基于AD9361的简易频谱分析仪设计与实现

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。

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;

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。

本文来源于中国科技核心期刊《电子产品世界》2016年第8期第49页，欢迎您写论文时引用，并注明出处

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。

(1)

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：

(2)

(3)

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、ENABLE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点的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