便攜式80～120MHz頻譜分析儀設計

王靈芝,凌佳樂,蔡 萍,王志輝,陳穎頻

（閩南師范大學物理與信息工程學院,福建漳州363000）

頻譜分析儀是研究電信號最基本的儀器之一，利用頻譜儀進行頻域分析，可以使信號的觀測分析擺脫了時域的限制，因此成為測試頻域信號的重要工具.根據工作原理和應用領域的不同，頻譜儀可以分成實時頻譜儀和外差式掃頻頻譜儀兩大類[1].實時頻譜儀是在一個特定的時間內采用FFT 變換來對信號進行處理，從而得到信號的幅度和頻率以及相位等信息.實時頻譜儀多采用FPGA配合高速AD構成數字信號處理方案，其價格昂貴，且體積龐大[2].

因此，選擇超外差頻譜分析方案來設計一款低成本便攜式頻譜儀，系統包含一個基于鎖相環的本振源、混頻器、中頻濾波器和檢波器[3].本振源頻率范圍覆蓋80～120 MHz，頻率步進為100 KHz，在頻率范圍內可自動掃描，掃描時間在1～5 s之間可調.頻譜分析儀可在頻段內掃描并能顯示信號的頻譜分量.此外，系統還搭載了μC/OSIII嵌入式操作系統，通過STemWin設計GUI界面實現人機交互.最終實現實時頻譜分析、頻率掃描時間控制、最大頻率分量自動捕捉等功能.

1 設計方案

本頻譜分析系統主要由本振源、混頻器、鎖相環、中頻濾波器、功率檢測和STM32單片機五部分組成，輸入信號在ADL5801混頻器中與ADF4351鎖相環產生的本振信號進行混頻，輸出差頻信號到10.7 MHz中頻濾波器.再由AD8361功率檢測模塊將功率轉換為直流信號送入STM32進行ADC采集.系統結構框圖如圖1所示.

假設輸入信號fi的頻率范圍80～120 MHz，與本振源fls=Alssin()2πflst相乘得到混頻輸出信號fm.將fm送入中頻濾波器，可得到下變頻后的信號分量.由此可推出被測信號fi在對應頻點的信號幅度.系統選擇10.6 MHz的中頻濾波器，當設置鎖相環輸出本振頻率90 MHz，通過混頻、濾波和功率檢測即可得到輸入信號為80 MHz的頻譜分量功率.對于不同的頻率分量，只要步進地改變本征信號的頻率就可獲得所有頻率分量.

1.1 鎖相環模塊

系統采用的是AD 公司的ADF4351 芯片產生本振信號.ADF4351 是一款PLL 頻率合成器，頻率范圍35～4 400 MHz，可實現整數N分頻和小數N分頻的鎖相環.芯片支持SPI協議，模擬和數字鎖定檢測，可通過編程控制內部6個32位寄存器[4].

ADF4351 模塊電路圖如圖2 所示. 引腳REF_IN接外部20 MHz 有源晶振作為參考頻率，引腳CP_OUT連接V_TUNE_F環路濾波器濾除V_TUNE引腳的高頻分量，從而提供給芯片內部壓控振蕩器；當芯片內部鎖相環鎖定后，LD引腳輸出高電平；輸出信號通過引腳RFOUTA+和RFOUTA-差分輸出.ADF4351 與STM32 通過SPI 接口相連.DATA引腳在CLK上升沿時將引腳數據存入移位寄存器.當LE引腳上升沿時將移位寄存器內的數值送入對應的內部寄存器.

圖1 系統結構框圖Fig.1 System structure block diagram

圖2 ADF4351模塊硬件電路圖Fig.2 Hardware circuit diagram of ADF4351 module

1.2 混頻器模塊

如圖3所示，系統采用ADL5801芯片來實現混頻功能.ADL5801是一款具有高線性度、雙平衡的有源混頻器，頻率范圍10～6 000 MHz[5].輸入信號與本振源分別通過兩路差分引腳LOIN,LOIP,RFIN,RFIP輸入，混頻結果由引腳IFON,IFOP輸出.隨著本振源頻率的變化，輸出信號的幅值也會發生改變，這將影響到混頻結果.借助ADL5801的VSET端的偏置調節功能可優化輸入線性度、噪聲系數和直流工作電流.

圖3 ADL5801模塊電路圖Fig.3 Hardware circuit diagram of ADL5801 modul

1.3 中頻濾波模塊

本設計采用村田Murata低損耗10.7 M陶瓷濾波器作為中頻濾波器，與π型低通濾波器組成中頻濾波器模塊.測試電路對多種濾波器組合電路進行性能測試，五種電路如圖4 所示.濾波器性能分析如圖5 所示，可以看出單個晶振+低通濾波器的組合選頻特性曲線選擇性較好，選擇作為中頻濾波電路.

圖4 中頻濾波器電路圖Fig.4 Circuit diagram of IF filter

圖5 濾波器性能分析圖Fig.5 Filter performance diagram

1.4 檢波器模塊設計

AD8361 是一款均值響應的功率檢測器，帶寬高達2. 5 GHz，工作電壓為2. 7～5. 5 V[6]. 如表1 所示，AD8361 有3 種工作模式以適應各種的模數轉換的需求.本設計使用接地模式，在無信號輸入時輸出0 V更加直觀.設計電路中，RFIN引腳接入輸入信號，在接地模式下輸入信號被轉換為相對應的直流電壓信號由VRMS腳輸出.FLTR引腳和之間放置一個100 nF 電容，可以降低調制濾波器的角頻率，用于小信號輸入.STM32單片機通過ADC轉換即可得到對應的輸入信號的有效值.AD8361電路如圖6所示.

表1 AD8361模式配置表Tab.1 AD8361 mode configuration table

圖6 AD8361模塊電路圖Fig.6 Hardware circuit diagram of AD8361 module

2 軟件設計

2.1 系統總流程

STM32 運行μC/OSIII 實時操作系統[7-8]，上電后創建子任務及堆棧、設置任務優先級、初始化外設和操作系統.操作系統調度執行各子任務，包括圖形任務，觸摸屏任務，內存任務，頻譜分析任務和待機任務，系統主程序流程圖如圖7所示：

圖7 系統流程圖Fig.7 System flow chart

2.2 頻譜分析任務

頻譜分析包含掃頻驅動函數和頻譜分析算法.掃頻驅動函數驅動ADF4351 芯片步進輸出本振頻率.ADF4351 內部簡化圖如圖8 所示，ADF4351 輸出頻率由內部的壓控振蕩器（VCO）分頻后提供，鑒頻鑒相器（PFD）控制壓控振蕩器的輸出頻率，當外部參考頻率分頻后的頻率與壓控振蕩器分頻后的頻率相等時，壓控振蕩器的頻率不再變化，完成頻率鎖定.系統設定頻率步進為100 KHz.

圖8 ADF4351內部簡化框圖Fig.8 Internal simplified block diagram of ADF4351

根據原理得到以下公式(1)和(2)：

其中，RFVCO為VCO輸出頻率；RFOUT為ADF4351輸出頻率；REFIN為外部參考頻率；INT為16位的整數分頻比；MOD為12 位的小數模數；FRAC為12 位的小數分頻的分子.DIV是VCO輸出分頻器的值，可配置為1、2、4、8、16、32、64；R、D和T構成輸入參考頻率的分頻系數.將D和T設置為0，R設置為1，則可以得到簡化后的公式(3)：

因為RFVCO頻率范圍在2 200～4 400 MHz之間，若RFOUT確定則可以通過窮盡法得到一個合適的分頻值DIV.將INT、MOD、FRAC看作一個整體變量，帶入公式求解，其中INT代表整數部分，代表小數部分，窮盡法求解小數部分即可得到誤差足夠小的MOD、FRAC.最終獲得以上公式多種解的其中一種解，使得ADF4351輸出對應的頻率.

2.3 數據分析

本設計采用STM32 單片機內置ADC 采集AD8361 有效值檢測模塊的直流信號，配置ADC1 通道5，采用軟件觸發連續轉換模式，配置DMA 將ADC 轉換的數據搬運到內存.程序通過STM32單片機執行掃頻操作，即初始設定ADF4351頻率為80 MHz，讀取50次ADC數值累加后取平均，之后送入卡爾曼濾波器濾波后保存在數組中，步進100 KHz，重復以上步驟，直到頻率達到120 MHz.

由于卡爾曼濾波器的特性，在掃頻的結束點和下一次掃頻的開始點之間的跳變較為明顯時，濾波器會將這段跳變視為噪聲進行消除，可能會影響掃頻前期的結果.圖9 顯示初始狀態為0 的卡爾曼濾波曲線.圖9中橫坐標代表ADF4351的輸出頻率，縱坐標為ADC采集的數值.虛線代表原始數據的曲線，實線代表卡爾曼濾波后的曲線，可以看出因為卡爾曼濾波器的連續性，在80 MHz附近與原始數據差距略大.

因此，為了更好地實現數據的分析與處理，去除系統噪聲，本文將AD 采集后的數據上傳至PC 端，編寫Python程序進行可視化分析，取待測信號頻率為103 MHz，幅值為5 V的數據.圖10顯示經過優化的卡爾曼濾波后的曲線，橫坐標代表ADF4351 的輸出頻率，縱坐標為ADC 采集的數值，虛線代表原始數據的曲線，實線代表卡爾曼濾波后的曲線，可以看出優化后的卡爾曼濾波算法，不受起始狀態的影響，消除原始信號的毛刺、貼近原始數據的同時不丟失原始數據的特征.分析圖像得到曲線在103 MHz 附近幅值最小，103±10.7 MHz附近幅值較大，根據這些特征即可獲得曲線對應的輸入待測信號頻率.

為了求解頻譜分量，數據分析算法采用滑動窗口的方法對整段數據進行極值掃描，取出滿足條件的極值進行二輪判斷，根據極值周圍梯度特征進行一定的偏移和功率計算，最終輸出對應的頻譜[9].取待測信號頻率為103 MHz，幅值為5 V 的數據，圖11 中點線代表頻率特征提取后的曲線，可以看出，經過算法處理后，可得到最大的頻率分量為103 MHz.

圖9 初始狀態的卡爾曼濾波效果圖Fig.9 The Kalman filter effect diagram of the initial state

圖11 頻率f=103 MHz的頻譜分量圖Fig.11 Spectrum component map of f=103 MHz

由于算法未采用Python庫函數，因此通過簡單的修改就能移植到STM32單片機上進行頻譜分析.

2.4 系統界面設計

系統的界面采用STemWin設計GUI界面，可通過觸屏實現人機交互.系統可測試頻率范圍為80～120 MHz.可實現自動頻譜分析、頻率掃描時間控制、最大頻率分量自動捕捉等功能.圖11顯示輸入信號為82 MHz，1 V 的正弦波時輸出的頻譜分析圖；圖12 顯示輸入信號為103 MHz，3 V 的正弦波時輸出的頻譜分析圖.實驗結果表明各項指標均滿足要求，信號測量準確性高，頻譜純度高.

圖12 輸入信號為頻率82 MHz幅值1 V正弦波頻譜分析結果Fig. 12 Spectrum analysis of frequency 82 MHz amplitude 1V sine wave

圖13 輸入信號為頻率103 MHz幅值3 V正弦波頻譜分析結果Fig.13 Spectrum analysis of frequency 103 MHz amplitude 3V sine wave

3 結束

本文設計了基于STM32 的便攜式超外差頻譜分析系統，頻率范圍80～120 MHz.系統由STM32 控制ADF4351鎖相環模塊進行掃頻，產生步進為100 KHz的本振源.本振信號與輸入信號經ADL5801混頻后送入10.7 MHz 濾波器濾波，再經有效值檢測模塊進行AD 采樣與處理.系統搭載μC/OSIII 操作系統，最終實現了快速實時頻譜分析功能.調試結果表明，各項設計指標均滿足要求.