入式系统设计[D]. 涂志强.电子科技大学 2008
[8]嵌入式软件测试的研究[D]. 徐柯.电子科技大学 2006
[9]射频频谱分析仪的设计研究[D]. 梁强.合肥工业大学 2006
[10]基于ARM-Linux的嵌入式产品平台构建[D]. 陈军.浙江大学 2004
本文编号：2935294
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
AD9371芯片内部结构
第二章频谱仪的系统设计方案与设计平台15相关功能组成，其中Cortex-A53MPCore处理器是Armv8架构，可以完全后向兼容Armv7架构，它能在AArch32和AArch64操作模式切换，允许32位应用和64位应用在64位操作系统上一起执行。具有独立的32Kb一级缓存和1MB的二级缓存，8级顺序执行的简单流水线，能够提供低功耗，高效率的企业级性能。实时处理单元（RPU）：用一对基于armv7架构的32位Cortex-R5处理器作为实时处理单元，具有专用紧密耦合内存(TCM)的实时处理单元，可以实现对本地RAM低延迟访问，常用于许多关键性安全应用。图2-5ZCU102评估板内部资源结构图形处理单元（GPU）：图形处理单元是一个基于ArmMali-400MP2硬件加速器的2D和3D的图形子系统。拥有一个机和处理器，两个像素处理器，共享的64KB二级缓存控制器，128位的AXI主总线接口。大量的外设接口：包括网口、I2C接口、SPI接口、USB、CAN总线、SD卡控制器、高速串行接口、以及通用I/O口。2）PL端
电子科技大学硕士学位论文28ZCU102的SD卡插槽，上电后就可以启动为整个系统定制的linux系统，测试结果由后面的测试章节展示。图3-2内核配置3.3Libiio编写AD9371控制Libiio库用于连接Linux工业输入/输出(IIO)子系统,它简化了Linux工业I/O(IIO)设备的软件接口的开发[45]。该库抽象了硬件的底层细节，并提供了一个简单但完整的编程接口，可用于高级项目。LinuxIIO子系统旨在为数模，模数转换器等设备提供支持，还包括加速度计、陀螺仪、IMUs、电容到数字转换器(CDCs)、压力传感器、光传感器、温度传感器、磁力仪、DDS(直接数字合成)、PLLs(锁相环)、可变/可编程增益放大器(VGA、PGA)和射频收发器[46]。可以在嵌入式Linux目标上本地使用libiio(本地模式)，或者使用libiio通过USB、以太网或串口从主机Linux、Windows或MAC与相同的目标进行远程通信。这里主要介绍如何设计libiio的程序从嵌入式平台控制AD9371的工作模式，如何从AD9371中获取数据。Libiio的接口函数模型如图3-3所示：Libiio库的最主要的四个结构体是iio_context,iio_device，iio_channel,iio_buffer。一个iio_context对象可能包含了数个iio_device对象，它代表了整个库的实例。一个iio_device对象只会与一个iio_context对象有关，它可能包含了数个iio_channel对象，比如AD9371就是双通道的。一个iio_device对象有时候绑定一个iio_buffer对象，表示这个设备的数据缓冲区。
【参考文献】：
期刊论文
[1]无线电监测技术研究现状和发展方向[J]. 李伟康. 中国新通信. 2019(21)
[2]轨道交通移动通信技术发展分析及建议[J]. 蔺伟,李毅. 现代城市轨道交通. 2019(09)
[3]基于AD9371和Zynq UltraScale+MPSOC的多通道宽带通信平台[J]. 苏兆忠. 电子质量. 2019(07)
[4]实施动态频谱管理 提高资源利用效率[J]. 丁家昕,方箭,王坦. 中国无线电. 2018(01)
[5]SOC与单片机应用技术的发展[J]. 刘佳璐. 通讯世界. 2017(07)
[6]5G移动通信技术发展与应用趋势[J]. 曾剑秋. 电信工程技术与标准化. 2017(02)
[7]无线频谱监测与定位技术现状与未来趋势[J]. 彭勃. 中国无线电. 2017(01)
[8]5G频谱研究现状及展望[J]. 方箭,李景春,黄标,冯岩. 电信科学. 2015(12)
[9]嵌入式处理器和嵌入式操作系统研究概述[J]. 徐德. 电脑知识与技术. 2014(16)
[10]基于FFTW库分步傅里叶变换算法并行方案研究[J]. 刘帅,李智,王晶. 装备学院学报. 2013(02)
博士论文
[1]认知无线电中频谱感知优化与无线资源管理的研究[D]. 杜红.北京邮电大学 2012
硕士论文
[1]基于SOPC的嵌入式Linux操作系统移植以及USB HCD实现[D]. 张洪.重庆大学 2015
[2]手持式频谱监测设备的嵌入式系统与驱动设计[D]. 张鑫.电子科技大学 2015
[3]无线电管理信息系统架构研究与设计[D]. 朱臻真.哈尔滨理工大学 2014
[4]基于WinCE的免疫检测酶标仪系统设计与实现[D]. 朱家亮.上海交通大学 2012
[5]基于手持移动终端的灾情数据采集系统研究[D]. 刘瑞.上海师范大学 2012
[6]雷达接收机自动测试系统的研制[D]. 王永东.南京理工大学 2008
[7]手持式频谱分析仪嵌入式系统设计[D]. 涂志强.电子科技大学 2008
[8]嵌入式软件测试的研究[D]. 徐柯.电子科技大学 2006
[9]射频频谱分析仪的设计研究[D]. 梁强.合肥工业大学 2006
[10]基于ARM-Linux的嵌入式产品平台构建[D]. 陈军.浙江大学 2004
本文编号：2935294
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