频谱仪基础（二）--- 超外差频谱分析仪实现

在上一篇文章中，已经对频谱仪的基本原理进行了阐述。在下面的一节中，给出基于超外差原理的频谱分析仪的组件，并且已9kHz~3GHz/7GHz频谱仪设计构架作为现代频谱分析仪的实际实现分析。频谱仪是一个由各个重要的组件构成复杂的系统，包括RF、IF、低频、数据采集和处理显示部分，同时包括必备的逻辑程序和控制显示算法，共同构成了复杂的、数字化的、精密的混合系统，实现的总体框图如图1所示。

图1 超外差频谱分析仪总体框图

在频谱仪的输入端，一个关键性标准是输入VSWR（驻波比），即输入VSWR会受到前端电路的高度影响，如前端的衰减器、输入滤波器和第一个混频器。从总体框图的②中所示，前端的衰减的配置，可以为频谱仪提供了测试大功率信号的能力，同时衰减器的应用，使得输入到第一级混频的信号的幅度可调，以满足大信号输入第一级混频器的要求。

在实践应用中，可以设置为固定衰减和可调衰减组合的形式，以满足宽输入范围的应用，获得较大的输入动态范围。在超外差的频谱分析仪结构中，输入信号通过衰减器，进行功率的衰减后，经过滤波后，输入信号，在混频器④（Mixer）和本振⑤（LO）帮助下，下变频至中频（IF）。如果本振（LO）具有连续可调谐的较宽的输入频率范围，那么输出中频（IF）就是一个固定值。从公式当中，对于任意的LO 和输入信号时，中频输（IF）出总是有两个频率（和频与差频），具体表现如图2所示。这意味着除了所需的频率外，还有一个镜像频率。为了确保所需的频率不受到镜像的干扰，选择合适的滤波器，必须把输入信号的镜像频率抑制在混频器④（Mixer）的射频输入之前，以保证中频信号不会出现混叠。

图2 超外差混频

同时合理的中频选择是非常重要的，如图3所示，输入频率范围和镜像频率范围转换到低的中频（IF），如果输入信号频率大于两倍中频信号（IF），那么就会出现混叠，频谱上就分不清IF信号是输入变频而来还是镜像变频而来。因此需要前端增加带通滤波器（BPF），必须采用合适的截止频率和足够的衰减来抑制镜像的干扰。但是对于9KHz~3GHz的宽输入范围，带通滤波器（BPF）很难实现，并且复杂（因为信号和镜像有重叠）。所以为解决这个问题，可以考虑使用高中频（IF）。如图4所示，高中频实现。

图3 输入信号范围和镜像信号范围（低中频混叠）

图4 输入信号范围和镜像信号范围（高中频）

  采用高中频的设计，镜像信号频率远远大于输入信号频率，信号就不会出现混叠的问题了，同时对于前端只要采用合适截止频率和衰减低通滤波器（LPF）就可以很好的抑制镜像的干扰。对于频谱仪，实现的频率范围从9kHz到3GHz，输入衰减器②之后是一个低通滤波器③来抑制镜像频率。但是由于第一级混频器的RF端和IF端以及LO与RF端的隔离度的限制，IF和LO信号又可以泄露到RF输入端上，所以低通滤波器③除了抑制镜像频率以外，同时应该把IF馈通和LO辐射降到最小。但是，高中频也会面临一个严峻的问题，就是输入信号最低频率为9KHz，第一级混频之后，中频离本振的最低频率太近，对于后端滤波器设计是比较大的挑战。

  本小节主要介绍了，频谱仪的基本结构和框图，同时讨论了第一级混频器的中频选择和本振的分析。下一篇文章，将要详细的讨论频谱仪的RF前端的设计和指标。