频谱测量在射电频谱测量的研究中十分重要。传统的频谱测量仪器非常笨重，功耗也比较大，如今许多科学工作者的射电频谱测量工作逐渐转向环境恶劣的工作场所，工作者需要每隔一段时间去检查一次系统工作情况，这样就需要系统可以实现数据存储功能，便于数据分析[1]。而资源的匮乏就对频谱测量系统提出了低功耗的要求。本设计从实际出发以超外差测量频谱和锁相环技术来得到频谱及U盘存储数据等方式解决这些问题。

1 频谱测量原理

本系统采用了超外差频谱测量和中高频调谐的方法实现了频谱的测量[2]，此方法很大程度上减少了干扰并且提高了系统的稳定性，并通过锁相环技术的运用实现了液晶屏上显示采集的波形，然后将数据存入U盘[3]。

2 系统硬件设计

整个系统主要由STM32F103控制芯片、锁相环电路模块、按键、液晶显示、存储模块、A/D采集、环路滤波器组成，硬件电路结构图如图1所示。

2.1 主控芯片硬件电路

考虑到需要的I/O数、运行速度、A/D采集精度和性价比等因素，本系统采用STM32F103ZET6芯片，自带512 KB大容量Flash，3个12位A/D转换器使系统采样精度高，转换速率快。其性能稳定、功耗低，温度适用范围大，外围模块丰富。

2.2 液晶显示电路

本系统选择了卓力恩科技的ZLG240128F-BTSSWE-YBC的液晶屏，其分辨率为240×128，液晶的温度一般是-30 ℃~70 ℃之间，对周围环境的局限性相对较小，从而脱离了上位机，而且增加了人机的友好交互效果。

2.3 数据存储电路

为了使系统在低功耗情况下快速、精准地存储数据信息，本系统选择CH378文件管理控制芯片，选择8位并口方式与单片机连接，可实现U盘或SD卡的快速读写，支持12 Mb/s全速和480 Mb/s高速USB通信，其最大可支持容量为32 GB[4]，其应用框图如图2所示。

2.4 锁相环电路

锁相环路主要通过ADI公司的ADF4351芯片的分频器灵活控制输出频率，为了得到更合适的环路稳定性和频率锁定时间，本系统采用三阶无源滤波器(其环路带宽为75 kHz~150 kHz，相位裕度取47°~55°)以及HXO-32的10 MHz晶振[5]，滤波电路如图3所示。

3 系统软件设计

软件程序是在MDK5开发环境中用C语言编写的，根据人机交互程度的不同将系统工作模式分为全自动、半自动、全手动三种模式。程序中增加了对采集数据的软件处理，采用平均算法使数据获得较高的精准度和稳定度，并使用8位并行传输方式进行数据存储。

3.1 程序流程图

本系统包含三种模式，这里主要介绍全手动模式。全手动模式程序流程图如图4所示。程序主要包含初始化程序、主程序和U盘检测程序等。初始化程序是对系统参数的设置，保证了各部分功能正常进行。

3.2 矩阵键盘的软件实现

为了实现按键的中断级别最高，系统采用了扫描的方法进行检测，并给予延时消除抖动以保证系统的稳定性[6]。各按键功能说明表如表1所示。

3.3 点频输出计算方法

ADF4351的点频输出的计算方法可根据式：

以及系统的参考晶振频率RFIN=10 MHz求得INT和FRAC的值。根据其值可将输出模式设置为小数模式或者整数模式，由此将上述所求值放入对应寄存器中即可[7]。

软件的扫频划分为7个段来编程，调用AetPLL函数即可完成点频配置，通过程序循环进而完成多频扫描，并通过软件配置低噪声模式及防反冲脉冲宽度配置可以改善相位噪声和杂散性能，通过减少周跳扩展了PFD的线性范围，从而加快了锁定时间[8]。扫频程序配置流程图如图5所示。

3.4 扇区方式存储数据

全手动模式下的扇区存储通过单片机控制CH378写入扇区数，以返回的中断标志来判断是否已经存储成功[9]。连续存储大量数据时，可以在关闭文件时更新数据长度或者间隔一段时间更新，这样不仅可以增加数据存储的时间利用率，又可以延长U盘的寿命。全手动模式下扇区存储流程如图6所示。

4 实验结果

图7为频谱测量的硬件实物图，系统通过参数值的调制最终可实现在35 MHz~4.4 GHz整个频段的每个频点都可以输出较好的频谱，图8为锁相环输出点频1 500 MHz的频谱，其环路带宽为124 kHz，相位裕度为49.3°。

系统的操作界面是人机交互的关键，用户可根据自己的需求选择系统的工作模式，模式选择界面如图9所示，全手动参数配置界面如图10所示，图11为480 MHz带宽下1 200 Mz频率信号在液晶中呈现的频谱。

当系统采集完数据以后，将数据存入到U盘中TXT格式的文本中，取出后对数据进行分析，图12为部分文档数据的结果。

5 结论

本文主要介绍了以STM32F103ZET6为主控芯片的频谱测量系统，系统可实现频谱的测量，并通过按键操作实现液晶显示以及数据存储。本系统功耗低、易操作、便于携带且具有存储功能，在野外通信测量活动、勘探活动中有着很好的应用前景。

参考文献

[1] 窦玉江.太阳射电观测的微波技术研究[D].北京：北京师范大学，2009.

[2] LIN M C，TSAI G R，TU Y C.FPGA-based specturm analyzer with high area efficiency by goertzel algorithm[J].IEEE Computer Society，2008(743)：157-159.

[3] 邓旭亮，李晓军.超外差频谱分析仪频率下限扩展技术研究[J].科技信息:科学教研，2008(22)：414-415.

[4] ZHANG H，ZHAO R，TIAN C.Design and implementation of the music player based on interface chip CH378[C].Seventh International Conference on Advanced Communication and Networking，2015：40-43.

[5] 高立俊.基于ADIsimPLL 3.1的锁相环环路滤波器设计[J].现代电子技术，2013，36(15)：56-58.

[6] 余江，曹云建，熊韬.一种2～4 GHz宽带接收机的小型化前端设计[J].无线电通信技术，2016，42(2)：96-98.

[7] 李菁.手持式频谱仪本振电路的研究与实现[D].成都：电子科技大学，2015.

[8] 谭成豪，许建明.试述51系列单片机矩阵键盘编程[J].科技传播,2011(6)：225.

[9] 郭佳欣，单彦虎，任勇峰.基于CH378的通用大容量数据记录器的设计与实现[J].电子器件，2016，39(6)：1429-1434.

作者信息:

孙 威，殷兴辉，王新君

（河海大学 计算机与信息学院，江苏 南京211100）