教学用低成本频谱分析仪研究
发布时间：2021-12-08 21:02
频谱分析仪被广泛应用于航空航天、军事、通信及其他相关领域,是频域测量中非常重要的仪器,有着“频域示波器”的美称。然而,在目前高校的教学中,频谱分析仪并没有得到普及,究其原因,主要为高端的频谱分析仪价格昂贵、操作复杂、体积庞大,目前市场上并没有符合其频段需求的低成本的频谱分析仪。因此,研制低端领域低成本、高性能的频谱分析仪具有广阔的市场前景。在目前高校电子技术实验教学中,信号的频率一般不超过1OMHz,为分析高次谐波成分,则需要更高频率范围的频谱分析仪。结合最近几年全国大学生电子设计竞赛情况,其对信号的频率要求基本上在300MHz以内。所以本论文旨在设计一款教学用低成本的300MHz频谱分析仪。而超外差式频谱分析仪相对于FFT分析仪而言,设计成本低、分辨率高、测量范围宽,所以本系统最终采用高中频超外差式和数字中频处理相结合的方案。系统采用STM32F429作为控制器、Altera Cyclone V系列FPGA作为信号处理器,被测信号经过射频前端处理后,实现频谱搬移至中频10.7MHz,然后经A/D采样,在FPGA中进行数字中频处理,最终在TFT屏上进行频谱显示。本系统主要由射频前端硬件...
【文章来源】：华中师范大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１超外差式频谱仪结构框图??由图２．］，超外差式频谱仪主要包括前端处理、变频、中频放大、中频滤波、??
为：输入信号先通过Ａ／Ｄ采样，然后将采样值存储在ＲＡＭ中，再通过离散ＦＦＴ变??换，计算得到信号的频谱信息［１８］。??图２．２所示即为ＦＦＴ分析仪的原理框图。输入信号通过可变衰减器、低通滤波??器后，实现对输入信号幅度的控制与频率的选择。滤波器后的信号通过取样电路和??ＡＤＣ把模拟信号变换为数字信号，并存储在ＲＡＭ中。然后再对数字信号进行ＦＦＴ??处理，获得信号的频谱，并将频谱显示在屏幕上Ｗ。??信号????????????????输入?＂＂＂任诵￣???？衰减器一＞?＿？？取样电路一？?ＡＤＣ?ＲＡＭ?—＞?ＦＦＴ?—？频谱显示??ｆｓ??图２．２?ＦＦＴ分析仪原理框图??ＦＦＴ频谱分析仪的设计需要使用高性能的ＦＦＴ硬件电路，才能获得较高的分辨??率和较高运算速度，所以其成本相对高昂。随着现代通讯技术的迅速发展，信号的??频率测量范围要求越来越高，而ＦＦＴ分析仪由于后端数字芯片的限制，其可测频率??范围、动态范围等就相应受到约束，而且ＡＤＣ前的低通滤波器也约束了输入信号??的频率范围Ｉ８］。所以
由以上指标结合频谱分析原理，并考虑系统成本和需求，设计了一套系统频谱??测量方案。本方案采用ＳＴＭ３２＋ＦＰＧＡ的架构，主要包括射频前端处理（三级混频）、??本振源、数字中频信号处理及控制显示等，实现方案的系统框图如图２．４所示。??被测信号?Ｊ?射频前端处理??Ａｎｒ纖??输入??／?（三级混频）??Ｚ?悮厌??ｌｉ?｜?＾??｜＾：＿频??７Ｉｎｃｈ?ＴＦＴ－ＬＣＤ??频谱显示??图２．４频谱测量系统框图??？主控制器：根据系统的需求，选用性价比较高的ＳＴＭ３２作为系统的主控制器，??控制射频前端的衰减器、射频开关、三级本振源的输出以及频谱显示等，协调??各模块的正常运行。??？数字中频处理：结合系统数据处理要求，选用Ａｌｔｅｒａ?Ｃｙｃｌｏｎｅ?Ｖ系列ＦＰＧＡ逻辑??芯片５ＣＳＥＭＡ５Ｈ１Ｃ６Ｎ进行数字中频处理，从ＡＤＣ模块获得采样数据进行数??字下变频处理，包括ＣＩＣ抽取滤波、ＨＢ半带滤波、ＦＩＲ整形滤波，然后进行数??字检波，最终将得到的幅值数据送入ＳＩＭ３２进行后续的处理。??？射频前端处理模块：采用超外差式频谱分析结构，主要作用是对输入信号进行??变频处理
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于FPGA的数控振荡器的研究与设计[J]. 黄净晴,陈俊,叶海鸿. 有线电视技术. 2016(09)
[2]Anritsu MS2712E频谱仪在频谱收测及频率测量中的应用探讨[J]. 杨杰,卓佳. 西部广播电视. 2016(15)
[3]不同仪器对噪声系数测量的方法[J]. 杨婷. 黑龙江科技信息. 2014(34)
[4]频谱分析原理及频谱分析仪使用技巧[J]. 孙英侠,李亚利,宁宇鹏. 国外电子测量技术. 2014(07)
[5]基于ADIsimPLL 3.1的锁相环环路滤波器设计[J]. 高立俊. 现代电子技术. 2013(15)
[6]基于FPGA的CIC抽取滤波器设计与实现[J]. 雷能芳. 计算机与数字工程. 2012(01)
[7]影响频谱分析仪频率分辨率的因素[J]. 谢宁芳. 现代电子技术. 2011(14)
[8]改进型CIC抽取滤波器的研究与设计[J]. 张茂磊,栾晓明,徐向斌. 应用科技. 2011(02)
[9]平台化信号分析仪系列覆盖无线测试需求[J]. 郭晶. 电子设计技术. 2009(12)
[10]基于FPGA和NIOSⅡ的频谱分析仪的设计[J]. 陈宇浩,钱剑敏. 微型电脑应用. 2009(07)
硕士论文
[1]基于虚拟仪器技术的便携式信号分析仪设计[D]. 袁云辉.东南大学 2016
[2]低相位噪声和低杂散的高分辨率本振源设计与实现[D]. 何旭.东南大学 2015
[3]基于零中频正交解调频率特性测试仪的设计与实现[D]. 李裕.华中师范大学 2015
[4]3GHz频谱分析仪射频模块的设计与实现[D]. 辛明勇.电子科技大学 2014
[5]软件无线电平台中频谱分析波形设计与实现[D]. 李香琴.电子科技大学 2014
[6]9k～3GHz频谱仪中频电路插值与测频方法的设计与实现[D]. 刘东海.电子科技大学 2013
[7]3GHz频谱分析仪扫频本振设计[D]. 李云鹤.电子科技大学 2013
[8]3GHz频谱分析仪射频通道设计[D]. 刘荣庭.电子科技大学 2013
[9]超宽带低相移五位数控衰减器的研究和设计[D]. 李宇昂.西安电子科技大学 2013
[10]0～3.6GHz频谱仪射频前端关键技术研究[D]. 黄跃成.电子科技大学 2012
本文编号：3529237
【文章来源】：华中师范大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１超外差式频谱仪结构框图??由图２．］，超外差式频谱仪主要包括前端处理、变频、中频放大、中频滤波、??
为：输入信号先通过Ａ／Ｄ采样，然后将采样值存储在ＲＡＭ中，再通过离散ＦＦＴ变??换，计算得到信号的频谱信息［１８］。??图２．２所示即为ＦＦＴ分析仪的原理框图。输入信号通过可变衰减器、低通滤波??器后，实现对输入信号幅度的控制与频率的选择。滤波器后的信号通过取样电路和??ＡＤＣ把模拟信号变换为数字信号，并存储在ＲＡＭ中。然后再对数字信号进行ＦＦＴ??处理，获得信号的频谱，并将频谱显示在屏幕上Ｗ。??信号????????????????输入?＂＂＂任诵￣???？衰减器一＞?＿？？取样电路一？?ＡＤＣ?ＲＡＭ?—＞?ＦＦＴ?—？频谱显示??ｆｓ??图２．２?ＦＦＴ分析仪原理框图??ＦＦＴ频谱分析仪的设计需要使用高性能的ＦＦＴ硬件电路，才能获得较高的分辨??率和较高运算速度，所以其成本相对高昂。随着现代通讯技术的迅速发展，信号的??频率测量范围要求越来越高，而ＦＦＴ分析仪由于后端数字芯片的限制，其可测频率??范围、动态范围等就相应受到约束，而且ＡＤＣ前的低通滤波器也约束了输入信号??的频率范围Ｉ８］。所以
由以上指标结合频谱分析原理，并考虑系统成本和需求，设计了一套系统频谱??测量方案。本方案采用ＳＴＭ３２＋ＦＰＧＡ的架构，主要包括射频前端处理（三级混频）、??本振源、数字中频信号处理及控制显示等，实现方案的系统框图如图２．４所示。??被测信号?Ｊ?射频前端处理??Ａｎｒ纖??输入??／?（三级混频）??Ｚ?悮厌??ｌｉ?｜?＾??｜＾：＿频??７Ｉｎｃｈ?ＴＦＴ－ＬＣＤ??频谱显示??图２．４频谱测量系统框图??？主控制器：根据系统的需求，选用性价比较高的ＳＴＭ３２作为系统的主控制器，??控制射频前端的衰减器、射频开关、三级本振源的输出以及频谱显示等，协调??各模块的正常运行。??？数字中频处理：结合系统数据处理要求，选用Ａｌｔｅｒａ?Ｃｙｃｌｏｎｅ?Ｖ系列ＦＰＧＡ逻辑??芯片５ＣＳＥＭＡ５Ｈ１Ｃ６Ｎ进行数字中频处理，从ＡＤＣ模块获得采样数据进行数??字下变频处理，包括ＣＩＣ抽取滤波、ＨＢ半带滤波、ＦＩＲ整形滤波，然后进行数??字检波，最终将得到的幅值数据送入ＳＩＭ３２进行后续的处理。??？射频前端处理模块：采用超外差式频谱分析结构，主要作用是对输入信号进行??变频处理
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于FPGA的数控振荡器的研究与设计[J]. 黄净晴,陈俊,叶海鸿. 有线电视技术. 2016(09)
[2]Anritsu MS2712E频谱仪在频谱收测及频率测量中的应用探讨[J]. 杨杰,卓佳. 西部广播电视. 2016(15)
[3]不同仪器对噪声系数测量的方法[J]. 杨婷. 黑龙江科技信息. 2014(34)
[4]频谱分析原理及频谱分析仪使用技巧[J]. 孙英侠,李亚利,宁宇鹏. 国外电子测量技术. 2014(07)
[5]基于ADIsimPLL 3.1的锁相环环路滤波器设计[J]. 高立俊. 现代电子技术. 2013(15)
[6]基于FPGA的CIC抽取滤波器设计与实现[J]. 雷能芳. 计算机与数字工程. 2012(01)
[7]影响频谱分析仪频率分辨率的因素[J]. 谢宁芳. 现代电子技术. 2011(14)
[8]改进型CIC抽取滤波器的研究与设计[J]. 张茂磊,栾晓明,徐向斌. 应用科技. 2011(02)
[9]平台化信号分析仪系列覆盖无线测试需求[J]. 郭晶. 电子设计技术. 2009(12)
[10]基于FPGA和NIOSⅡ的频谱分析仪的设计[J]. 陈宇浩,钱剑敏. 微型电脑应用. 2009(07)
硕士论文
[1]基于虚拟仪器技术的便携式信号分析仪设计[D]. 袁云辉.东南大学 2016
[2]低相位噪声和低杂散的高分辨率本振源设计与实现[D]. 何旭.东南大学 2015
[3]基于零中频正交解调频率特性测试仪的设计与实现[D]. 李裕.华中师范大学 2015
[4]3GHz频谱分析仪射频模块的设计与实现[D]. 辛明勇.电子科技大学 2014
[5]软件无线电平台中频谱分析波形设计与实现[D]. 李香琴.电子科技大学 2014
[6]9k～3GHz频谱仪中频电路插值与测频方法的设计与实现[D]. 刘东海.电子科技大学 2013
[7]3GHz频谱分析仪扫频本振设计[D]. 李云鹤.电子科技大学 2013
[8]3GHz频谱分析仪射频通道设计[D]. 刘荣庭.电子科技大学 2013
[9]超宽带低相移五位数控衰减器的研究和设计[D]. 李宇昂.西安电子科技大学 2013
[10]0～3.6GHz频谱仪射频前端关键技术研究[D]. 黄跃成.电子科技大学 2012
本文编号：3529237
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