表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪

表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪

背景技术

表面波海洋环境勘测设备是近几十年来发展起来的一种可连续勘测大面积海洋环境参数的无线电设备，它将大功率的高频垂直极化电磁波投射到海面上，当指向或背向勘测设备的两个海浪波列的波长等于二分之一勘测设备工作波长时，会对勘测设备电波产生最强的散射，把这种散射称为一阶散射。海洋表面状态以及其变化特征反映在海浪回波的多普勒频谱的特征上，利用Barrick建立的一阶散射截面方程可用来分析这些多普勒谱，通过相应的算法可以从设备回波中反演出风、浪、流等海洋物理信息，完成对广域海洋环境的实时全方位的勘测。此外，还可依据海上目标散射的回波谱与海浪回波谱的差异，探测到海面上低速移动的硬目标。与现有技术的其它海洋遥感设备相比，表面波海洋环境勘测设备具有覆盖面积大、探测精度高、造价适度、运行费用低、可全天候工作等优点，并能够探测到视距以外的海域，是最理想的海洋环境检测设备之一。

随着分布式表面波海洋环境组网探测设备的发展，其克服了现有技术海洋探测技术的探测范围小、探测方式单一、信息量严重不足、抗干扰能力弱、探测精度不高等典型缺陷，具备服务大面积、精细化的海洋环境参数探测能力，在结果准确性、应用灵活性等方面更加适应多样化的应用需求，探测结果可以服务于海洋渔业、海洋交通、海岸工程、灾难预警等相关行业。

但由于表面波海洋环境勘测设备较低的工作频段也引发了不少的问题，最重要的就是勘测设备工作环境非常复杂，当外部有强大干扰和噪声时，有用信号被淹没在噪声中，勘测设备的探测性能会大大降低，甚至在某些时候能够堵塞接收机，导致其无法正常工作。表面波海洋环境勘测设备遇到的干扰类型有：海杂波干扰、电离层干扰及射频干扰。最显著的强干扰是复杂密集的短波电台信号，表面波海洋环境勘测设备的外部噪声干扰要比设备的内部产生的干扰高20至40dB，表面波海洋环境勘测设备的工作频率范围一般在3至30MHz之间，工作带宽为30至100KHz，而在该频段内存大量的短波电台信号，工作期间总是存在着一个甚至多个短波电台信号，由接收天线进入勘测设备，从而降低了整个探测设备的性能。在夜间，短波电台干扰显得尤为突出，在晚上的17至22点期间，雷达探测的距离会大幅度减小。

频谱仪是研究一个给定信号，然后获取其频谱上各频率分量的能量分布的实用工具，本质上，频谱仪是将一个复杂的信号分解为很多单一的信号，并显示各个频率分量的幅度与频率的对应关系，继而得出信号的频率和幅度。

如果表面波海洋环境勘测设备的工作频带内干净，没有强干扰的影响，那设备将可以获取高质量的数据，从而反演出更精确的海洋动力学参数信息。因此，对表面波海洋环境勘测设备工作环境中的干扰和噪声进行有效地勘测是一项十分重要的工作，而现在市场上的无线电频谱分析设备价格昂贵，并且监测的频谱范围太广，远超表面波海洋环境勘测设备的工作范围，导致资源的极大浪费；并且它也不能很好的适应表面波海洋环境勘测设备收发共站的模式，设备高功率的发射信号极有可能损坏常用的频谱分析设备，所以当前需要有针对性的为表面波海洋环境勘测设备设计一款频谱分析设备，使其不仅可以对表面波海洋环境勘测设备工作环境中的短波段干扰和噪声进行接收，为后期的数据采集提供噪声数据，而且还能够为勘测设备选择合适的工作频率作参考，本发明就是基于上述目的而设计研发的。

本发明将表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪与现有技术进行了对比分析，针对现有技术的存在明显的缺点，本发明拟解决以下问题：

第一，现有技术表面波海洋环境勘测设备的频谱分析主要采取窄带中频数字化的结构，一次变频、高中频采样的方式，为减少回波信号对噪声和干扰信号采集的影响，它主要工作在勘测设备工作的间歇期，即两次扫频周期中间的时间。其大致工作原理是：首先通过带通滤波器预选出需要监测的频段内的噪声信号，然后产生起始频率为44.5MHz，扫频间隔为10KHz的线性扫频信号，再经由变频器，通过一个中心频率为40.5MHz，带宽为10KHz的带通滤波器，将得到的差频信号采集，然后做FFT运算，就能获取输入信号以10KHz为分析带宽的频谱信息，经过多个扫频周期后，就能得到待测信号的大量样本，最后统计得到所需勘测带宽内的信号谱图，现有技术的这种模式存在大量问题；

第二，现有技术的频谱分析设备仪用于表面波海洋环境勘测设备，在以下三方面存在较大的缺陷：一是采样时间点，前期海洋环境勘测设备工作的间歇期有38.4ms，但是现在由于各种技术改进，间歇期也只有3.125ms，间隔时间大大缩短，如果还是仅仅采样间歇期的信号，则采样点数明显不够，或者就需要提高采样频率，但是这样还是存在不能准确反应外部噪声干扰的问题；二是回波信号对噪声和干扰信号采集的影响，在Tp脉冲的低有效采样，必定对噪声和干扰信号采集有影响，如果按照现有技术的频谱分析设备，还是在勘测设备工作的间歇期进行采样，依然不能避开回波信号对噪声和干扰信号的采集的影响，因为现在的间歇期时间，也只有一个Tp的脉冲宽度，而本发明设备每次分析的带宽为300Hz，勘测设备工作频率的有效带宽选择是30KHz，频谱分析的范围则是1500KHz带宽信号，排除30KHz信号带宽的影响，本发明所能够选取的带宽相当充裕，并且也可以综合当前所选工作频率得到的谱图结果，做出选择判断；三是变频器导致的镜频问题，由于本发明采用的是零中频结构，大大抑制变频器产生的各种谐波分量，紧随变频器后的低通滤波器，其截止频率为300Hz，能保证混频后差频信号的纯净度，其次就是本发明采用300Hz截止频率的低通滤波器，也去除了由于变频器的无极性导致的对勘测信号的识别误差，最后，由于调制信号Tp是一个周期为3.125ms的信号，在设备中就会存在着320Hz及其谐波信号，通过低通滤波器同样能将此类信号滤除。

第三，表面波海洋环境勘测设备较低的工作频段引发了不少的问题，最重要的就是勘测设备工作环境非常复杂，当外部有强大干扰和噪声时，有用信号被淹没在噪声中，勘测设备的探测性能会大大降低，甚至在某些时候能够堵塞接收机，导致其无法正常工作。最显著的强干扰是复杂密集的短波电台信号，表面波海洋环境勘测设备的外部噪声干扰要比设备的内部产生的干扰高20至40dB，表面波海洋环境勘测设备的工作频率范围一般在3至30MHz之间，工作带宽为30至100KHz，而在该频段内存大量的短波电台信号，工作期间总是存在着一个甚至多个短波电台信号，由接收天线进入勘测设备，从而降低了整个探测设备的性能。在夜间，短波电台干扰显得尤为突出，在晚上的17至22点期间，雷达探测的距离会大幅度减小。

第四，现在市场上的无线电频谱分析设备价格昂贵，并且监测的频谱范围太广，远超表面波海洋环境勘测设备的工作范围，导致资源的极大浪费；并且它也不能很好的适应表面波海洋环境勘测设备收发共站的模式，设备高功率的发射信号极有可能损坏常用的频谱分析设备，针对性的为表面波海洋环境勘测设备设计一款频谱分析设备，使其不仅可以对表面波海洋环境勘测设备工作环境中的短波段干扰和噪声进行接收，为后期的数据采集提供噪声数据，而且还能够为勘测设备选择合适的工作频率作参考，本发明表面波海洋环境勘测设备的工作频带内干净，没有强干扰的影响，设备可获取高质量的数据，从而反演出更精确的海洋动力学参数信息。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供的表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪，以表面波海洋环境勘测设备探测海洋为背景，研制出针对性强且符合要求的频谱分析仪，为表面波海洋环境勘测设备保驾护航。发明点主要包括：一是对表面波海洋环境勘测设备的工作波形做分析，提出了一种扫频外差式和FFT算法相融合的零中频采集方案；二是对表面波海洋环境勘测设备的频谱分析的中频数字化采集方案进行分析，设计研制了适用于表面波海洋环境勘测设备的频谱分析仪，详细设计了模拟前端电路、DDS电路、A/D采样电路和FPGA的控制模块，完成USB数据传输部分固件的编写，上位机的设计及测试；三是完成整个工程的原理图及PCB的绘制，制板成功后，结合示波器、信号源仪器完成设备的调试，验证了本发明频谱分析仪的正确性，并为后期设计全数字化的频谱分析仪奠定了良好的基础。

为达到以上技术效果，本发明所采用的技术方案如下：

表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪，一是对表面波海洋环境勘测设备的工作波形做分析，提出了一种扫频外差式和FFT算法相融合的零中频采集方案；二是对表面波海洋环境勘测设备的频谱分析的中频数字化采集方案进行分析，设计研制了适用于表面波海洋环境勘测设备的频谱分析仪，详细设计了模拟前端电路、DDS电路、A/D采样电路和FPGA的控制模块，完成USB数据传输部分固件的编写，上位机的设计及测试；三是完成整个工程的原理图及PCB的绘制，制板成功后，结合示波器、信号源仪器完成设备的调试，验证了本发明频谱分析仪的正确性，并为后期设计全数字化的频谱分析仪奠定了良好的基础；

本发明设计的表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪包括硬件和软件两部分：硬件方面，由模拟接收前端开始，以滤波器、放大器、变频器为核心，完成所需分析的微弱信号的放大和解调功能；应用DDS芯片，产生所需的本振信号；ADS8505完成对模拟信号的数字采集；采用ALTERA的CYCLONE 3系列芯片完成整个设备的时序控制，协调各数字部分的运作；设备的数据传输，采用USB3.0技术，所用控制芯片为CYPRESS公司的CY7C68013；软件方面，以Visual Studio 2010为设计平台，完成对采集数据的读取、FFT处理、频谱显示、数据保存，最终整个频谱分析设备以实物的形式展现；

本发明的表面波海洋环境勘测设备的频谱分析仪基于外差式结构和FFT的原理，并将二者融合改进，在频谱分析期间，本振输出为单频信号hLO，由本振频率和射频信号hR以及低通滤波器的截止频率hL确定外部噪声信号的频谱，频率范围为hLO～hLO+hL，当采集完1024个数据点，完成一次采样，此时，本振源的输出为hLO+1KHz，此时得到的外部噪声的频率勘测范围为hLO+1KHz～hLO+1KHz+hL，以此类推，当得到1500个带宽为hL的频谱信息时，完成1.5MHz带宽的扫频，完成一次频谱分析；

时序控制方面，数据的采集工作主要是在勘测设备的工作间歇期，也即是在Dq的低电平期间，表面波海洋环境勘测设备一个完整的扫频周期D＝125ms，每个扫频周期的间隔为Dinterval＝3.125ms，门控脉冲的周期Dq＝3.125ms，脉冲宽度为Dp＝(3.125/2)ms，即需要在(3.125/2)ms内做一次采样；

本发明的频谱分析仪低通滤波器截止频率为300Hz，AD采样频率为100KHz，每一次频谱分析共计采样8个脉冲间隔时间(Dad＝8*3.125/2)ms,则可采集1250个点，然后进行FFT，得到300Hz带宽内的信号信息，同时，DDS转换一次频率hLO+1KHz，进行下一帧的采样，如此类推，完成整个频段的频谱分析时间为(8*Dq*1500＝37500)ms；然后对采集完的所有信号进行统计分析，得出外部噪声信号的频谱，为海洋环境勘测设备选择合适的工作频率作参考。

表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪，进一步的，扫频外差式和FFT算法相融合的零中频采集方案中，采样率和低通滤波器的截止频率的选择包括：

第一，以单频12MHz的本振信号和接收信号进行混频，得到1.5MHz带宽的信号，不直接采样，而是再通过一个窄带的低通滤波器进行扫描式监测的原因为：首先，由于带通滤波器的窄带不可能理想化，它就避不开严重的变频器镜频干扰，基本无法完成监测任务，其次，对1.5MHz带宽的信号进行采样，工程上采样率要在5MHz以上，则整个设备的数据率会大幅提高，对后续数据的处理带来极大困难，设备功耗也随之增大，最后，因为采样点数的不足，导致所能监测的谱的分辨率很低，以5MHz采样1024点作FFT为例，其谱的分辨率则接近5KHz；

第二，300Hz截止频率的选择：低通结构是由整个设备监测原理决定的，而300Hz的截止频率则是为了滤除调制信号以及其谐波(周期为3.125ms)。

表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪，进一步的，频谱分析仪主要包括模拟前端、DDS电路模块、A/D采样电路、USB接口电路和FPGA控制模块及其它附属电路；

模拟前端主要用于天线接收微弱信号的放大、选取，经过混频电路，得到一个准零频信号；DDS电路主要是每隔一个扫频周期，得到一个单频信号，放大滤波后与天线进来的信号进行混频；A/D采样电路，经过混频电路出来的信号为近零频的窄带信号，采用A/D采样电路对模拟零频信号进行采样、量化和编码输出；USB接口电路，主要完成采集后数据的传输；FPGA控制模块，完成整个设备的同步与控制协调。

表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪，进一步的，模拟前端设计：本频谱分析仪有两条信号通路，第一条信号通路主要实现通过一个带通滤波器选取噪声信号的接收频段，经过两级放大之后进入变频器的RF端，整条通路的电压增益为40dB；第二条信号通路为DDS本振信号端，经过滤波放大，得到合适的增益，输送到变频器的LO端，该条通路的电压增益为52dB，在模拟端包括的器件为三类：滤波器、放大器和变频器。

滤波放大电路设计：本发明要求分析监测带宽为300Hz，滤波器MAX297的截止频率有两种方式进行调节，一种是通过调节起振电容的大小，调节时钟频率，另一种是通过外接时钟信号的方式，滤波器时钟频率与通带频率之比为50：1，截止频率在0.1Hz至50kHz灵活设置，满足设备的各类需求，MAX297的1管脚的clk信号通过外接一个电容的方式实现截止频率的选择，根据MAX297的截止频率和clk的比值为1:50的关系确定截止频率fc，经过实际调试，本发明选择2.2nF电容接地，实现300Hz的截止频率。

表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪，进一步的，放大器的选取：信号通路中的各级放大器的选择依据为：合适的增益，低的噪声系数，较大的线性范围，输入输出阻抗的匹配及足够的带宽，综合考虑各项指标，在RF信号通路增益放大单元采用MINI公司生产的低噪声放大器GALI52，为使变频器具有高的本振激励，对于本振通路采用GALI54和MICRO公司生产的RF2317组成的两级放大电路对DDS输出的本振信号进行放大；

最后一路为混频滤波后的放大，主要是驱动后面A/D转换器，满足A/D的输入要求，这一级采用DI公司的OPA277精密运算放大器，它提供的噪声更低，输出电压摆幅更宽，具有超低的失调电压和漂移和偏置电流，该运放采用单级5v供电，通过匹配反馈电阻，得到十倍同向放大能力；

该运放的放大能力通过调节R18和R14，获取不同的放大倍数，在输入端加入直流，对于反馈回路中的C25十分重要，将直流隔掉，使其不被放大。

表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪，进一步的，DDS电路设计：AD9854的工作控制通过对内部寄存器的配置实现，本发明采用串行方式操作，采用两线制方式，一个串行操作周期分为指令操作和数据操作两部分，在前八个串行时钟的上升沿配置读写方式以及定出寄存器的地址，其中读写方式控制在最高位，O代表写操作，1代表读操作，寄存器地址由后四位控制；

AD9854共有五个可供选择的工作模式，本发明AD9854产生的频率是跳频的形式，但步进频率是1KHz，驻留时间25ms，其本质是处在线性调频脉冲模式下，通过对其寄存器值的设置，本发明主要配置以下控制字：

第一，起始频率控制字，起始频率控制字是每一帧扫频的起始频率，本发明起始频率为13MHz，依据时钟频率，由此对应的算出频率控制字；

第二，步进频率控制字，步进频率控制字是每一次频率变化的单位，本发明使用1KHz作为步进频率，即为向下的1Hz，在求得1KHz的控制字之后，需要对控制字进行求补码运算；

第三，驻留时间控制字，驻留时间控制字是控制每次频率改变后所保持的时间的控制字，它与步进频率共同决定扫频的斜率，本发明每次勘测的频段带宽为1.5MHz，驻留时间为25ms；

第四，幅度控制字，幅度控制字通过编程控制DDS的输出幅度，通过对其进行调整，产生所需幅度的波形。

表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪，进一步的，应用DDS实现高精度任意分频：本发明运用相位累加器的原理，实现任意分频，任意占空比，首先给出频率控制字，以及一个相位累加器，然后对计数器进行拆分，得出占空比；

基准时钟Hi＝30MHz，需要得到频率为ho＝100KHz，占空比为9/10，低电平持续时间为1000ns，

频率控制字S为：

能输出的最小频率为：

能输出的最大频率为：

占空比设置，首先确定计数个数，若要占空比为9/10，则计数器的判断值为：

具体为：

一是当cnt≤429496730时，h0＝0，即为低电平；

二是当cnt＞429496730时，h0＝1，即为高电平；

在实现过程中，只需提供频率控制字及计数器的数值，得到所需要的频率以及占空比，非常灵活实用，并且精度很高，本发明的A/D采样控制电路采用这种方法获取精确控制。

表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪，进一步的，A/D采样电路设计：混频后的信号为一个0至300Hz的窄带信号，为了采样后信号不失真，取100KHz的采样频率，完全满足采样定理，本发明选取TI公司的ADS8505 A/D芯片，该芯片双极性输入，输出16位的数字信号，最高采样速率250KSPS，一次的数据转换时间4ns；

ADS8505有四个重要的控制管脚，分别为BYTE，ADS8505有两种转换和读数方式：第一种，AD转换和读数同时进行，当为低时开启转换，同时读取前次转换后的结果；第二种，先转换后读数，在启动转换后，检查A/D反馈信号为高电平时转换还未结束，为低电平时则已经转换结束；

本发明的控制方式采取先转换后读数，根据时序图产生一个周期为10us的信号，接到端，其中信号拉低，并且保证的低电平保持时间在40ns至1750ns，使其能够驱动A/D的转换。

表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪，进一步的，USB固件设计和下载：固件程序最终烧录到8051内核的程序文件，通过内核CPU的控制，使得上位机能够检测到新的设备，并且协助完成主机与设备之间的数据交换，在使用EZ-USB FX2芯片进行应用开发时，利用EZ-USB FX2的固件框架；

在固件设计中，主要是在Keil的uVision3集成开发环境中进行设计开发，生成固化好的.iic文件，本发明所设计固件要求实现控制USB芯片接收并响应USB设备驱动程序的请求，将数据准确无误的上传给主机，创建好固件框架后，生成一个固件库，其中包含以下源文件：reg80320-含有8051头文件信息；Ezusb.h-完成各种库函数的声明以及对数据类型的定义；Fx2regs.h-包含FX2寄存器头文件信息；Fw.c-Cypress公司提供的固件框架；Periph.c-该函数用户可以进行自定义；Dscr.a51-USB描述符列表；

该框架由以下几个程序文件组成：

第一，Fw.c：USB固件程序的主文件，包含main()函数，协调51内核的运作；

第二，Periph.c：包含USB初始化和任务处理函数，在个人开发固件时主要是针对该文件，依据需要添加自己的任务代码，其中，对于以下几个重要函数进行特别的说明：

TD_Inid()函数：在对USB端点进行初始化时被调用，在设备枚举和任务调度启用之间调用此函数，这个函数可自行设置；

TD_Poll()函数：完成对循环任务的处理，通过查询各个端点状态，完成对OUD或IN端点的交互处理；

DR_VendorCmnd函数：当框架采用某一指定的vendor命令时被调用，主要完成用户自定义命令的译码工作；

第三，Dscr.a51为描述表文件：在设备通电后会识别出VID和PID，替换原有的VID和PID；

本发明通过配置寄存器完成对Slave FIFO接口的设计，配置过程中只用了端点2和端点6进行传输数据，其传输的方式为同步的批量传输，将固件代码通过uVision3编译完成后，生成了.hex文件，下载的方式有两种：一种利用USB设备内部RAM来存储数据与代码，这种方法灵活度高，主要适用于前期的固件调试，另一种是将固件程序存储到EEROM中。

表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪，进一步的，FPGA控制电路设计：FPGA是频谱分析仪的中枢，控制模块负责协调整个设备的运作，包括对DDS模块的配置产生所需的本振信号，对A/D采样器进行时序控制，采集准确的外部噪声信号，对USB芯片进行控制使整个后端数据得到无误的传输；

本发明采用ALTREA公司的CYCLONE 3系列的EP3C40F484C6芯片，FPGA控制程序主要包括A/D采样的控制和USB数据传输的控制：

第一，A/D采样控制，本发明所用A/D采样芯片为ADS8505，该芯片控制相对简单，控制时序要求转换时间在40至1750ns之间，本发明设置为1000ns，保证每次数据能完成转换，最后产生的一个周期为10us的采样信号，其中低电平持续时间为1000ns，设计方法采用的本发明的任意分频原理；

第二，USB数据传输控制，本发明采样零中频结构，混频之后经过低通滤波器最后得到一个0至300Hz的窄带信号，经由100KHz的采样率对其采样，进入FPGA，待传输；若是采用同步写模式，存在数据率的匹配问题，采样时钟为100KHz，而USB传输控制模块的时钟则是48MHz，相差几百倍，如果不经任何处理，会导致传输出来的数据存在重大误差，需要解决两个时钟的不匹配导致的数据率不同的问题，本发明采用quartus里面的IP核模块进行设计；

程序设计完成后，进一步对FPGA芯片的配置，只用到单一器件配置模式,其中用到AS主动配置方式和JTAG配置方式，JTAG方式主要用于在线调试阶段，当调试完成以后，将程序编译后的烧录文件，以AS的模式下载到配置器件EPCS中，以后只要上电就能运行固化好的程序。

与现有技术相比，本发明的贡献和创新点在于：

第一，本发明提供的表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪，以表面波海洋环境勘测设备探测海洋为背景，研制出针对性强且符合要求的频谱分析仪，为表面波海洋环境勘测设备保驾护航。发明点主要包括：一是对表面波海洋环境勘测设备的工作波形做分析，提出了一种扫频外差式和FFT算法相融合的零中频采集方案；二是对表面波海洋环境勘测设备的频谱分析的中频数字化采集方案进行分析，设计研制了适用于表面波海洋环境勘测设备的频谱分析仪，详细设计了模拟前端电路、DDS电路、A/D采样电路和FPGA的控制模块，完成USB数据传输部分固件的编写，上位机的设计及测试；三是完成整个工程的原理图及PCB的绘制，制板成功后，结合示波器、信号源仪器完成设备的调试，验证了本发明频谱分析仪的正确性，并为后期设计全数字化的频谱分析仪奠定了良好的基础。

第二，本发明提供的表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪，针对分布式表面波海洋环境组网探测设备，设计了专用的频谱分析仪，创造性的提出的频谱分析设备结构较中频采样结构不同，采用的是零中频结构，采样时间点的选取也不同，其结果可作为设备选择合适工作频率的一项关键技术指标；利用数字化技术实现了工作参数的灵活可调，完成不同工作环境下的设备的频谱分析工作，且能巧妙的避开调制信号对设备的影响。

第三，本发明提供的表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪，针对现有技术频谱分析主要采取窄带中频数字化的结构，一次变频、高中频采样的方式，它主要工作在勘测设备工作的间歇期，即两次扫频周期中间的时间，这种模式存在一系列的问题：一是采样时间点：现有技术间歇期间隔时间大大缩短，如果还是仅仅采样间歇期的信号，则采样点数明显不够，或者需要提高采样频率，但还是存在不能准确反应外部噪声干扰的问题；二是回波信号对噪声和干扰信号采集的影响：在Tp脉冲的低有效采样，必定对噪声和干扰信号采集有影响，如果按照现有技术的频谱分析设备，还是在勘测设备工作的间歇期进行采样，依然不能避开回波信号对噪声和干扰信号的采集的影响，因为现在的间歇期时间，也只有一个Tp的脉冲宽度，而本发明设备每次分析的带宽为300Hz，勘测设备工作频率的有效带宽选择是30KHz，频谱分析的范围则是1500KHz带宽信号，排除30KHz信号带宽的影响，本发明所能够选取的带宽相当充裕，并且也可以综合当前所选工作频率得到的谱图结果，做出选择判断；三是变频器导致的镜频问题：由于本发明采用的是零中频结构，大大抑制变频器产生的各种谐波分量，紧随变频器后的低通滤波器，其截止频率为300Hz，能保证混频后差频信号的纯净度，其次就是本发明采用300Hz截止频率的低通滤波器，也去除了由于变频器的无极性导致的对勘测信号的识别误差，最后，由于调制信号Tp是一个周期为3.125ms的信号，在设备中就会存在着320Hz及其谐波信号，通过低通滤波器同样能将此类信号滤除，针对现有技术的问题，本发明都有较大改进。

第四，本发明提供的表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪，针对现在市场上的无线电频谱分析设备价格昂贵，并且监测的频谱范围太广，远超表面波海洋环境勘测设备的工作范围，导致资源的极大浪费；并且它也不能很好的适应表面波海洋环境勘测设备收发共站的模式，设备高功率的发射信号极有可能损坏常用的频谱分析设备，针对性的为表面波海洋环境勘测设备设计一款频谱分析设备，使其不仅可以对表面波海洋环境勘测设备工作环境中的短波段干扰和噪声进行接收，为后期的数据采集提供噪声数据，而且还能够为勘测设备选择合适的工作频率作参考，本发明表面波海洋环境勘测设备的工作频带内干净，没有强干扰的影响，设备可获取高质量的数据，从而反演出更精确的海洋动力学参数信息。

附图说明

图1是本发明基于外差式和FFT的频谱分析示意图。

图2是本发明的频谱监测信号流示意图。

图3是本发明的频谱监测仪结构原理示意图。

图4是本发明的固件框架流程示意图。

图5是本发明专用频谱分析仪的软件工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提供的技术方案进行进一步的描述，使本范围的技术人员可以更好的理解本发明并能够予以实施。

表面波海洋环境勘测设备利用3至30MHz的高功率电磁波探测海洋环境，工作频率主要在6.8至8.4MHz和11.8至13.6MHz的频段内，但这段频段内存在大量的强干扰和噪声，严重影响设备运行。因此需要分析外部噪声情况，为设备选择合适有效的工作频率参考，基于此，本发明针对性的研发设计了一种频谱分析仪，提出了一种融合外差式结构与FFT算法的频谱分析方法。

本发明设计的表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪包括硬件和软件两部分：硬件方面，由模拟接收前端开始，以滤波器、放大器、变频器为核心，完成所需分析的微弱信号的放大和解调功能；应用DDS芯片(AD9854)，产生所需的本振信号；ADS8505完成对模拟信号的数字采集；采用ALTERA的CYCLONE 3系列芯片(EP3C40F484)完成整个设备的时序控制，协调各数字部分的运作；设备的数据传输，采用USB3.0技术，所用控制芯片为CYPRESS公司的CY7C68013；软件方面，以Visual Studio 2010为设计平台，完成对采集数据的读取、FFT处理、频谱显示、数据保存，最终整个频谱分析设备以实物的形式展现。

发明点主要包括：一是对表面波海洋环境勘测设备的工作波形做分析，提出了一种扫频外差式和FFT算法相融合的零中频采集方案；二是对表面波海洋环境勘测设备的频谱分析的中频数字化采集方案进行分析，设计研制了适用于表面波海洋环境勘测设备的频谱分析仪，详细设计了模拟前端电路、DDS电路、A/D采样电路和FPGA的控制模块，完成USB数据传输部分固件的编写，上位机的设计及测试；三是完成整个工程的原理图及PCB的绘制，制板成功后，结合示波器、信号源仪器完成设备的调试，验证了本发明频谱分析仪的正确性，并为后期设计全数字化的频谱分析仪奠定了良好的基础。

本发明的频谱分析仪总体结构简单，利用数字化技术实现工作参数的灵活调控，并为频谱分析仪的全数字化方案提供了技术基础，通过验证分析，采用跳频技术能较好的完成对外部强干扰噪声的监测分析，能够满足新型表面波海洋环境勘测设备的需求。

一、融合外差式结构与FFT算法的频谱分析方法

本发明的表面波海洋环境勘测设备的频谱分析仪基于外差式结构和FFT的原理，并将二者融合改进，如图1所示。

在频谱分析期间，本振输出为单频信号hLO，由本振频率和射频信号hR以及低通滤波器的截止频率hL确定外部噪声信号的频谱，频率范围为hLO～hLO+hL，当采集完1024个数据点，完成一次采样，此时，本振源的输出为hLO+1KHz，此时得到的外部噪声的频率勘测范围为hLO+1KHz～hLO+1KHz+hL，以此类推，当得到1500个带宽为hL的频谱信息时，完成1.5MHz带宽的扫频，完成一次频谱分析。

时序控制方面，因为表面波海洋环境勘测设备工作在收发共站模式，为避免大功率发射信号烧毁频谱分析仪，数据的采集工作主要是在勘测设备的工作间歇期，也即是在Dq的低电平期间，表面波海洋环境勘测设备一个完整的扫频周期D＝125ms，每个扫频周期的间隔为Dinterval＝3.125ms，门控脉冲的周期Dq＝3.125ms，脉冲宽度为Dp＝(3.125/2)ms，即需要在(3.125/2)ms内做一次采样，为了更好理解设备的监测分析过程，参见图2的信号流图。

本发明的频谱分析仪低通滤波器截止频率为300Hz，AD采样频率为100KHz，每一次频谱分析共计采样8个脉冲间隔时间(Dad＝8*3.125/2)ms,则可采集1250个点，然后进行FFT，得到300Hz带宽内的信号信息，同时，DDS转换一次频率hLO+1KHz，进行下一帧的采样，如此类推，完成整个频段的频谱分析时间为(8*Dq*1500＝37500)ms。

然后对采集完的所有信号进行统计分析，得出外部噪声信号的频谱，为海洋环境勘测设备选择合适的工作频率作参考。

采样率和低通滤波器的截止频率的选择包括：

第一，以单频12MHz的本振信号和接收信号进行混频，得到1.5MHz带宽的信号，不直接采样，而是再通过一个窄带的低通滤波器进行扫描式监测的原因为：首先，由于带通滤波器的窄带不可能理想化，它就避不开严重的变频器镜频干扰，基本无法完成监测任务，其次，对1.5MHz带宽的信号进行采样，工程上采样率要在5MHz以上，则整个设备的数据率会大幅提高，对后续数据的处理带来极大困难，设备功耗也随之增大，最后，因为采样点数的不足，导致所能监测的谱的分辨率很低，以5MHz采样1024点作FFT为例，其谱的分辨率则接近5KHz。

第二，300Hz截止频率的选择：低通结构是由整个设备监测原理决定的，而300Hz的截止频率则是为了滤除调制信号以及其谐波(周期为3.125ms)。

二、频谱分析仪硬件设计

(一)硬件总体设计

频谱分析仪主要包括模拟前端、DDS电路模块、A/D采样电路、USB接口电路和FPGA控制模块及其它附属电路，如图3所示。

模拟前端主要用于天线接收微弱信号的放大、选取，经过混频电路，得到一个准零频信号；DDS电路主要是每隔一个扫频周期，得到一个单频信号，放大滤波后与天线进来的信号进行混频；A/D采样电路，经过混频电路出来的信号为近零频的窄带信号，采用A/D采样电路对模拟零频信号进行采样、量化和编码输出；USB接口电路，主要完成采集后数据的传输；FPGA控制模块，完成整个设备的同步与控制协调。

(二)模拟前端设计

本频谱分析仪有两条信号通路，第一条信号通路主要实现通过一个带通滤波器选取噪声信号的接收频段，经过两级放大之后进入变频器的RF端，整条通路的电压增益为40dB；第二条信号通路为DDS本振信号端，经过滤波放大，得到合适的增益，输送到变频器的LO端，该条通路的电压增益为52dB。在模拟端包括的器件为三类：滤波器、放大器和变频器。

1.滤波放大电路设计

(1)滤波器的选取主要分为三类：

第一类：针对第一条信号通路，主要是选择输入的噪声信号的频段，实施例为监测范围为12至13.5MHz的噪声信号，选用LC带通滤波器SBP-13，在该条通路上，采用两级滤波的方式进行噪声信号的选择，保证信号真实可靠。无论高低频段，对于7至8.5MHz带宽内信号的监测，只需再添加一个7至8.5MHz的带通滤波器即可，在需要用到时，进行预选滤波器的切换，相对应的DDS通路也是如此，以下不再说明；

第二类：对于第二条信号通路，主要抑制DDS杂散的带通滤波器，因为采用的是零中频超外差式结构，所以选用的带通滤波器为SBP-13；

第三类：从变频器输出后的一级滤波，滤除混频后的高频分量，这一级滤波器采用低通滤波器MAX297，它的阻带衰减达到80dB。

本发明要求分析监测带宽为300Hz，滤波器MAX297的截止频率有两种方式进行调节，一种是通过调节起振电容的大小，调节时钟频率，另一种是通过外接时钟信号的方式，滤波器时钟频率与通带频率之比为50：1，截止频率在0.1Hz至50kHz灵活设置，满足设备的各类需求。MAX297的1管脚的clk信号通过外接一个电容的方式实现截止频率的选择，根据MAX297的截止频率和clk的比值为1:50的关系确定截止频率fc，经过实际调试，本发明选择2.2nF电容接地，实现300Hz的截止频率。

(2)放大器的选取

信号通路中的各级放大器的选择依据：合适的增益，低的噪声系数，较大的线性范围，输入输出阻抗的匹配及足够的带宽。综合考虑各项指标，在RF信号通路增益放大单元采用MINI公司生产的低噪声放大器GALI52，为使变频器具有高的本振激励，对于本振通路采用GALI54和MICRO公司生产的RF2317组成的两级放大电路对DDS输出的本振信号进行放大。

最后一路为混频滤波后的放大，主要是驱动后面A/D转换器，满足A/D的输入要求，这一级采用DI公司的OPA277精密运算放大器，它提供的噪声更低，输出电压摆幅更宽，具有超低的失调电压和漂移和偏置电流，高的共模抑制，该运放采用单级5v供电，通过匹配反馈电阻，得到十倍同向放大能力。

该运放的放大能力通过调节R18和R14，获取不同的放大倍数，在输入端加入直流，对于反馈回路中的C25十分重要，将直流隔掉，使其不被放大。利用TI公司的Dina90仿真软件，能直观的展示其区别。如果不加电容，运放失去对交流信号的放大作用，甚至还会抑制交流信号的输出。

2.混频电路设计

本发明采用的是一次变频方案的零中频数字化方案，依靠变频器完成，选择合适的混频电路是至关重要的一环。本发明采用MINI公司生产的双平衡变频器RAY-3，其输入本振达+23dBm，保证输入的动态范围较大。这在频谱分析仪中很关键，因为大的输入动态范围意味着变频器在较高的输入下，依然可使输出与输入之间保持线性关系，满足测量频段内噪声的剧烈变化，另外一个重要参数是变频器的变频损耗，其典型值为5.53dB，隔离度为50dB，LO端口驻波比小于1.5。

(三)DDS电路设计

1.DDS芯片选型

本发明采用ADI公司具有线性调频功能的AD9854芯片，AD9854数字合成器内部具有高性能的D/A转换器，内部集成的频率累加器与相位累加器的位宽高达48位，保证其生成高稳定度的频率、相位和振幅，它使用0.35umCMOS技术，具有可编程的4至20倍参考时钟乘法器电路，能将外部较低的参考时钟频率通过倍频方式产生一个内部的300M设备时钟。

AD9854采用80引脚的LQFP表贴封装形式，对应两种封装结构：AD9854ASQ和AD9854ASD，它们主要区别在于：ASQ的时钟参考频率达300MHz，功耗达到3W，而ASD时钟参考频率最高为200MHz，功耗为2W。可见该器件的功耗还是很大的，对此在应用设计PCB时，对芯片的散热，防止芯片过热烧损，在应用此芯片时，主要是对一些管脚和内部寄存器的配置，本发明所用到的管脚包括：编号19-A0/SDIO管脚：并行地址输入端/双向串行数据输入输出，A0仅用在并行编程模式中，SDIO用于两线通信模式中；编号29-FSK/BPSK/HOLD管脚：依据在编程控制寄存器的操作模式来选择功能。如果是FSK模式，逻辑低对应于F1，逻辑高对应于F2，如果是BPSK模式，逻辑低对应相位1，逻辑高对应相位2，在脉冲模式下，逻辑高用于保持功能，使得频率累加器停止在当前位置，为继续或重新开始，可插入逻辑低；编号61-PLL FILTER管脚：连接参考时钟乘法器的锁相环路滤波器的外部零补偿网络，它由一个1.3kΩ的电阻和一个0.01uF的电容串联组成；编号71-MASTER RESET管脚：对串行或并行编程总线初始化，为用户编程做准备，并把编程寄存器设置为空闲状态即由寄存器分配表所定义的默认值，逻辑高有效，要有正确的上电操作，必须进行主复位。

2.DDS电路设计

AD9854的工作控制通过对内部寄存器的配置实现，本发明采用串行方式操作，采用两线制方式，一个串行操作周期分为指令操作和数据操作两部分，在前八个串行时钟的上升沿配置读写方式以及定出寄存器的地址，其中读写方式控制在最高位，O代表写操作，1代表读操作，寄存器地址由后四位控制。

AD9854共有五个可供选择的工作模式，本发明AD9854产生的频率是跳频的形式，但步进频率是1KHz，驻留时间25ms，其本质是处在线性调频脉冲模式下，通过对其寄存器值的设置。本发明主要配置以下控制字：

第一，起始频率控制字，起始频率控制字是每一帧扫频的起始频率，本发明起始频率为13MHz，依据时钟频率，由此对应的算出频率控制字；

第二，步进频率控制字，步进频率控制字是每一次频率变化的单位，本发明使用1KHz作为步进频率，即为向下的1Hz，在求得1KHz的控制字之后，需要对控制字进行求补码运算；

第三，驻留时间控制字，驻留时间控制字是控制每次频率改变后所保持的时间的控制字，它与步进频率共同决定扫频的斜率，本发明每次勘测的频段带宽为1.5MHz，驻留时间为25ms；

第四，幅度控制字，幅度控制字通过编程控制DDS的输出幅度，通过对其进行调整，产生所需幅度的波形。

3.应用DDS实现高精度任意分频

在多速率信号处理中经常遇到整个设计中需要多个时钟，而硬件平台只会由晶振给出一个需要的最高的频率时钟，所需要的其它频率与这个频率一般是整数倍的关系，可以用这个最高频率时钟进行分频得到其它所需要的时钟。本发明运用相位累加器的原理，实现任意分频，任意占空比。首先给出频率控制字，以及一个相位累加器，然后对计数器进行拆分，得出占空比。

实施例基准时钟Hi＝30MHz，需要得到频率为ho＝100KHz，占空比为9/10(低电平持续时间为1000ns)。

频率控制字S为：

能输出的最小频率为：

能输出的最大频率为：

占空比设置，首先确定计数个数，若要占空比为9/10，则计数器的判断值为：

具体为：

一是当cnt≤429496730时，h0＝0，即为低电平；

二是当cnt＞429496730时，h0＝1，即为高电平。

在实现过程中，只需提供频率控制字及计数器的数值，得到所需要的频率以及占空比，非常灵活实用，并且精度很高，本发明的A/D采样控制电路采用这种方法获取精确控制。

(四)A/D采样电路设计

混频后的信号为一个0至300Hz的窄带信号，为了采样后信号不失真，取100KHz的采样频率，完全满足采样定理。本发明选取TI公司的ADS8505 A/D芯片，该芯片双极性输入，输出16位的数字信号，最高采样速率250KSPS，一次的数据转换时间4ns。

ADS8505有四个重要的控制管脚，分别为BYTE，ADS8505有两种转换和读数方式：第一种，AD转换和读数同时进行，当为低时开启转换，同时读取前次转换后的结果；第二种，先转换后读数，在启动转换后，检查A/D反馈信号为高电平时转换还未结束，为低电平时则已经转换结束。

本发明的控制方式采取先转换后读数，根据时序图产生一个周期为10us的信号，接到端，其中信号拉低，并且保证的低电平保持时间在40ns至1750ns，使其能够驱动A/D的转换。

(五)USB数据传输电路

1.Slave FIFO传输模式

当外部存在一个逻辑器件与FX2芯片相连，利用FX2高速通信，将EZ-USB作为USB和外部逻辑器件之间的桥梁，在EZ-USB芯片内部设计很多的FIFO缓冲区，而外部逻辑器件则以对端点FIFO缓冲区进行访问，实现读写操作，使得待传输的数据在USB主机和外部逻辑器件之间进行通信。在传输过程中，由于CPU不干预，所以CPU具有非常高的效率，本发明所设计传输模式为Slave FIFO传输模式。

在Slave FIFO模式下有同步和异步两种读写操作模式，通过配置IFCONFIG3来完成选择，同步模式时，该寄存器的值设置为0，异步模式设置为1。

2.USB固件设计和下载

固件程序最终烧录到8051内核的程序文件，通过内核CPU的控制，使得上位机能够检测到新的设备，并且协助完成主机与设备之间的数据交换。一个完整的固件程序里面包含很多函数，结构复杂，所以在使用EZ-USB FX2芯片进行应用开发时，利用EZ-USB FX2的固件框架，大幅减少工程开发时间，提高工作效率。Cypress公司给用户提供了固件的函数库和固件框架，只需要在固件框架的基础上做修改就能完成正常运行的固件程序。完整的固件框架流程如图4所示。

在固件设计中，主要是在Keil的uVision3集成开发环境中进行设计开发，生成固化好的.iic文件，本发明所设计固件要求实现控制USB芯片接收并响应USB设备驱动程序的请求，将数据准确无误的上传给主机，创建好固件框架后，生成一个固件库，其中包含以下源文件：reg80320-含有8051头文件信息；Ezusb.h-完成各种库函数的声明以及对数据类型的定义；Fx2regs.h-包含FX2寄存器头文件信息；Fw.c-Cypress公司提供的固件框架；Periph.c-该函数用户可以进行自定义；Dscr.a51-USB描述符列表。

该框架由以下几个程序文件组成：

第一，Fw.c：USB固件程序的主文件，包含main()函数，协调51内核的运作；

第二，Periph.c：包含USB初始化和任务处理函数，在个人开发固件时主要是针对该文件，依据需要添加自己的任务代码，其中，对于以下几个重要函数进行特别的说明：

TD_Inid()函数：在对USB端点进行初始化时被调用，在设备枚举和任务调度启用之间调用此函数，这个函数可自行设置；

TD_Poll()函数：完成对循环任务的处理，通过查询各个端点状态，完成对OUD或IN端点的交互处理；

DR_VendorCmnd函数：当框架采用某一指定的vendor命令时被调用，主要完成用户自定义命令的译码工作；

第三，Dscr.a51为描述表文件：在设备通电后会识别出VID和PID，替换原有的VID和PID。

本发明通过配置寄存器完成对Slave FIFO接口的设计，配置过程中只用了端点2和端点6进行传输数据，其传输的方式为同步的批量传输。将固件代码通过uVision3编译完成后，生成了.hex文件，下载的方式有两种：一种利用USB设备内部RAM来存储数据与代码，这种方法灵活度高，主要适用于前期的固件调试，另一种是将固件程序存储到EEROM中。

(六)FPGA控制电路设计

FPGA是频谱分析仪的中枢，控制模块负责协调整个设备的运作，包括对DDS模块的配置产生所需的本振信号，对A/D采样器进行时序控制，采集准确的外部噪声信号，对USB芯片进行控制使整个后端数据得到无误的传输。

本发明采用ALTREA公司的CYCLONE 3系列的EP3C40F484C6芯片，该芯片功耗较低，性能好，是可编程门阵列器件，其资源丰富，能满足设备的各类需求，FPGA控制程序主要包括A/D采样的控制和USB数据传输的控制：

第一，A/D采样控制，本发明所用A/D采样芯片为ADS8505，该芯片控制相对简单，控制时序要求转换时间在40至1750ns之间，本发明设置为1000ns，保证每次数据能完成转换，最后产生的一个周期为10us的采样信号，其中低电平持续时间为1000ns，设计方法采用的本发明的任意分频原理。

第二，USB数据传输控制，本发明采样零中频结构，混频之后经过低通滤波器最后得到一个0至300Hz的窄带信号，经由100KHz的采样率对其采样，进入FPGA，待传输；若是采用同步写模式，存在数据率的匹配问题，采样时钟为100KHz，而USB传输控制模块的时钟则是48MHz，相差几百倍，如果不经任何处理，会导致传输出来的数据存在重大误差，需要解决两个时钟的不匹配导致的数据率不同的问题。本发明为了方便稳定，采用quartus里面的IP核模块进行设计。

另外一种方式是采用异步控制模式，在Slave FIFO模式下进行异步FIFO的写，无关内部FIFO时钟的控制，只需控制写使能信号即可，其过程如下：首先指定要写入的FIFO，然后查询FIFO的满空标志位，若FIFO未满，则使能写信号，将总线上的数据写进FIFO，否则停止写入。

由A/D采样后的数据进入FPGA后，经过USB控制程序，进入USB设备的数据一致,这种异步写的方式，较同步简单，通过与A/D采集时序的搭配能很好完成对USB内部FIFO的控制。

程序设计完成后，进一步对FPGA芯片的配置。因为整个设备的FPGA控制芯片只有一块，在配置方面，只用到单一器件配置模式,其中用到AS主动配置方式和JTAG配置方式，JTAG方式主要用于在线调试阶段，当调试完成以后，将程序编译后的烧录文件，以AS的模式下载到配置器件EPCS中，以后只要上电就能运行固化好的程序。以下分别为本发明两种配置方式的具体内容：

方式一：JTAG配置模式，JTAG指令时优先于任何其它的配置模式，当JTAG配置生效时，不必再等待其它配置模式来完成，JTAG有四个引脚TDI、TDO、TMS、TCK，其中TCK引脚内部自带有弱下拉电阻，TDI和TMS则自带有弱上拉电阻,数据端口是与I/O端口相连，具体为：管脚TDI，类型为测试数据输入，测试和编程的数据通过串行输入引脚输入，数据的转移发生在TCK的上升沿，TDI引脚由VCCIO供电，若PCB没有JTAG接口电路，则这个引脚的VCCIO被禁用；管脚TDO，类型为测试数据输出，测试和编程的数据通过串行输出引脚输出，数据的转移出来发生在TCK的下降沿，若数据没有被转移出来，则该引脚为三态；管脚TMS，类型为测试模式选择，输入管脚提供控制信号，确定TAP控制器的状态，状态的转变发生在TCK的上升沿；管脚TCK，类型为测试时钟，时钟输入管脚，让某些操作发生在上升沿或者下降沿。

方式二：AS配置模式，相比于JTAG模式，主要是多出一个配置芯片，在AS配置方案中，CYCLONE器件系列采用串行配置方式进行配置设备，本发明采用EPCS16串行hlash，其中对于不同模式，不同的配置电平，MSELx具有不同的接法。

二、软件设计

(一)上位机设计

为了能够完成频谱分析仪与上位机的互动通信，本发明在微软公司的VisualStudio 2010平台上，搭建上位机软件，实现对采集数据的读取、存储、FFT变换处理、数据的保存及最后对监测信号的频谱展示，本发明调用Cypress公司提供的动态链接类库CyUSB.dll，其所包含的控制类函数包括：CyBulkEndPoint-用于USB块传输端点控制，CyControlEndPoint-用于USB控制传输端点，CyIsocEndPoint-用于USB同步传输端点控制，CyUSBDevice-用于USB设备信息，USBDeviceList-用于USB设备列表，CyUSBEndPoint-用于USB端点控制，CyHidDevice-用于USB HID设备控制，CyUSBStorDevice-用于USB大容量存储设备控制。软件工作流程图如图5。

(二)软件测试和分析

1.USB3.0速度测试

在驱动程序正确安装后，在quartus平台上设计一段FPGA对USB设备的控制程序，其中，计数器产生一组递增数据，并加载到USB的16位总线上，编译成功后，将程序下载到硬件设备里，打开上位机软件，开始采集数据，点击实时数据按钮，在实时数据框里面看到接收的数据呈递增规律变化，打开EZ-USBInterface窗口，单击Download按钮，选择SYSdream.hex文件，出现Streamer窗口，开始测试USB3.0的实时传输速度。在测试过程中，数据都能够得到正确的传输，没有丢失数据，并且传输速度接近360MB/s，处于高速传输状态。

2.上位机软件测试

将USB设备连接上计算机主机，下载FPGA编译后的程序，FD总线的数据端口为A/D采样后的数据，点击上位机的连接USB设备按钮，显示成功连接，随后单击开始采集按钮，经过一段时间的谱图显示。随后依次单击实时显示、存储数据按钮。通过分析，整个上位机软件运行正常，在上位机软件中，加入对数据的处理部分，即对采集来的数据进行FFT变换，通过累加求平均的方式得到信号的能量值，然后展示在谱图上。

技术范围

本发明涉及一种勘测设备专用的频谱分析仪，特别涉及一种表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪，属于专用频谱分析仪技术范围。