基于 ZYNQ系列 SoC和AD9361实现的简易频谱分析仪
摘要：频谱分析仪是用来检测电信号频谱特征的仪器，在通信、雷达以及电子产品研发等领域有着广泛的应用。本文设计了基于ZYNQ系列SoC（System on chip）和AD9361实现的简易频谱分析仪，频谱数据可以通过串口发送给上位机，并在上位机中通过MATLAB进行数据处理和分析。相比普通频谱分析仪，该简易频谱分析仪使用便捷，体积小，且十分便于功能扩展。经测试，该频谱分析仪带宽为40MHz，其通带范围为LO（Local Oscillator ）-20MHz到LO+20MHz，该频谱分析仪可以较为准确地分析信号功率范围为0dBm到-65dBm。
引言频谱分析仪是用来测量电信号频谱特征的仪器，主要用于测量相关频段内的信号频谱。使用频谱分析仪，可以观测到信号在频域中的分布情况、信号能量及其他频谱信息。随着电子通信产业的不断发展，频谱分析仪广泛运用在通信、电子、雷达及电子产品研发等领域，是电子工程师重要的频域分析工具。随着对于信号分析的不断发展，应实现频谱分析仪与上位机的通信。频谱分析仪可以通过网口、USB接口及串口向上位机发送数据，在上位机中，MATLAB、GNU radio等多种工具软件可以被用于处理该数据，扩展了频谱分析仪的功能[1]。而且传统的频谱分析仪价格昂贵，个人和小型团体均无力承受。基于此，本文使用Xilinx ZYNQ系列SoC及AD9361射频收发机完成了低成本简易频谱分析仪的设计与实现。与传统的频谱仪相比，该频谱仪价格低廉、便于携带。
1 系统设计
本系统设计采用ZedBoard开发板和AD9361射频收发机。ZedBoard开发板是Digilent公司基于ZYNQ-7000系列SoC制作的低成本开发板，该开发板的主芯片为ZYNQ系列XC7Z020芯片，该芯片使用两块ARM Cortex-A9 MPCore作为处理器（PS Processing System），并采用Xilinx 7系列FPGA作为可编程逻辑部分（PL Programmable Logic），实现了高灵活性、高性能和强大的配置功能[2]。
AD9361是一款高性能、高度集成的2收2发射频收发机，该收发机具有可编程、宽带宽等特点，其工作频率范围为70MHz～6GHz，支持的通道带宽为200KHz～56MHz。AD9361可以根据用户需求设置滤波器、本振、增益等参数，以契合用户设计[3]。设计主要基于Xilinx ZYNQ-7000系列的可编程SoC平台，在平台上插接AD9361板卡，利用AD9361进行对应带宽数据的采集，采集到的数据经过XC7Z020的PL部分进行时频转换，然后利用ARM将频谱分析结果通过串口发送至计算机。频谱分析带宽为0～40MHz，分辨率为25kHz。
本文采用基于快速傅里叶变换(FFT)完成频谱分析仪的设计。其中，主要模块包括射频输入及转换模块、频谱分析模块、ZYNQ PS（Processing System）控制模块、串口传输模块以及上位机处理模块。其基本结构如图1所示。
图1 系统结构
图2 AD9361接收框图
图3 ZYNQ PL 部分的频谱分析模块
其中，各部分的具体功能如下：
射频输入模块及转换，使用AD9361射频收发机完成搭建，其中，通过AD9361内置的本地振荡器（LO）完成对射频信号的射频到中频的转换，通过ADC完成模数转换，并通过后续的抽取滤波器进行下采样，最终得到I/Q两路分别为60MSPS采样率的信号，通过FMC接口送入ZedBoard，进行下一步处理。
频谱分析模块，该模块使用ZYNQ SoC的PL部分完成，主要完成频谱分析仪的频谱计算功能，其中通过FMC接口接收到射频输入及转换模块的数据信息，对其进行时序转换、加窗和FFT变换后，通过DMA发送至ZYNQ SoC的PS模块内的存储空间中，供PS部分读写。
ZYNQ PS控制模块，该模块为整个模块的控制中枢，完成对射频输入模块及频谱分析模块的控制。其中，对AD9361的控制为：调节AD9361的本振（LO）的输出，调节输入通路低通滤波器的带宽，调节增益模式及增益大小，调节各级采样率等。对频谱分析模块的控制为：调节计算FFT的点数等。PS模块可以读取频谱数据，并将频谱数据传输给网口通信模块。该模块在ZYNQ PS上移植的Linux系统中完成。
串口通信模块：通过该模块，可以完成由频谱分析仪到上位机的频谱数据的传输，也可以由上位机到频谱分析仪，如果需要高的传输速率，可以使用网口进行传输。
上位机处理模块：该模块在上位机中，通过使用MATLAB工具对所得的频谱数据进行进一步的处理、显示和完成频谱图。
2 系统实现
2.1 基于AD9361的射频输入及转换模块AD9361为系统的射频输入及转换模块，主要对输入的vwin 信号进行混频、滤波、模数转换和降采样等预处理。并将处理完成的数字信号通过数字接口送入ZedBoard，供ZYNQ的PL部分进行进一步的信号处理。
如图2所示，为AD9361的接收通路，AD9361接收通路完成射频信号到基带信号的部分。基带信号处理包括两个可编程的模拟低通滤波器，一个12bit ADC，以及4级的数字下变频滤波器。每个数字下变频滤波器都可以被略去。其中I/Q两路的接收通路是相同的[4]。根据设计需求，需要调节的有：增益控制模式及增益、本振大小、低通滤波器系数、各部分采样率以及FIR滤波器系数等。
图4 AD采集的数据实测图
图5 PC端收到串口输出数据
图6 频谱仪测试结果
在本次设计中，各部分的系数为：收发模式：使用FDD单收单发的收发模式；增益模式：自动增益模式；LO频率设置：给上位机提供相应接口，可以根据用户需求进行设置；
低通滤波器设置：低通滤波器3dB带宽为40MHz；
ADC采样时钟频率：480MHz；
HB3/DEC3下采样滤波器：进行2倍抽取，输出数据的采样频率为240MHz；HB2下采样滤波器：进行2倍抽取，输出数据的采样频率为120MHz；HB1下采样滤波器：进行2倍抽取，输出数据的采样频率为60MHz；
表1 频谱分析仪测试数据
RX FIR滤波器设置：对该FIR滤波器进行略过，输出数据的采样频率为60MHz；数字接口：采用LVDS传输模式。通过对AD9361的相关寄存器进行配置，可以完成对设计的实现，以下对AD9361的一些关键寄存器进行介绍。
地址0x003为AD9361的Rx Enable and Filter Control寄存器，该寄存器用于控制接收通路的使能及数字寄存器的信息。由于使用FDD的单发单收模式，且HB3、HB2和HB1皆为2倍抽取，且将FIR滤波器略去，故该寄存器应配置为0X9C。
地址0x005为AD9361的RFPLL Dividers寄存器，可以配置该寄存器的值，对VCO进行分频，得到接收通路的LO频率信息。
地址0x012为AD9361的 Parallel Port Configuration寄存器，可以配置AD9361数字接口的方式，本设计中，采用LVDS的双端口模式，因此，这里设置该寄存器的值为0x10。地址0x013为AD9361的ENSM Mode寄存器，可以通过配置该寄存器AD9361的FDD状态机和TDD状态机之间的转换。
本设计中，采用FDD模式，因此设该寄存器的值为0x01。AD9361的VCO频率相关寄存器地址为0x231~0x235，该组寄存器设置的VCO值可以为6GHz~12GHz，经过0x005寄存器所设置的值进行分频后，作为AD9361 RX的LO。其计算公式为：
此外，ADI公司提供了基于Xilinx SDK的AD9361控制函数，可以使用这些函数对AD9361进行配置，这样可以简化AD9361的配置过程，提高工作效率，并提高配置的准确性。
2.2 ZYNQ PS与AD9361的通信
ZYNQ PS与AD9361采用SPI和GPIO接口进行通信。ZYNQ内包含两个SPI控制器，可以工作在主/从模式或多主机模式下。本次设计采用ZYNQ PS中的一组SPI控制器对AD9361的相关寄存器进行读写。在ZYNQ上，我们可以通过MIO引出最多54个GPIO引脚，所有的GPIO都可以单独配置成输入、输出以及中断的功能。本设计中，采用GPIO对AD9361的TXNRX、NABLE以及RESETB引脚进行配置，以达到对AD9361控制的目的。
2.3 基于ZYNQ PL的频谱分析模块频谱分析模块主要由时序处理模块、加窗模块、FFT模块及DMA模块完成，FFT的点数由ZYNQ PS部分通过AXI_GPIO模块控制，图3为ZYNQ PL频谱分析部分的框图。
数字信号输入为模拟信号，经过射频输入及转换模块后得到的数字信号，该数字信号的采样率为60MSPS，由LVDS方式通过FMC接口输入至该模块输入端。
时序处理模块将PL中相关模块的时序和AD9361收发机的数字接口时序进行相互转换，使其频谱分析模块可以正常工作。
由于在使用FPGA进行信号处理中，不可能对无限长的信号进行测量和分析，只能对信号进行截断，并对截断部分进行周期拓展并进行处理。但这样得到的信号会发生频谱泄露现象。为了减小频谱泄露的影响，需在计算FFT变换之前采用加窗技术，常见的窗有：hanning窗、hamming窗以及Gaussian窗等。本设计采用8192点hanning窗，以减少由于信号截断所带来的频谱泄露现象。
FFT模块对输入的数据进行FFT或IFFT变换，得到时域数据的频谱信息或频域数据的时域信息。其中FFT模块的计算点数为8~8192点，FFT模块使用Xilinx官方提供的IP 核。
ZYNQ PS模块为频谱分析模块提供控制信息，并接收由AXI_DMA传输的频谱数据。ZYNQ PS与AXI_GPIO通过AXI4协议进行数据传输，与AXI_DMA通过AXI_Lite协议进行控制信号传输。FFT与DMA之间使用AXI_Stream协议进行数据传输。DMA与ZYNQ PS HP接口之间通过AXI协议进行传输，这样可以拥有很高的吞吐率和性能，但需要花费额外的逻辑资源。
2.4 ZYNQ与PC通信为了更方便地进行频谱分析以及对频谱分析仪的控制，设计参考文献[7]采用串口方式将得到的频谱分析数据发送到PC端，频谱分析首先数据经过DMA传输到PS的内存中，然后通过串口将数据发送到PC端。串口速率传输较慢，FFT转换并不是持续转换，一次转换数据全部通过串口发送完毕后，再进行下一次转换。
3 系统测试
为了方便观察结果，我们在工程中加入了ILA模块监视AD采集到的数据，如图4所示，在Vivado中的Hardware Manager中抓取的AD输入数据，图5为串口收到对应FFT后的数据。将AD9361的本振设置为1.9GHz，外接信号源设置为1.902GHz，且频率为-50dBm，得到的频谱数据经过上位机处理后得出图6所示的结果，其中MATLAB所计算出来的2MHz的功率值为-49.7101dBm。
表1为利用该频谱分析仪测试的一些数据，测试时本振设置为1.9GHz。测试结果表明，该频谱分析仪通带范围为LO-20MHz到LO+20MHz，在该通带范围内可以较为准确地分析的信号功率为0dBm到-65dBm，平均误差小于1.5dB。当信号源频率与LO频率相差为20MHz时，绝对误差约为1dB左右。经过分析，是AD9361内部的模拟低通滤波器部分对信号造成了消减，因此产生了误差。
4 总结与展望论文采用ZedBoard平台以及AD9361射频收发机设计并实现了一款简易频谱分析仪，该频谱分析仪核心部件为AD9361和ZedBoard，外加一台电脑，成本低廉，方便可靠，成品作为个人或小型团队使用。如果对传输速率有更高的要求，可以利用ZedBoard的网口将频谱分析后的数据传送到PC端。
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