1、云南师范大学通信原理实验03频谱分析本科学生实验报告云南师范大学教务处编印一、实验设计方案实验序号实验3实验名称频谱分析实验实验时间2014-3-28实验室云南师范大学同析3栋通信原理实验室1、 实验目的1.1通过对输入模拟信号频谱的观察和分析，加深对傅里叶变换的信号频率特性的理解。1.2掌握频谱分析模块的实验方法。2、 实验内容2.1 将信号源输出的模拟信号输入本模块，观察其频谱。2.2 将其他模块输出的模拟信号输入本模块，观察期频谱。3、 实验仪器及实物图3.1 信号源模块（一块），如下图；图一 信号源实物图其中信号源中的主要器件有：1 CPLD：ALTER MAX EPM3256ATC1
2、44-10，该器件是Altera公司的MAX 3000系列CPID，其特点如下： 高性能，低功耗CMOS EEPOM技术 遵循IEEE STD.1149.1 JOINT TEST ACTION GROUP(JTAG)增强的ISP功能 高密度可编程逻辑器件，5000可用门 4.5-ns pin to pin 延时，最高频率227.3Mhz I/O接口支持5V、3.3V和2.5V等多种电平，实物图如下：2 存储器：ATMEL AT28C64B ATMEL(爱特梅尔)AT28C64是一种采用NMOS、CMOS工艺制成的8K8位28引脚的可用碘擦除可编程只读存储器。 其读写像SRAM操作一样，不需要外
3、加任何元器件，读访问速度可为45ns-450ns,在写入之前自动擦除，有部分芯片具有两种写入方式，一种像28（C）17一样的字节写入方式，还有另一种页写入方式，AT28C64的也寄存器为64B。 ATMEL并行节后EEPROM程序储存器芯片AT28C64采用单一电源+5V0,1V，低功耗工作电流30mA,备用状态时只有100pA出，与TTL电平兼容。 一般商业品工作温度范围为0-70，工业品为-40-+85。实物图如下：3 MCU:ATMEL AT89S51 AT89S51-24PC单片机，最高工作频率24M，供电电压范围4.0-5.5V，40脚DIP封装，片内4K字节的FLASH程序存储器，
4、128字节的片内ram，2个定时器、计数器，6个中断源等。实物图如上.3.2 20M双综示波器（一台），如下图：3.3 连接线（若干），如下图：3.3频谱分析模块，如下图：频谱分析中的主要元件：（1） 可编程逻辑器件CPLD：ALTERA MAX EPM7128SLC84-15可编程逻辑器件CPLD，同实验2.（2） 数字信号处理芯片DSP：TMS32VC5402TMS32VC5402芯片是C5000系列中性价比较高的一颗芯片，独特的6总线哈佛结构，使其能够6调流水线同时工作，工作频率达到100Mhz，VC5402除了使用VC54x系列中常用的通用I/O口，还为用户提供了多个可选的GPIO，H
5、PI-8和McBSP。TMS32VC5402是IT公司近年推出的性价比比较高的定点数字信号处理器，器主要特点有：1 操作速率达100MHz；2 具有先进的多总线结构（1条程序总线，3条数据总线和4条地址总线）；3 40位算术逻辑运算单元（ALU），包括1个40位桶形移位寄存器和个独立的40为累加器。4 17位并行乘法器与40位专用加法器相连，用于非流水线式单周期乘法、累加（MAC）运算；5 双地址生成器，包括8个辅助寄存器和2个辅助寄存器算术运算单元（ARAU）。6 数据、程序寻址空间1M16bit，内存4k16bit和16K16bit双存取RAM；7 内置可编程等待状态发生器，锁相环（PLL
6、）时钟发生器，2个多通道缓冲 串行口；1个8位并行为外部处理器通信的HPI口，2个16位定时器及6通道DMA控制器。8 低功耗，工作电源3,3V和1,8V。（3）29LE01029LE010是12K8BitEEProm存储器。4、实验原理、实验流程或装置示意图实验原理： 在本实验箱中，模拟信号从S-IN输入，进过低通滤波器以后，通过用拨码开关SW01进行选择的通道对经预处理后的模拟信号进行AD转换，然后数字信号传送到U01进行处理，最后把处理后的信号经两片8位DA转换器进行DA转换以后分成X轴和Y轴信号输出到示波器上进行频谱观察。信号处理款图如下：一、低通滤波器低通滤波器的作用是抗混叠，所谓混
7、叠是指信号的最高频率超过1/2倍的采样频率时，部分频率成分互相交叠起来的现象，这是混叠的那部分频率成分的幅值就与原来情况不同，采用就造成了信息的损失，因此在采样前需要对输入信号做滤波，以去除输入信号中高于1/2倍采用频率的那部分频率成分，这种以防混叠的模拟滤波器有称为“抗混叠滤波器”。低通滤波器如下图：二、增益调节电路该电路又叫信号调理电路，没在AD转换器都有其输入的满肚电压，如果输入信号的幅度超过了这个范围，就会因为限幅而照成失真，而在满度电压的范围内，大信号转换精度高，小信号的转换精度低，因此，在AD转换前应先将信号输入至一个信号调理电路，使得输入AD转换器信号既不超过满度电压，又尽可能接
8、近满度，提高转换精度。增益调节图如下:三、AD转换器电路 本电路采用的是低功耗10位20MSPS模数转换器TLC876，在本模块中，将进过低通滤波器和信号增益电路的模信号转换成数字信号，电路原理图如下：四、DA转换器电路原理图如下（X增益调节）：Y增益调节： 转换电路是由7524和运放TLE2084构成双极性输出的转换电路，通过此电路将计算得到的数字信号转换为模拟信号，从计算处理得到的数据，其中高8位数据通过DA转换为X轴的信号从X-out输出，地8位的从Y-out输出。5、实验方法步骤及注意事项5.1 将信号源模块、终端模块小心地同定在主机箱中，确保电源接触良好。5.2 插上电源线，扣开主机
9、箱右侧的交流开关，再分别按F两个模块中的开关POWERI、 POWER2，对应的发光二极管LED01、LED02发光，按一下信号源模块的复位键，两个模块均开始工作。（注意，此处只足验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后扣升电源做实验，不要带电连线）。5.3用连接线连接信号源模块中信号输出点“32KHZ正弦波”及频谱分析模块中“信号输入点”，调节输入增益调节点位器P02调节输入增益，使输入信号的“峰峰值测试点”为3V左右。5.4 设置拨码开关SW01进行选择低通滤波器的通道，可拨为0010。5.5 设置拨码开关SW02进行采样频率设置，这里可以设为0110.5.6 示波器选择为X-Y模式，分别
10、调节电位器“X增益调节”，“Y增益调节”，改变信号输出增益，使示波器上显示的波形清晰且幅度适中，即可进行观察。5.7 关闭交流电源电源开关，取出选用任意可输出模拟信号的模块固定在主机箱上，将其输出的模拟信号送如频谱分析模块，选择正确的通道，观察输出波形。注意事项：1 输入单频率成分的模拟信号时，应选择大于输入信号频率的最低采样频率的通道，即输入频率为32Khz时，应选用112kHz通道，选择其他的实验结构可能不准确。2 输入多频率成分的模拟信号时。应根据输入信号所包含的频率中的最高频率选择通道，即输入信号中包含2kHz，16kHz，32kHz等频率成分，则应选择大于最高采用频率成分中的最低频率
11、的通道112kHz。3 输入信号峰峰值不得超过4V。4 当没有信号显示或显示明显不正常时，按下复位键K01进行复位。5 输入信号的最高频率不能高于1Mhz。二实验过程1、实验现象及结果 按照步骤一的连接好实验实物，从信号源模块输出一个32K的正弦波峰峰值在3-4V左右。图如下：拨码开关如下置：波形如下：示波器使用YT模式检测X-out测试点的波形如下：示波器使用YT模式观察Y-out测试点的波形如下：XY模式实物连接和测试波形：课后总结及思考：通过本实验对模拟信号频谱的观察和分析。加深了对傅里叶变换和信号频率特性的理解。并且掌握了频谱分析模块的使用方法。熟悉了增益调节电路，AD转换电路，DA转换电路的一些工作原理。教师评语及评分：签名： 年 月 日
