0 引言

    頻譜測量在射電頻譜測量的研究中十分重要。傳統的頻譜測量儀器非常笨重，功耗也比較大，如今許多科學工作者的射電頻譜測量工作逐漸轉向環境惡劣的工作場所，工作者需要每隔一段時間去檢查一次系統工作情況，這樣就需要系統可以實現數據存儲功能，便于數據分析^[1]。而資源的匱乏就對頻譜測量系統提出了低功耗的要求。本設計從實際出發以超外差測量頻譜和鎖相環技術來得到頻譜及U盤存儲數據等方式解決這些問題。

1 頻譜測量原理

    本系統采用了超外差頻譜測量和中高頻調諧的方法實現了頻譜的測量^[2]，此方法很大程度上減少了干擾并且提高了系統的穩定性，并通過鎖相環技術的運用實現了液晶屏上顯示采集的波形，然后將數據存入U盤^[3]。

2 系統硬件設計

    整個系統主要由STM32F103控制芯片、鎖相環電路模塊、按鍵、液晶顯示、存儲模塊、A/D采集、環路濾波器組成，硬件電路結構圖如圖1所示。

2.1 主控芯片硬件電路

    考慮到需要的I/O數、運行速度、A/D采集精度和性價比等因素，本系統采用STM32F103ZET6芯片，自帶512 KB大容量Flash，3個12位A/D轉換器使系統采樣精度高，轉換速率快。其性能穩定、功耗低，溫度適用范圍大，外圍模塊豐富。

2.2 液晶顯示電路

    本系統選擇了卓力恩科技的ZLG240128F-BTSSWE-YBC的液晶屏，其分辨率為240×128，液晶的溫度一般是-30 ℃~70 ℃之間，對周圍環境的局限性相對較小，從而脫離了上位機，而且增加了人機的友好交互效果。

2.3 數據存儲電路

    為了使系統在低功耗情況下快速、精準地存儲數據信息，本系統選擇CH378文件管理控制芯片，選擇8位并口方式與單片機連接，可實現U盤或SD卡的快速讀寫，支持12 Mb/s全速和480 Mb/s高速USB通信，其最大可支持容量為32 GB^[4]，其應用框圖如圖2所示。

2.4 鎖相環電路

    鎖相環路主要通過ADI公司的ADF4351芯片的分頻器靈活控制輸出頻率，為了得到更合適的環路穩定性和頻率鎖定時間，本系統采用三階無源濾波器(其環路帶寬為75 kHz~150 kHz，相位裕度取47°~55°)以及HXO-32的10 MHz晶振^[5]，濾波電路如圖3所示。

3 系統軟件設計

    軟件程序是在MDK5開發環境中用C語言編寫的，根據人機交互程度的不同將系統工作模式分為全自動、半自動、全手動三種模式。程序中增加了對采集數據的軟件處理，采用平均算法使數據獲得較高的精準度和穩定度，并使用8位并行傳輸方式進行數據存儲。

3.1 程序流程圖

    本系統包含三種模式，這里主要介紹全手動模式。全手動模式程序流程圖如圖4所示。程序主要包含初始化程序、主程序和U盤檢測程序等。初始化程序是對系統參數的設置，保證了各部分功能正常進行。

3.2 矩陣鍵盤的軟件實現

    為了實現按鍵的中斷級別最高，系統采用了掃描的方法進行檢測，并給予延時消除抖動以保證系統的穩定性^[6]。各按鍵功能說明表如表1所示。

3.3 點頻輸出計算方法

    ADF4351的點頻輸出的計算方法可根據式：

以及系統的參考晶振頻率RF_IN=10 MHz求得INT和FRAC的值。根據其值可將輸出模式設置為小數模式或者整數模式，由此將上述所求值放入對應寄存器中即可^[7]。

    軟件的掃頻劃分為7個段來編程，調用AetPLL函數即可完成點頻配置，通過程序循環進而完成多頻掃描，并通過軟件配置低噪聲模式及防反沖脈沖寬度配置可以改善相位噪聲和雜散性能，通過減少周跳擴展了PFD的線性范圍，從而加快了鎖定時間^[8]。掃頻程序配置流程圖如圖5所示。

3.4 扇區方式存儲數據

    全手動模式下的扇區存儲通過單片機控制CH378寫入扇區數，以返回的中斷標志來判斷是否已經存儲成功^[9]。連續存儲大量數據時，可以在關閉文件時更新數據長度或者間隔一段時間更新，這樣不僅可以增加數據存儲的時間利用率，又可以延長U盤的壽命。全手動模式下扇區存儲流程如圖6所示。

4 實驗結果

    圖7為頻譜測量的硬件實物圖，系統通過參數值的調制最終可實現在35 MHz~4.4 GHz整個頻段的每個頻點都可以輸出較好的頻譜，圖8為鎖相環輸出點頻1 500 MHz的頻譜，其環路帶寬為124 kHz，相位裕度為49.3°。

    系統的操作界面是人機交互的關鍵，用戶可根據自己的需求選擇系統的工作模式，模式選擇界面如圖9所示，全手動參數配置界面如圖10所示，圖11為480 MHz帶寬下1 200 Mz頻率信號在液晶中呈現的頻譜。

    當系統采集完數據以后，將數據存入到U盤中TXT格式的文本中，取出后對數據進行分析，圖12為部分文檔數據的結果。

5 結論

    本文主要介紹了以STM32F103ZET6為主控芯片的頻譜測量系統，系統可實現頻譜的測量，并通過按鍵操作實現液晶顯示以及數據存儲。本系統功耗低、易操作、便于攜帶且具有存儲功能，在野外通信測量活動、勘探活動中有著很好的應用前景。

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作者信息:

孫  威，殷興輝，王新君

（河海大學 計算機與信息學院，江蘇 南京211100）