即時頻譜分析儀之軟體定義無線電平台設計與實現

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隋忞(Min Sui) 查詢紙本館藏

畢業系所

通訊工程學系在職專班

論文名稱

即時頻譜分析儀之軟體定義無線電平台設計與實現
(Design and Implementation of Real-Time Spectrum Analyzer with Software-Defined Radio Platform)

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摘要(中)

本論文以軟體定義無線電平台實現即時頻譜分析儀，此平台使用 Zedboard SDR 軟體定義無線電開發套件，在硬體方面它是由ZedBoard zynq-7000 （FPGA Board）與 Analog Devices AD9361（RF Board）結合而成，透過筆電以Matlab程式進行即時頻譜分析。論文首先簡介頻譜分析的重要性、頻譜分析儀的架構以及掃頻式頻譜分析儀的缺點，從而導入即時頻譜分析的必要性。接著簡介即時頻譜分析儀的硬體架構以及離散傅立葉轉換的相關概念，以正交（I/Q）取樣點的離散傅立葉轉換的數學模型分析建立基本觀念，並以此為基礎說明I/Q不平衡、直流偏移（DC OFFSET）、無衍生信號的動態範圍（Spurious Free Dynamic Range,SFDR）、解析度頻寬（Resolution Bandwidth，RBW）等。後續陳述即時頻譜分析儀之設計，詳細解說 zynq-7000與AD9361的特性，以及與其相關的數值運算觀念，如 Fixed Point、Floating Point 和 CORDIC。最後為即時頻譜分析儀的實現與實例運算，此為前者的設計結果的應用，以三個不同信號為例驗證本研究的可用性與探討設計的優缺點。

摘要(英)

This thesis implements a real-time spectrum analyzer with a software-defined radio platform. This platform uses the Zedboard SDR software-defined radio development kit. In terms of hardware, it is a combination of ZedBoard zynq-7000 (FPGA Board) and Analog Devices AD9361 (RF Board). performing real-time spectrum analysis with Matlab program through laptop. The thesis firstly introduces the importance of spectrum analysis, the structure of spectrum analyzer and the shortcomings of swept analyzer, so as to introduce the necessity of real-time spectrum analysis. Then it introduces the hardware structure of the real-time spectrum analyzer and the related concepts of discrete Fourier transform, establishing the basic concept based on the mathematical model analysis of discrete Fourier transform of quadrature (I/Q) sampling Points. The concepts I/Q imbalance, DC offset, spurious free dynamic range (SFDR), and resolution Bandwidth (RBW) and introduced. The design of the real-time spectrum analyzer is described in the follow-up, and the characteristics of the zynq-7000 and AD9361, as well as the related numerical operation concepts, such as Fixed Point, Floating Point and CORDIC, are explained in detail. Finally, the realization and practical operation of the real-time spectrum analyzer, These are the application of the design results of the former, taking three different signals as examples to verify the usability of this study and discuss the advantages and disadvantages of the design.

關鍵字(中)

★ 即時頻譜分析儀
★ Zedboard
★ zynq-7000
★ AD9361
★ CORDIC運算

關鍵字(英)

★ Real-Time Spectrum Analyzer
★ Zedboard
★ zynq-7000
★ AD9361
★ CORDIC

論文目次

中文摘要 i
Abstarct ii
誌謝 iv
目錄 v
圖目錄 viii
表目錄 xiv
第一章緒論 1
1-1. 研究動機與背景 1
1-2. 本論文架構 8
第二章即時頻譜分析儀之基本架構與原理 9
2-1. 時頻譜分析儀（RTSA）的主要功能方塊圖 9
2-1-1. 射頻/中頻的類比式降頻轉換器 9
2-1-2. 中頻/基頻的數位式降頻轉換器 11
2-2. 離散傅立葉轉換相關概念 12
2-2-1. I/Q取樣與離散傅立葉轉換 12
2-3. IQ不平衡的原理（IQ imbalance） 20
2-4. 直流偏壓Dc offset的原理 22
2-5. 無雜散動態範圍Spurious-free dynamic range（SFDR） 23
2-6. 解析度頻寬（Resolution Bandwidth， RBW） 24
2-7. 頻譜洩漏 25
2-8. 加窗加權（Windowing or Weighting）對功率位凖測量的效應 32
2-9. 加窗加權函數的優劣比較 36
2-10. FFT長度 36
2-11. FFT重疊（overlapping） 37
2-12. FFT的時間解析度 38
2-13. 截獲機率（Probability of Intercept） 38
2-14. 即時頻譜分析儀的重要規格 40
第三章即時頻譜分析儀之設計 41
3-1. 軟體定義無線電平台 41
3-2. Zedboard zynq-7000特性概述 42
3-3. AD9361特性概述 44
3-4. 無線電系統 48
3-4-1. Ssdrtx 48
3-4-2. Ssdrrx 48
3-4-3. sdrrx在RTSA應用時的設定 49
3-5. 快速傅立葉轉換（Fast Fourier Transform） 50
3-5-1. Butterfly_1 50
3-5-2. Butterfly_II 52
3-5-3. Twiddle Factor-R22 53
3-5-4. 固定點數Fixed Point 54
3-5-5. 浮點點數Floating Point 55
3-5-6. 量化Quantify 55
3-6. 坐標軸數位旋轉計算器（CORDIC）演算法 56
3-7-1. CORDIC_ROT 57
3-7-2. CORDIC_ROT_first 58
3-7-3. Ping_Pong_FIFO 59
3-7-4. CORDIC_ROT_stage 59
第四章快速傅立葉轉換之4096點運算 61
4-1. 輸入訊號的bit數對SFDR的影響 61
4-2. 訊號量化對SFDR的影響 62
4-3. stage對SFDR的影響 63
4-4. 相位的量化位元對SFDR的影響 64
4-5. 計算時的小數位元對SFDR的影響 65
4-6. 擴展位元對SFDR的影響 66
4-7. window對SFDR的影響 69
4-8. 振幅對SFDR的影響 71
4-9. Fixed Point的狀況下頻率對SFDR的影響 74
4-10. Floating Point的狀況下頻率對SFDR的影響在 78
4-11. FFT的狀況下頻率對SFDR的影響在 81
4-12. Verilog的CORDIC與Matlab的CORDIC做比較 85
4-13. 擴充 86
4-14. Verilog的4096點FFT 88
4-15. Verilog與Matlab的4096點FFT比較結果 89
第五章即時頻譜分析儀之實作及運用 91
5-1. 輸入訊號TX 92
5-2. 掃描式頻譜分析儀 97
5-3. 即時頻譜分析儀 103
第六章結論 107
6-1. 結論 107
6-2. 未來計畫與發展 107
參考文獻 108
附錄一 110
附錄二 116

參考文獻

[1] Keysight Technologies, “Spectrum Analysis Basics’’, 2012
[2]Tektronix, “Instant Spectrum Analyzer Fundamentals Primer’’, 2013
[3]Dr.Florian Ramian , ‘‘Implementation of Real-Time Spectrum Analysis’’, rohde&schwarz, Mar. 2015
[4] Len Staller, ‘‘Understanding Analog-to-Digital Converter Specifications’’, Ilicon Laboratories Inc, 2009
[5] N.Levanon, ‘‘Radar Principles’’,John Wiley & Sous Ine,PP.202-220,1988
[6]Valence ,What is DC Offset? Ask Chris ,取自：https://relaytraining.com/what-is-dc-offset-ask-chris/
[7] Keysight Technologies, Optimized for RF and Microwave Dynamic Range of Spect,2012
[8]Anritsu, “Understanding Key Real-Time Spectrum Analyzer Specifications”, 2000
[9] Aaronia AG, “Gewerbegebiet Aaronia AG II”, DE-54597 Strickscheid, Germany,2011
[10]Avnet, “ZedBoard Product Brief”, 2011
[11] Analog devices,RF Agile Transceiver,2015
[12] Travis F. Collins, Robin Getz, Di Pu, and Alexander M. Wyglinski, “Software-Defined Radio for Engineers”, 2018, ISBN-13: 978-1-63081-457-1.
[13]黃冠球, ‘‘Implementation of Wideband OFDM mmWave Transceiver with RFSoC Platform”, 國立中央大學,碩士論文,oct 2020
[14]王又意, ‘‘Design and Implementation of a 4-FSK Burst Communication Transceiver with SDR”,國立中央大學,碩士論文,Jun 2021

指導教授

陳逸民(Yih-Min Chen)

審核日期

2022-8-8

推文