便携式80～120MHz频谱分析仪设计

王灵芝,凌佳乐,蔡 萍,王志辉,陈颖频

（闽南师范大学物理与信息工程学院,福建漳州363000）

频谱分析仪是研究电信号最基本的仪器之一，利用频谱仪进行频域分析，可以使信号的观测分析摆脱了时域的限制，因此成为测试频域信号的重要工具.根据工作原理和应用领域的不同，频谱仪可以分成实时频谱仪和外差式扫频频谱仪两大类[1].实时频谱仪是在一个特定的时间内采用FFT 变换来对信号进行处理，从而得到信号的幅度和频率以及相位等信息.实时频谱仪多采用FPGA配合高速AD构成数字信号处理方案，其价格昂贵，且体积庞大[2].

因此，选择超外差频谱分析方案来设计一款低成本便携式频谱仪，系统包含一个基于锁相环的本振源、混频器、中频滤波器和检波器[3].本振源频率范围覆盖80～120 MHz，频率步进为100 KHz，在频率范围内可自动扫描，扫描时间在1～5 s之间可调.频谱分析仪可在频段内扫描并能显示信号的频谱分量.此外，系统还搭载了μC/OSIII嵌入式操作系统，通过STemWin设计GUI界面实现人机交互.最终实现实时频谱分析、频率扫描时间控制、最大频率分量自动捕捉等功能.

1 设计方案

本频谱分析系统主要由本振源、混频器、锁相环、中频滤波器、功率检测和STM32单片机五部分组成，输入信号在ADL5801混频器中与ADF4351锁相环产生的本振信号进行混频，输出差频信号到10.7 MHz中频滤波器.再由AD8361功率检测模块将功率转换为直流信号送入STM32进行ADC采集.系统结构框图如图1所示.

假设输入信号fi的频率范围80～120 MHz，与本振源fls=Alssin()2πflst相乘得到混频输出信号fm.将fm送入中频滤波器，可得到下变频后的信号分量.由此可推出被测信号fi在对应频点的信号幅度.系统选择10.6 MHz的中频滤波器，当设置锁相环输出本振频率90 MHz，通过混频、滤波和功率检测即可得到输入信号为80 MHz的频谱分量功率.对于不同的频率分量，只要步进地改变本征信号的频率就可获得所有频率分量.

1.1 锁相环模块

系统采用的是AD 公司的ADF4351 芯片产生本振信号.ADF4351 是一款PLL 频率合成器，频率范围35～4 400 MHz，可实现整数N分频和小数N分频的锁相环.芯片支持SPI协议，模拟和数字锁定检测，可通过编程控制内部6个32位寄存器[4].

ADF4351 模块电路图如图2 所示. 引脚REF_IN接外部20 MHz 有源晶振作为参考频率，引脚CP_OUT连接V_TUNE_F环路滤波器滤除V_TUNE引脚的高频分量，从而提供给芯片内部压控振荡器；当芯片内部锁相环锁定后，LD引脚输出高电平；输出信号通过引脚RFOUTA+和RFOUTA-差分输出.ADF4351 与STM32 通过SPI 接口相连.DATA引脚在CLK上升沿时将引脚数据存入移位寄存器.当LE引脚上升沿时将移位寄存器内的数值送入对应的内部寄存器.

图1 系统结构框图Fig.1 System structure block diagram

图2 ADF4351模块硬件电路图Fig.2 Hardware circuit diagram of ADF4351 module

1.2 混频器模块

如图3所示，系统采用ADL5801芯片来实现混频功能.ADL5801是一款具有高线性度、双平衡的有源混频器，频率范围10～6 000 MHz[5].输入信号与本振源分别通过两路差分引脚LOIN,LOIP,RFIN,RFIP输入，混频结果由引脚IFON,IFOP输出.随着本振源频率的变化，输出信号的幅值也会发生改变，这将影响到混频结果.借助ADL5801的VSET端的偏置调节功能可优化输入线性度、噪声系数和直流工作电流.

图3 ADL5801模块电路图Fig.3 Hardware circuit diagram of ADL5801 modul

1.3 中频滤波模块

本设计采用村田Murata低损耗10.7 M陶瓷滤波器作为中频滤波器，与π型低通滤波器组成中频滤波器模块.测试电路对多种滤波器组合电路进行性能测试，五种电路如图4 所示.滤波器性能分析如图5 所示，可以看出单个晶振+低通滤波器的组合选频特性曲线选择性较好，选择作为中频滤波电路.

图4 中频滤波器电路图Fig.4 Circuit diagram of IF filter

图5 滤波器性能分析图Fig.5 Filter performance diagram

1.4 检波器模块设计

AD8361 是一款均值响应的功率检测器，带宽高达2. 5 GHz，工作电压为2. 7～5. 5 V[6]. 如表1 所示，AD8361 有3 种工作模式以适应各种的模数转换的需求.本设计使用接地模式，在无信号输入时输出0 V更加直观.设计电路中，RFIN引脚接入输入信号，在接地模式下输入信号被转换为相对应的直流电压信号由VRMS脚输出.FLTR引脚和之间放置一个100 nF 电容，可以降低调制滤波器的角频率，用于小信号输入.STM32单片机通过ADC转换即可得到对应的输入信号的有效值.AD8361电路如图6所示.

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

图6 AD8361模块电路图Fig.6 Hardware circuit diagram of AD8361 module

2 软件设计

2.1 系统总流程

STM32 运行μC/OSIII 实时操作系统[7-8]，上电后创建子任务及堆栈、设置任务优先级、初始化外设和操作系统.操作系统调度执行各子任务，包括图形任务，触摸屏任务，内存任务，频谱分析任务和待机任务，系统主程序流程图如图7所示：

图7 系统流程图Fig.7 System flow chart

2.2 频谱分析任务

频谱分析包含扫频驱动函数和频谱分析算法.扫频驱动函数驱动ADF4351 芯片步进输出本振频率.ADF4351 内部简化图如图8 所示，ADF4351 输出频率由内部的压控振荡器（VCO）分频后提供，鉴频鉴相器（PFD）控制压控振荡器的输出频率，当外部参考频率分频后的频率与压控振荡器分频后的频率相等时，压控振荡器的频率不再变化，完成频率锁定.系统设定频率步进为100 KHz.

图8 ADF4351内部简化框图Fig.8 Internal simplified block diagram of ADF4351

根据原理得到以下公式(1)和(2)：

其中，RFVCO为VCO输出频率；RFOUT为ADF4351输出频率；REFIN为外部参考频率；INT为16位的整数分频比；MOD为12 位的小数模数；FRAC为12 位的小数分频的分子.DIV是VCO输出分频器的值，可配置为1、2、4、8、16、32、64；R、D和T构成输入参考频率的分频系数.将D和T设置为0，R设置为1，则可以得到简化后的公式(3)：

因为RFVCO频率范围在2 200～4 400 MHz之间，若RFOUT确定则可以通过穷尽法得到一个合适的分频值DIV.将INT、MOD、FRAC看作一个整体变量，带入公式求解，其中INT代表整数部分，代表小数部分，穷尽法求解小数部分即可得到误差足够小的MOD、FRAC.最终获得以上公式多种解的其中一种解，使得ADF4351输出对应的频率.

2.3 数据分析

本设计采用STM32 单片机内置ADC 采集AD8361 有效值检测模块的直流信号，配置ADC1 通道5，采用软件触发连续转换模式，配置DMA 将ADC 转换的数据搬运到内存.程序通过STM32单片机执行扫频操作，即初始设定ADF4351频率为80 MHz，读取50次ADC数值累加后取平均，之后送入卡尔曼滤波器滤波后保存在数组中，步进100 KHz，重复以上步骤，直到频率达到120 MHz.

由于卡尔曼滤波器的特性，在扫频的结束点和下一次扫频的开始点之间的跳变较为明显时，滤波器会将这段跳变视为噪声进行消除，可能会影响扫频前期的结果.图9 显示初始状态为0 的卡尔曼滤波曲线.图9中横坐标代表ADF4351的输出频率，纵坐标为ADC采集的数值.虚线代表原始数据的曲线，实线代表卡尔曼滤波后的曲线，可以看出因为卡尔曼滤波器的连续性，在80 MHz附近与原始数据差距略大.

因此，为了更好地实现数据的分析与处理，去除系统噪声，本文将AD 采集后的数据上传至PC 端，编写Python程序进行可视化分析，取待测信号频率为103 MHz，幅值为5 V的数据.图10显示经过优化的卡尔曼滤波后的曲线，横坐标代表ADF4351 的输出频率，纵坐标为ADC 采集的数值，虚线代表原始数据的曲线，实线代表卡尔曼滤波后的曲线，可以看出优化后的卡尔曼滤波算法，不受起始状态的影响，消除原始信号的毛刺、贴近原始数据的同时不丢失原始数据的特征.分析图像得到曲线在103 MHz 附近幅值最小，103±10.7 MHz附近幅值较大，根据这些特征即可获得曲线对应的输入待测信号频率.

为了求解频谱分量，数据分析算法采用滑动窗口的方法对整段数据进行极值扫描，取出满足条件的极值进行二轮判断，根据极值周围梯度特征进行一定的偏移和功率计算，最终输出对应的频谱[9].取待测信号频率为103 MHz，幅值为5 V 的数据，图11 中点线代表频率特征提取后的曲线，可以看出，经过算法处理后，可得到最大的频率分量为103 MHz.

图9 初始状态的卡尔曼滤波效果图Fig.9 The Kalman filter effect diagram of the initial state

图11 频率f=103 MHz的频谱分量图Fig.11 Spectrum component map of f=103 MHz

由于算法未采用Python库函数，因此通过简单的修改就能移植到STM32单片机上进行频谱分析.

2.4 系统界面设计

系统的界面采用STemWin设计GUI界面，可通过触屏实现人机交互.系统可测试频率范围为80～120 MHz.可实现自动频谱分析、频率扫描时间控制、最大频率分量自动捕捉等功能.图11显示输入信号为82 MHz，1 V 的正弦波时输出的频谱分析图；图12 显示输入信号为103 MHz，3 V 的正弦波时输出的频谱分析图.实验结果表明各项指标均满足要求，信号测量准确性高，频谱纯度高.

图12 输入信号为频率82 MHz幅值1 V正弦波频谱分析结果Fig. 12 Spectrum analysis of frequency 82 MHz amplitude 1V sine wave

图13 输入信号为频率103 MHz幅值3 V正弦波频谱分析结果Fig.13 Spectrum analysis of frequency 103 MHz amplitude 3V sine wave

3 结束

本文设计了基于STM32 的便携式超外差频谱分析系统，频率范围80～120 MHz.系统由STM32 控制ADF4351锁相环模块进行扫频，产生步进为100 KHz的本振源.本振信号与输入信号经ADL5801混频后送入10.7 MHz 滤波器滤波，再经有效值检测模块进行AD 采样与处理.系统搭载μC/OSIII 操作系统，最终实现了快速实时频谱分析功能.调试结果表明，各项设计指标均满足要求.