CN209606513U - 一种基于ad9361多路频谱分析嵌入式硬件平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于AD9361多路频谱分析嵌入式硬件平台，属于集成电路领域,信号处理开发平台采用GPPA技术，可同时对输入平台多路信号进行频谱分析。本板卡采用赛灵思Zynq‑7000系列All Programmable SoC（基于双核ARM+FPGA架构）处理芯片，完成系统控制；外加资源丰富的Kintex‑7系列高性能FPGA完成基带信号及接口处理功能；采用ADI公司高性能收发器AD9361芯片实现射频及基带前端处理功能。平台具有丰富的硬件资源，包括三组射频收发通道，充足的基带处理资源（Zynq+FPGA），丰富的外设及接口，为上层软件数据分析提供频谱数据，是一款具备多通道频谱信号处理能力、高性能及可扩展性强的频谱分析处理硬件平台。

Description

一种基于AD9361多路频谱分析嵌入式硬件平台

技术领域

本实用新型属于集成线路领域，尤其涉及一种频谱分析平台。

背景技术

频谱分析在生产实践和科学研究中有着广泛的应用，所谓频谱分析就是将信号源发出的信号强度按频率顺序展开，使其成为频率的函数，并考察变化规律。对于一个电信号的研究，我们可以分析它随时间变化的特性，也可以由它所包含的频率分量 (即频谱分布)来描述。通常把前者称为时域分析，后者称为信号的频域分析。示波器是时域测量的典型仪器，频谱分析仪则是最重要的频域分析仪器。当我们测量一个信号，通常所用的最基本的仪器是示波器，用来观察信号的波形、频率、幅度等，也即是从时域上来分析该信号，但信号非常复杂，许多信息是用示波器检测不出来的，例如我们要分析一个非正弦波信号，从理论上来说，非正弦波信号是各种不同频率、不同振幅的正弦波的矢量迭加，如果用示波器来测量，这时测量得到的是复合波形，并不能得到其频率的组成，如果要观察其频率组成，就要用频域法，横坐标为频率，纵坐标为各分量功率幅度，这样，我们就可以看到在不同频率点上功率幅度的分布，就可以知道非正弦波信号的组成频率成份，得到信号的更多信息，特别是，利用示波器很难看出正弦信号的微小波形失真，但在频谱仪上却能定量地测出，哪怕是很小的谐波分量。

对信号进行频谱分析，可以得到信号的频率结构，了解信号的频率成分或系统的特征。在此基础之上，可实现对信号的跟踪控制，从而实现对系统状态的早期预测，发现潜在的危险并诊断可能发生故障的原因，对系统参数进行识别及校正。因此，频谱分析是揭示信号特征的重要方法，也是处理信号的重要手段。这些方法和手段己经广泛地应用于通信、雷达、地震、声纳、生物医学、物理、化学、音乐、经济等领域。而进行频谱分析的仪器就是频谱分析仪，它能自动分析电信号并在整个频谱上显示出全部频率分量情况，确定一个变化过程 (称为信号 )的频率成分， 以及各频率成分之间的相对强弱关系。

频谱分析仪的应用非常广泛，而各行各业、各个部门对频谱分析仪应用的侧重点也不尽相同，对于需要在野外或测量现场来回测试、检查的应用，体积较大，重量较重，便携性不好的频谱分析仪就显得非常不方便，若有体积小、重量轻、便携性好的频谱分析仪，则会给其应用带来很大的方便，更好的发挥频谱分析仪的作用。

传统频谱分析硬件平台主要依靠模拟滤波器来分开各频率成分并进行频率成分测量。为了提高频谱分辨率，需要通频带很窄的滤波器，并且由于模拟滤波器中心频率会随时间、环境温度“漂移”，因此制造高稳定度、高精度的的这种频谱分析仪比较困难。实现FFT算法有利用软件或利用纯硬件等不同方法， 利用软件的方法可以在 PC 机或在DSP 芯片上实现，其频谱分析主要是依靠软件计算来实现。而利用硬件方法的有 FPGA 或专用集成电路（ ASIC ）。

传统频谱分析硬件平台主要依靠模拟滤波器来分开各频率成分并进行频率成分测量。为了提高频谱分辨率，需要通频带很窄的滤波器，并且由于模拟滤波器中心频率会随时间、环境温度漂移，因此制造高稳定度、高精度的的这种频谱分析仪比较困难。

实用新型内容

本实用新型一种基于AD9361多路频谱分析嵌入式硬件平台采用以AD9361为核心，FPGA相配合的总体框架加上丰富的外围电路，组成了高集成度，性能强大的频谱分析硬件平台。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于AD9361多路频谱分析嵌入式硬件平台，包含射频输入输出接口、信号阻抗匹配模块、射频及基带前端处理模块、时钟模块、基带与接口处理模块、控制模块、外围设备接口模块、供电模块；

射频信号通过射频输入输出接口将射频信号传输至信号阻抗匹配模块进行信号阻抗匹配，减小信号传输损耗；

信号阻抗匹配模块将信号阻抗匹配过的射频信号传输至射频及基带前端处理模块对射频信号进行信号放大、滤波、变频、模数转换；

射频及基带前端处理模块处理后的射频信号传输至基带信号及接口处理模块，用于实现基于FFT算法的频谱分析处理，以及数字信号ADC控制，数据缓存，FFT帧加窗处理，数字滤波；

时钟模块与控制模块连接，用于为平台各模块功能芯片提供参考时钟；

外围设备接口模块与控制模块连接，用于对外数据交互，外设桥接，数据存储；

供电模块与控制模块连接，用于平台模块工作供电。

作为本实用新型一种基于AD9361多路谱分析嵌入式硬件平台的进一步优选方案，所述射频及基带前端处理模块包含依次连接的低噪声放大器、混频器、跨阻放大器、单级低通滤波器、三阶沃斯低通滤波器、BBPLL、半带滤波器、FIR滤波器。

作为本实用新型一种基于AD9361多路谱分析嵌入式硬件平台的进一步优选方案，控制模块与基带与接口处理模块放置在两个独立SOC上，实现了平台电路稳定运行，且可用资源丰富。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本实用新型采用的是硬件方法，基于多路AD9361完成射频及基带前端处理，基于资源丰富的Kintex-7系列高性能FPGA完成基带信号及接口处理功能，实现FFT分析法的频谱分析，平台采用高度集成化芯片，在保障性能的同时缩了产品体积，加强了平台的可靠性和便携性；

2、本频谱分析硬件平台基于AD9361，同时依托于资源丰富的Kintex-7系列高性能FPGA完成信号基带处理，协同完成多路信号频谱分析，AD9361是一款高集成芯片，内部集成了模拟滤波、混频器、数模转换器、发射和接收通道的频率合成器以及包括可编程增益、直流偏置校准等数字域的其他功能，这款器件通过正交误差校准和直流偏置校准的功能优化很好的解决了此前零中频架构的直流偏置和正交误差限制，从而使零中频架构成功应用于频谱分析，同时无需外置滤波器，可以通过系统参数配置来完成，同类型芯片通常只是集成了一个发射通道和一个接收通道，频率范围300MHz~3.8GHz，通道带宽 1.5MHz~28MHz ，1GHz 条件下噪声系数为 3.5dB，在更高的频率如 2GHz 时，会恶化到 5.5dB~10dB，而AD9361 集成度更高，包括 2个发射和 2 个接收通道，频率范围 70MHz~6GHz，通道带宽200kHz~56MHz，1GHz条件下噪声系数为 2dB，在更高的频率如 2GHz 时，可做到小于 3dB；AD9361 因为集成有 ADI 自有的 12 位连续时间的∑-ΔADC，采样率达 640MHz，大大降低了对模数转换器前端的模拟滤波器的要求，因此可以实现滤波器的集成，无需外置滤波器，可有效降低系统成本；同时，因为采用 65nm CMOS 工艺，产品功耗做的很低，加之高集成度的设计，可大大降低系统功耗。

3、本实用新型能够在频谱分析时保持稳定性与高精度共存。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构原理图；

图2是本实用新型阻抗匹配模块结构原理图；

图3是本实用新型AD9361功能框图；

图4是本实用新型AD9361通道信号处理流程；

图5是本实用新型AD9361模块电路原理图；

图6是本实用新型FPGA与AD9361接口实现方案框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

本实用新型是基于AD9361实现频谱分析的嵌入式硬件平台，同时硬件平台配置有资源丰富的Kintex-7系列高性能FPGA完成信号基带处理，协同完成多路信号频谱分析。

如图1所示，一种基于AD9361多路频谱分析嵌入式硬件平台，包含射频输入输出接口、信号阻抗匹配模块如图2所示、射频及基带前端处理模块、时钟模块、基带与接口处理模块、控制模块、外围设备接口模块、供电模块；

所述信号阻抗匹配模块用于信号输入阻抗匹配，减小信号传输损耗。

所述基于AD9361射频及基带前端处理模块用于信号放大、滤波、变频、模数转换等预处理。

所述时钟模块用于为平台各模块功能芯片提供参考时钟。

所述可基带与接口处理模块用于实现基于FFT（快速傅里叶变换）算法的频谱分析处理，以及数字信号ADC控制，数据缓存，FFT帧加窗处理，数字滤波等。

所述控制模块基于嵌入式系统用于平台各模块资源调度及系统控制。

所述外围设备接口设备模块用于对外数据交互，外设桥接，数据存储。

所述供电模块用于平台模块工作供电。

可同时对多路输入信号进行频谱分析。

将控制模块与基带与接口处理模块的放置在两个独立SOC上，实现了平台电路稳定运行，且可用资源丰富

平台工作流程为：

信号输入工作流程：DC~6GHz射频信号射频输入输出接口输入→信号阻抗匹配模块进行信号阻抗匹配→AD9361模块射频及基带前端信号处理→基带信号及接口处理模块→上层应用软件。

其中AD9361模块射频及基带前端信号处理对信号处理流程如图3所示。信号经过放大、混频、多次滤波、模数转化。

如图4所示，AD9361模块射频及基带前端信号处理模块的过程包含依次连接的低噪声放大器、混频器、跨阻放大器、单级低通滤波器、三阶沃斯低通滤波器、BBPLL、半带滤波器、FIR滤波器。

其中基带信号及接口处理模块主要基于系统参数配置对AD9361处理过后的信号进行二次处理与分析。分析有两个方面：1.信号时域分析，2.信号频域分析。信号时域分析主要是基本参数估算，统计量计算。信号频域分析主要是FFT（快速傅里叶变换）；基本参数估算；频谱计算。

其中上层应用软件通过平台对外接口与平台进行数据交互，对硬件平台所输出数据进行统计分析与显示。

该平台采用高集成度的开关电源芯片，实现单一电源输入，多路电源输出。

满足数字芯片与模拟芯片分别供电，及不同电压的需求如图6。

该平台具有丰富的对外接口。USB 接口形式：MiniUSB（USB2.0版本），接口数量：1个；串口接口形式：MiniUSB（USB转串口），接口数量：1个；以太网接口接口形式：RJ45，接口数量：1个，网口速率：千兆；存储卡接口形式：SD卡或TF卡，接口数量：1个，存储容量：64GB（系统文件占用1GB空间）；射频接口1）射频输入接口形式：SMA；接口数量：1个；2）射频输出接口形式：SMA；接口数量：1个。本实用新型采用的是硬件方法，基于多路AD9361完成射频及基带前端处理，基于资源丰富的Kintex-7系列高性能FPGA完成基带信号及接口处理功能，实现FFT分析法的频谱分析。平台采用高度集成化芯片，在保障性能的同时缩了产品体积，加强了平台的可靠性和便携性；

本频谱分析硬件平台基于的AD9361，同时依托于资源丰富的Kintex-7系列高性能FPGA完成信号基带处理，协同完成多路信号频谱分析。如图5所示，AD9361是一款高集成芯片，内部集成了模拟滤波、混频器、数模转换器、发射和接收通道的频率合成器以及包括可编程增益、直流偏置校准等数字域的其他功能 。这款器件通过正交误差校准和直流偏置校准的功能优化很好的解决了此前零中频架构的直流偏置和正交误差限制，从而使零中频架构成功应用于频谱分析，同时无需外置滤波器，可以通过系统参数配置来完成。同类型芯片通常只是集成了一个发射通道和一个接收通道，频率范围300MHz~3.8GHz，通道带宽1.5MHz~28MHz ，1GHz 条件下噪声系数为 3.5dB，在更高的频率如 2GHz 时，会恶化到5.5dB~10dB。而 AD9361 集成度更高，包括 2个发射和 2 个接收通道，频率范围 70MHz~6GHz，通道带宽 200kHz~56MHz，1GHz条件下噪声系数为 2dB，在更高的频率如 2GHz 时，可做到小于 3dB；AD9361 因为集成有 ADI 自有的 12 位连续时间的∑-ΔADC，采样率达640MHz，大大降低了对模数转换器前端的模拟滤波器的要求，因此可以实现滤波器的集成，无需外置滤波器，可有效降低系统成本；同时，因为采用 65nm CMOS 工艺，产品功耗做的很低，加之高集成度的设计，可大大降低系统功耗。

基于此平台设计方案，能够在频谱分析时保持稳定性与高精度共存。

Claims (3)

1.一种基于AD9361多路频谱分析嵌入式硬件平台，其特征在于：包含射频输入输出接口、信号阻抗匹配模块、射频及基带前端处理模块、时钟模块、基带与接口处理模块、控制模块、外围设备接口模块、供电模块；

射频信号通过射频输入输出接口将射频信号传输至信号阻抗匹配模块进行信号阻抗匹配，减小信号传输损耗；

信号阻抗匹配模块将信号阻抗匹配过的射频信号传输至射频及基带前端处理模块对射频信号进行信号放大、滤波、变频、模数转换；

射频及基带前端处理模块处理后的射频信号传输至基带信号及接口处理模块，用于实现基于FFT算法的频谱分析处理，以及数字信号ADC控制，数据缓存，FFT帧加窗处理，数字滤波；

时钟模块与控制模块连接，用于为平台各模块功能芯片提供参考时钟；

外围设备接口模块与控制模块连接，用于对外数据交互，外设桥接，数据存储；

供电模块与控制模块连接，用于平台模块工作供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于AD9361多路频谱分析嵌入式硬件平台，其特征在于：

所述射频及基带前端处理模块包含依次连接的低噪声放大器、混频器、跨阻放大器、单级低通滤波器、三阶沃斯低通滤波器、BBPLL、半带滤波器、FIR滤波器。

3.根据权利要求1所述的基于AD9361多路频谱分析嵌入式硬件平台，其特征在于：控制模块与基带与接口处理模块放置在两个独立SOC上，实现了平台电路稳定运行，且可用资源丰富。