超外差式频谱分析仪的原理和组成介绍

频谱仪通常测量信号的频率、电压（或功率）并在显示器上显示出来，一般分为两种类型。一种是动态信号分析仪，也就是快速傅里叶变换（FFT）分析仪，它是在一个特定时间周期内对信号进行FFT变换以获得频率、幅度和相位信息的，这种仪器能够分析周期和非周期信号，但频率测量上限较低。另一种是扫频调谐分析仪，它是一种超外差可调预选接收机，能对信号或由信号变换来的中频信号进行分析。它的主机测量频率范围高。当人们对测量频率范围、灵敏度等指标不断提出更高的要求时，超外差式频谱分析仪以其较高的频率分辨率、较快的测量速度、相对较低的成本而得到广泛应用。特别是近年来随着移动通信的快速发展，为了满足其测试和维修的需要，射频频谱分析仪市场需求越来越大。

1）超外差式频谱分析仪的原理结构图

图4-6　超外差式频谱分析仪的简单原理结构图

如图4-6所示为扫频调谐超外差式频谱分析仪结构的简化框图。由图中可知，超外差式频谱分析仪一般由RF输入衰减器、低通滤波器或预选器、混频器、中频增益放大器、中频滤波器、本地振荡器、扫描产生器、包络检波器、视频滤波器和显示器组成。超外差式频谱分析仪的工作原理是：射频输入信号通过输入衰减器，经过低通滤波器或预选器到达混频器，输入信号同来自本地振荡器的本振信号混频，由于混频器是一个非线性器件，因此其输出信号不仅包含源信号频率（输入信号和本振信号），而且还包含输入信号和本振信号的和频与差频，如果混频器的输出信号在中频滤波器的带宽内，则频谱分析仪进一步处理此信号，即通过包络检波器/视频滤波器，最后在频谱分析仪显示器CRT的垂直轴显示信号幅度，在水平轴显示信号的频率，从而达到测量信号的目的。外差接收机通过混频器和本地振荡器（LO）将输入信号转换到中频。输入信号要通过衰减器，以限制到达混频器时的信号幅度，然后通过低通输入滤波器滤除不需要的频率。在通过输入滤波器后，该信号就与本地振荡器（LO）产生的信号混频，后者的频率由扫频发生器控制。随着LO频率的改变，混频器的输出信号（它包括两个原始信号，它们的和、差及谐波）由分辨力带宽滤波器过滤，并以对数标度放大或压缩。然后用检波器对通过滤波器的信号进行整流，从而得到驱动显示垂直部分的直流电压。随着扫频发生器扫过某一频率范围，屏幕上就会画出一条迹线。该迹线表示出了输入信号在所显示频率范围内的频谱成分。

由于变频器可以达到很宽的频率范围，例如30～40 GHz或者更高。如果与外部混频器配合，甚至可扩展到100 GHz以上，这使得扫描频谱分析仪成为频率覆盖最宽的测量仪器之一。

另外，由于半导体技术的不断发展，现代的扫描频谱分析仪做了一些“数字化”的改进，例如用数字滤波器代替了传统的模拟滤波器，在数字滤波后增加了数模转化的ADC和DSP处理等，使仪器的各项指标有了很大提高，如分辨力带宽可以做到1 Hz甚至更小，可以提供更大的动态范围和更低的本底噪声等。数字信号处理（DSP）的结构，它位于最后级IF滤波器的后面，可用来测量越来越复杂的信号制式。用DSP可实现更高的动态范围、更快的扫频速度和更好的精度。

2）RF输入衰减器

超外差式频谱分析仪的第一部分就是RF输入衰减器。RF输入衰减器的作用是保证混频器有一个合适的信号输入电平，以防止混频器过载、增益压缩和失真。由于衰减器是频谱分析仪的输入保护电路，因此基于参考电平，它的设置通常是自动的，但是也可以用手动的方式设置频谱分析仪的输入衰减大小，其设置步长是10 dB、5 dB、2 dB，甚至是1 dB，不同频谱分析仪其设置步长是不一样的。如Agilent8560系列频谱分析仪的输入衰减的设置步长是10 dB。

图4-7　RF输入衰减器电路

如图4-7所示是一个最大衰减为70 dB，步长为2 dB的RF输入衰减器电路。电路中的电容器用来避免频谱分析仪被直流信号烧毁，但可惜的是它不仅衰减了低频信号，而且使某些频谱分析仪最小可使用频率增加到100 Hz，而其他频谱分析仪增加到9 kHz。

如图4-7所示，当频谱分析仪RF输入信号和本振信号加到混频器的输入端时，可以调整RF输入衰减器，使混频器的输入信号电平合适或最佳，这样可以提高测量精度。

3）低通滤波器或预选器

由图4-6可知，频谱分析仪的前端设计采用了超外差方案，通过前端预选、谐波混频等技术，使频谱分析仪的频率范围达到预定设计要求。利用低通滤波器，在低频可以有效抑制镜像响应，阻止高频信号达到混频器；另外，低通滤波器还阻止同本振混频产生的带外信号，以避免在中频产生不需要的响应。在微波频段，频谱分析仪采用预选器代替低通滤波器，预选器实质上就是一个调谐滤波器，调谐滤波器和本振在系统控制下同步调谐预选信号，对带外和镜像响应进行有效的抑制。通俗地说，预选器除了让我们观察测量的信号之外，其他所有频率的信号均被预选器有效抑制。

4）混频器

混频器是把RF输入信号的频率混频成频谱分析仪能够滤波、放大和检波的频率范围。混频器除了接收RF输入信号之外，还接收频谱分析仪内部产生的本振信号。混频器是一个非线性器件，这意味着混频器的输出不仅包括输入信号频率和本振信号频率，还包含输入信号频率和本振信号的和频与差频。

5）本地振荡器

频谱分析仪的本地振荡器，简称为本振。超外差频谱分析仪的本地振荡器是一个电压控制的振荡器，它的频率由扫描产生器控制。扫描产生器除控制本振频率外，还控制频谱分析仪显示器的水平轴偏移，其斜波形状使频谱分析仪在显示器上从左到右显示信号信息，且重复运动更新扫描迹线。我们可以控制迹线扫描速度，例如改变频谱分析仪的扫描时间，就可以改变迹线的扫描速度。

6）中频增益放大器

中频增益放大器可以调整中频滤波器的输入电平，中频放大器的增益同输入衰减器的衰减是自动耦合的，也就是说，当输入衰减器衰减10 dB时，中频增益放大器就会自动把输入信号放大10 dB，这样频谱分析仪测量的射频输入信号就保持不变。

再看图4-6，结构框图的下一个部分是一个可变增益放大器。它用来调节信号在显示器上的垂直位置而不会影响信号在混频器输入端的电平。当中频增益改变时，基准电平值会相应地变化以保持所显示信号指示值的正确性。通常，我们希望在调节输入衰减时基准电平保持不变，所以射频输入衰减器和中频增益的设置是联动的。在输入衰减改变时，中频增益会自动调整来抵消输入衰减变化所产生的影响，从而使信号在显示器上的位置保持不变。

7）中频滤波器

中频滤波器是一个固定带通滤波器，它可以使输入信号在频谱仪的显示器上显示，但前提是混频器的输出频率必须在中频滤波器的频段内。例如，若本振信号与输入信号的差频等于中频滤波器的频率，则这个信号可以通过中频滤波器最终在频谱分析仪的显示器上显示，并可以进行测量；若本振信号与输入信号的差频不等于中频滤波器的频率，则输出信号无法通过中频滤波器，频谱分析仪也就无法测量此信号的大小。当本振在比较高的频率扫描时，差频也移到较高频率，一旦差频等于中频，频谱分析仪就可以显示并测量它。如图4-8所示为超外差频谱分析仪测量信号的原理简图。

图4-8　超外差式频谱分析仪测量信号的原理简图

8）包络检波器

一般地，频谱分析仪利用包络检波器把中频信号转换成视频信号。检波器实质是一个整流器，其目的是处理输入信号，以便显示并测量输入信号。最简单的包络检波器由一个二极管、电阻负载和低通滤波器组成，如图4-9所示。示例中的中频链路输出信号（一个幅度调制的正弦波）被送至检波器，检波器的输出响应随中频信号的包络而变化，而不是中频正弦波本身的瞬时值。

图4-9　简单的包络检波器

在大多数测量中，选择比较窄的分辨带宽，就足以分辨出输入信号的频谱。当我们固定本振频率，使频谱分析仪调谐至特定信号成分时，如果中频输出是峰值稳定的正弦波，则包络检波器的输出就是常数直流电压。但是，有时频谱分析仪的分辨带宽选择的比较宽，足以包括两个或更多的频率成分。假定有两个频率成分在传输频段内，这时两个正弦波就会相互影响，产生如图4-10所示的包络检波输出。分辨率（中频）滤波器的带宽决定了中频信号包络变化的最大速率。该带宽决定了两个输入正弦波之间有多大的频率间隔从而在经混频后能够同时落在滤波器通带内。(www.xing528.com)

图4-10　中频信号峰值的包络检波输出

包络检波器的输出随中频信号的峰值而变化。

9）检波器类型

采用数字显示，我们需要确定对每个显示数据点，应该用什么样的值来代表。无论我们在显示器上使用多少个数据点，每个数据点必须能代表某个频率范围或某段时间间隔（尽管在讨论频谱分析仪时通常并不会用时间）内出现的信号。

这个过程好似先将某个时间间隔的数据都放到一个信号收集单元内，然后运用某一种必要的数学运算从这个信号收集单元中取出我们想要的信息比特。随后这些数据被放入存储器再被写到显示器上。这种方法提供了很大的灵活性。不同仪器的采样速率不同，但减小扫宽和/或增加扫描时间能够获得更高的精度，因为任何一种情况都会增加信号收集单元所含的样本数。采用数字中频滤波器的分析仪，采样速率和内插特性按照等效于连续时间处理来设计。我们将要讨论6种不同类型的检波器：取样检波、正峰值检波（简称峰值检波）、负峰值检波、正态检波、平均检波、准峰值检波。

（1）取样检波

图4-11　取样检波模式下的带宽为250 kHz、扫宽为10 MHz的梳状信号

作为第一种方法，我们只选取每个信号收集单元的中间位置的瞬时电平值作为数据点，这就是取样检波模式。为使显示轨迹看起来是连续的，设计了一种能描绘出各点之间矢量关系的系统。轨迹线上的点数越多，就越能真实地再现模拟信号。不同频谱仪的可用显示点数是不一样的，对于X系列信号分析仪，频域轨迹线的取样显示点数可以从最少1个点到最多40 001个点。如果在Keysight-PXA上观察一个100 MHz的梳状信号，分析仪的扫宽可以被设置为0～26.5 GHz。即便使用1 001个显示点，每个显示点代表26.5 MHz的频率扫宽（信号收集单元）也远大于8 MHz的最大分辨率带宽。结果，采用取样检波模式时，只有当梳状信号的混频分量刚好处在中频的中心处时，它的幅度才能被显示出来。图4-11是一个使用取样检波的带宽为750 Hz、扫宽为10 MHz的显示。可以得出，取样检波方式并不适用于所有信号，也不能反映显示信号的真实峰值。

（2）正峰值检波

确保所有正弦波的真实幅度都能被记录的一种方法是显示每个信号收集单元内出现的最大值，这就是正峰值检波方式，或者叫峰值检波。峰值检波是许多频谱分析仪默认的检波方式，因为无论分辨率带宽和信号收集单元的宽度之间的关系如何，它都能保证不丢失任何正弦信号。不过，与取样检波方式不同的是，由于峰值检波只显示每个信号收集单元内的最大值而忽略了实际的噪声随机性，所以在反映随机噪声方面并不理想。因此，将峰值检波作为第一检波方式的频谱仪一般还提供取样检波作为补充。

（3）负峰值检波

负峰值检波方式显示的是每个信号收集单元中的最小值。大多数频谱仪都提供这种检波方式，尽管它不像其他方式那么常用。对于EMC测量，想要从脉冲信号中区分出CW信号，负峰值检波会很有用。负峰值检波还能应用于使用外部混频器进行高频测量时的信号识别。

（4）正态检波

为了提供比峰值检波更好地对随机噪声的直观显示并避免取样检波模式显示信号的丢失问题，许多频谱仪还提供正态检波模式。如果信号像用正峰值和负峰值检波所确定的那样既有上升又有下降，则该算法将这种信号归类为噪声信号。在这种情况下，用奇数号的数据点来显示信号收集单元中的最大值，用偶数号的数据点来显示最小值。

（5）EMI检波器：平均检波和准峰值检波

平均检波的一个重要应用是用于检测设备的电磁干扰（EMI）特性。在这种应用中，所述的电压平均方式可以测量到可能被宽带脉冲噪声所掩盖的窄带信号。在EMI测试仪器中所使用的平均检波将取出待测的包络并使其通过一个带宽远小于RBW的低通滤波器，此滤波器对信号的高频分量（如噪声）做积分（取平均）运算。若要在一个没有电压平均检波功能的老式频谱分析仪中实现这种检波类型，需将频谱仪设置为线性模式并选择一个视频滤波器，它的截止频率需小于被测信号的最小频率。

10）视频滤波器

通常情况下，频谱分析仪测量的是含有内部噪声的输入信号，为了减小噪声对测量信号电平的影响，我们需要对测量信号进行平滑或平均，以提高测量精度。超外差式频谱分析仪都有一个可变的视频滤波器，它可以对测量信号进行平滑或平均。视频滤波器的带宽称为视频带宽，用VBW表示。视频滤波器实质是一个低通滤波器，在中频信号通过检波器检波后，视频滤波器决定驱动显示器垂直偏转系统的视频电路带宽。视频滤波器的功能是平滑信号，抑制频谱分析仪的随机噪声。通过减小视频滤波器的带宽，可使小信号更易测量。

要识别靠近噪声的信号并不只是EMC测量遇到的问题。如图4-12所示，频谱仪的显示是被测信号加上它自身的内部噪声。为了减小噪声对显示信号幅度的影响，我们常常对显示进行平滑或平均，如图4-13所示。显然，减小视频带宽，抑制了噪声，提高了小信号的测量精度。频谱仪所包含的可变视频滤波器就是用作此目的。它是一个低通滤波器，位于包络检波器之后，并且决定了视频信号的带宽，该视频信号稍后将被数字化以生成幅度数据。此视频滤波器的截止频率可以减小到小于已选定的分辨率带宽（IF）滤波器的带宽。这时候，视频系统将无法再跟随经过中频链路的信号包络的快速变化，结果就是对被显示信号的平均或平滑。

图4-12　频谱分析仪显示的信号加噪声

11）显示器

频谱分析仪的显示器用来显示输入信号频谱并测量输入信号的幅度和频率。频谱分析仪的输出在显示器上是以x-y方式显示的，显示器的水平方向有10个格，垂直方向一般有10个格或8个格。显示器的水平轴表示频率，从左至右线性增加；垂直轴用来表示信号的幅度。频谱分析仪的幅度显示有线性刻度和对数刻度两种，线性刻度用电压V表示（有的频谱分析仪的线性刻度单位用功率表示），对数刻度用dB为单位。对数刻度比线性刻度更常用，这是因为对数刻度的可用范围大。频谱分析仪不管采用何种刻度，它都把显示器屏幕最上面的刻度线作为参考电平，这个参考电平是通过校准技术确定的一个绝对数值，显示器屏幕上其他任意位置的电平数值都可以通过这个参考电平和每格的刻度计算出来。因此我们可以测量任何信号的绝对幅度值或任意两个信号的幅度电平之差。如图4-14所示为AV4037频谱分析仪的测量信号。从图中可以看出，频谱分析仪的输出在显示器上显示了一个x-y迹线，有一个水平轴和一个垂直轴，水平轴分成10个格，垂直轴也分成10个格。

图4-13　图4-12中的信号经充分平滑后的显示

图4-14　AV4037频谱分析仪的测量信号

水平轴从左到右线性地表示频率增加。设置频谱分析仪的频率有两种方法：方法一是利用频谱分析仪的中心频率键设置中心频率，水平轴的频率范围用扫频宽度键（SPAN）进行设置，这两个控制键是相互独立的，改变频谱分析仪的中心频率不影响频谱分析仪的扫频宽度；方法二是通过设置频谱分析仪的起始频率和停止频率来代替中心频率和扫频宽度的设置。频谱分析仪可以测量任何信号的绝对频率，也可以测量任意两个信号的相对频率差。

频谱分析仪的垂直轴表示幅度。我们可以选择以电压为单位的线性刻度或以dB为单位的对数刻度（一般频谱分析仪开机时，其默认刻度是对数刻度）。对数刻度比线性刻度更常用，因为对数刻度有更宽的测量范围。如对数刻度允许信号是70～100 dB（电压比为3 200～100 000，而功率比为10 000 000～10 000 000 000）同时显示，而线性刻度适合测量20～30 dB的范围（电压比为10～32）。另外，我们还可以设置频谱分析仪的参考电平和每格的dB数，这样不仅可以测量任何信号的幅度值，而且可以测量任意两个信号的幅度相对值。