基于單片機的手持頻譜分析方法研究

逯玉宏，魏國慶

（重慶金美通信有限責任公司，重慶400030）

1 引言

近年來，無線頻譜分析技術的應用越來越廣泛，尤其在無線通信領域顯示出強大的優越性，對測量儀器的需求越來越大，要求也越來越高。無線電信號的測量一般分為兩大類，一類是在時間軸上直接觀察信號的波形，用示波器觀察信號的動態變化，但是只能從中觀察信號的幅度和瞬時的變換，不能區分信號。另一類是在頻域測量信號，能夠在頻域觀察信號所在頻段上的噪聲范圍、頻率分量、功率以及信號失真等。無線頻譜分析需要依靠進口的頻譜分析設備，這種大型的用戶終端靈活性較差、成本高、啟動時間緩慢，不便于野外環境的使用。故此，提出一種基于C8051F120單片機的頻譜測試方法，增加了便利性，成本更低，靈活性更高，改變了一直以來頻譜測量需要大型儀器人工手動測試的現狀，同時提高了測試效率和準確性[1]。

2 關鍵硬件電路設計與分析

2.1 系統結構組成

系統設計以小型化、智能化為目標，采用嵌入式結構設計。所涉及的多路電路模塊主要包括：C8501單片機主控電路，RS-232串口電路，5×5鍵盤電路，OLED顯示器電路，以及射頻模塊和天線接口模塊。系統設計如圖1所示。其核心是選用了C8051單片機作為主控單元，通過RS-232串口與電腦相連接，RS-232串口通信電路采用芯片實現計算機串口與單片機I／O口之間的轉換，可以方便完成系統的程序升級和參數標定，將采集到的數據通過TXT文件格式上報備份存貯，并建立一個友好的人機界面，實現數據的記錄和查詢。OLED顯示屏提供用戶界面，顯現功能選擇提示與結果反顯。用戶通過面板按鍵設定工作方式，進行功能選擇，輸入信息[2-3]。

圖1 系統總體框圖

系統主要包含以下幾項功能：頻譜掃描分析功能、時域載波分析功能、射頻干擾功能。提供擴展通道與測試模式選擇，用戶可以更換測試模塊，分析與產品相關的頻譜。

2.2 射頻模塊

射頻模塊與單片機通過SPI總線連接，其射頻信號的輸入可以通過同頻段天線或者射頻電纜實現。該模塊負責完成不同頻點的場強值RSSI的生成及測量，它采用一塊射頻器件及單片機的模擬量采集口AIN0，射頻器件用于所支持頻段內RSSI值的產生，單片機的ADC可以快速完成RSSI值的抽樣采集，采用數組的方式暫存。射頻芯片MAX2837的SDI端輸出數據的格式見表l所示[4-5]。

表1 MAX2837 SDI腳數據輸入格式

射頻芯片MAX2837從SPI串行接口輸出數據的過程如下：單片機使CS變低并提供時鐘信號給CLK，由SDI讀取數據結果。CS變低將停止任何轉換過程，CS變高將啟動一個新的轉換過程。如圖2所示SPI接口時序圖。

圖2 SPI接口時序

射頻模塊在換頻時，需要依次配置地址分別為0x13、0x12、0x11這三個寄存器，依次是分頻比的整數、小數2、小數1，寫給射頻模塊的時序是5位地址，10位參數。采用查表的方法可以快速的切換頻率，但需要很大的存貯空間。若采用公式法，則如下式所示：

其中：DIV RATIO為分頻比，fRF為收發頻率，取值范圍為 2300MHz～2700MHz，Reference_clk 為參考時鐘，頻率為20MHz。

簡化的單片機算法如下式所示：

式中：initdiv為分頻比整數部分，frac為分頻比小數部分。

通過以上頻率字配置，可得到該頻率下接收場強值RSSI，射頻信號通常是間歇性的，時強時弱，需要將采樣到的數據與上次比較判定上升沿、下降沿，取上升沿和下降沿之間的數據求和取平均計算出場強值，保存在頻譜緩存中。通過單片機的ADC.0對場強信號RSSI進行采樣，在有限的時間內對接收的RSSI值取平均，作為RSSI的有效值，如下式所示：

其中Ui為接收場強信號，N為接收場強數目。

2.3 OLED顯示模塊

采用的OLED屏JTC12864YE024為水平128點、垂直64點像素。為消除閃爍現象及便于繪圖，采用數組disp［8］［128］與顯示屏像素對應，掃描方式為下高位，從左到右。一個RSSI數據截除直流分量及倍率縮小到63以下，才可以完整顯示。在設定坐標系時，顯示64行，128列，分別對應縱坐標的0～63，橫坐標的0～127。縱坐標值與頁碼及對應字節數據轉換如表2所示。

表2 縱坐標值與頁碼及對應字節數據轉換表

其中page為頁碼，Y為縱坐標值，BIT為頁字節數據所用到的位[6-7]。

屏顯公式如下式所示：

其中，disp ［ index1 ］［j］為顯示屏對應的像素值，index1=7-c_d/8=0,1,… ,63,j=0,1,… ,127，authority為顯示屏電子像素值表集合，index2=7-c_d%8=0,1,…,63,為顯示屏電子像素值表中的查表下標，c_d為場強值，單位為dB。

2.4 鍵盤模塊

鍵盤模塊主要用來掃描信號，由C8051F120單片機的P2口定時置位b_k,依次拉低Y1，讀入P1,b_k&=b；置高 Y1，拉低 Y2，讀入 P1,b_k&=b；置高Y2，拉低 Y3，讀入 P1,b_k&=b；置高 Y3，拉低 Y4，讀入P1,b_k&=b；置高 Y4，拉低 Y5，讀入 P1,b_k&=b;置高Y5;完成一次掃描工作，輸入口P1檢測到數據為0x1E,0x1D,0x1B,0x17,0x0F時，b_za為1判定為單鍵按下動作，同時清零b_za鎖定，只輸出一次按鍵標志b_jiana=1。鍵盤每0.1s掃描一次，不需要延遲消抖部分。以該方法實現鍵盤，優點是效率高，只采用4個位變量，一個鍵值變量。依次釋放檢測標志b_k,當前P1口全高標志b,釋放標志b_za,用于出口的鍵按下標志b_jiana，鍵值jian，再增加一個變量chang，用于長按識別，鍵釋放時清零，鍵按下時加1計數，計數到30時，b_za=1,chang=28,輸出連續按鍵信息，如此可便于光標的快速移位及控制參數等變量的快速遞變。51系列單片機具有靈活的位變量運算能力，但RAM比較珍貴，如此高效的鍵盤實現方法也具有創新性。鍵盤原理圖如圖3所示。鍵盤的權位值說明見表3。

圖3 5×5鍵盤原理圖

表3 鍵值權位表

3 系統軟件設計與分析

支持8051單片機的C編譯器主要有德國Keil Software公司開發的Keil C51編譯器，所產生的代碼運行速度極高，可內嵌匯編實現混合編程，該測試系統所有程序的編譯均采用此款編譯器。信號處理部分由單片機C8051F120完成，該單片機具有片內JTAG調試和邊界掃描功能，可在線調試，支持斷點、單步等，比使用仿真芯片、目標仿真頭的仿真系統具有更好的性能，但比起串口調試來，仍表現出調試速度慢的缺點。串口調試就是通過單片機內部的空閑串口，工作于高優先級中斷模式，通過UBOOT監控程序配合實現程序更新、當前PC位置查詢、RAM特殊功能寄存器修改等功能，必須的通訊串口都是采用PCA模擬的，同時保留串口調試方式。此設計實現了程序不開箱更新，調試效率非常高；主要功能是將采集到的電壓還原成實際值，經過倍率計算、區間選擇、倒像等處理，將相應的值存入外部靜態鏡像RAM中，驅動12864OLED屏顯[8-10]。

系統的主控流程主要包括了系統初始化、OLED驅動顯示、鍵盤控制、測量模塊等幾大部分。測試系統各個部分由單片機控制，協調各個模塊共同完成頻譜檢測功能。由定時器2驅動時間節拍。典型的時刻為10μs，另外提供20μs等備選項。考慮到電池供電低功耗的需要，平時操作PCON休眠，ADC采樣后將數據按照從大到小的順序暫存，多次采樣后將采樣值評估計算保存到頻譜表中，切換到下一頻點；達到頻率上限時，將頻譜表中的數據按面板設定的水平分辨率和垂直分辨力寫在屏幕的鏡像數組中。51單片機處理xram數據效率較為低下，這一部分代碼采用匯編優化。另外，在鏡像數組中疊加垂直閃爍光標、水平觸發門限光標、頁眉參數，計算出的射頻信號強度等信息后，調用匯編優化過的顯示驅動函數還原波形。整體程序流程如圖4所示。

圖4 主控程序流程圖

頻譜掃描實現：定頻信號，只要在一個頻點上駐留的時間與收發周期相當，或頻率的變換特別快，總會捕捉到射頻信號。頻譜測量的原理是，模塊在限定的頻率范圍內以設定的步進量反復切換接收頻率，完成RSSI的多次采樣存儲，檢測到信號時RSSI會變大，OLED屏幕上顯示為一個或多個波峰；沒檢測到信號時RSSI值被認為是白噪聲，OLED上顯示為一條直線。在周期性掃描過程中，一次掃描完成時如果沒有采樣到理想的波峰，會自動修改接收增益，每頻點駐留時間及步進間隔，一般是掃描范圍越大，步進間隔也相應增大。如圖5所示，在頻率為2440.9MHz時，撲捉到了信號，帶寬分別為 10MHz、1.75MHz。

圖5 頻率2440.9MHz時兩次捕捉到信號

時域上波形復現：射頻模塊工作在定頻接收模式，以設定的時間間隔采樣RSSI值存貯，再按照設定的的倍率顯示出來，以此可觀測到波形的信號部分，以及收發占空比等信息，如圖6所示。

圖6 頻率為2440MHz的時域波形

射頻干擾實現：利用射頻模塊的小功率發射功能，對正在通信的頻點實施干擾，檢測設備的抗干擾能力及其他綜合能力。如圖7所示，在2350MHz頻率處的信號已被干擾。

圖7 受到干擾的頻率2350MHz信號

4 結束語

針對大型的用戶終端靈活性較差、成本高、啟動時間緩慢、不方便在野外環境使用，設計一種以單片機為核心的頻譜測試方法，系統為手持設備，小而靈巧。完成頻譜掃描分析功能、時域載波分析功能、射頻干擾等功能，結果表明：硬件設備和軟件方法可完成頻譜分析等基本功能，且操作界面更加簡潔，可在工程人員的設備檢測工作中擔當重用。