频谱仪基础（一）--- 频谱仪的架构

前言

无线电通信中最常见的测量任务之一是测试信号的频域特性。因此频谱分析仪作为更广泛和更宽的RF测量工具，其覆盖频率范围高达 40GHz 及以上，频谱分析测量，几乎可以用于所有无线应用开发、生产、安装和有线通信维护工作。随着移动通信的发展，一些主要关键指标，例如显示的平均噪声电平、动态范围和频率范围和其他有关功能的严格要求和测量速度脱颖而出。本小节，主要内容是简述频谱分析仪的构成基础。

由于可用 A/D 转换器的带宽有限，FFT分析仅可用于低频信号的测量。为了实现对微波或毫米波的高频信号的频谱分析，就必须使用带有频率转换的分析仪。在这种情况下输入信号的频谱不是根据时间特征计算的，而是直接通过频域分析确定。新的构架中必须要有频率的转换部分才能完成高频信号的分析。如图1所示，由可变滤波器构成的频率分析仪。

其滤波器带宽对应分析仪分辨率带宽 (RBW)。分辨率带宽越小（越窄），分析仪的实际分辨率就越高。同时窄带滤波器在整个输入频率范围内是可调，但是现代频谱分析仪在技术上并不可行，比如10Hz~7GHz，所使用的可变滤波器无法实现。但是其可变滤波器的想法，在IF信号的分辨率带宽处理中，得到比较好的应用。

图1 可变滤波器构成的频率分析仪

2.超外差式频谱分析仪

因此，根据上小节的分析，用于高输入频率范围的频谱分析仪通常采用超外差接收器的工作原理。如图2所示超外差式频谱分析仪实现。

图2 超外差式频谱分析仪实现

“超外差”是指将射频输入信号与本地振荡器产生地信号相乘或差拍，即由混频器后的中频滤波器选出射频信号与本振信号频率两者的和频或差频。所谓超外差就是把射频RF和本地振荡器频率LO进行混频，混频后输出结果在频域上表示，就是LO-RF和LO+RF，其中IF=LO-RF，就是中频输出，例如混频器输入为1000MHz，本地振荡器频率为1010.7MHz，那么混频结果为2010.7MHz和10.7MHz中频，此时超外差频率就是10.7MHz。

外差接收器在混频器的帮助下将输入信号（RF）转换到中频 (IF)。如果本振（LO）频率可调，那么整个输入频率范围可以改变 LO的 频率，使得最终转换为恒定的中频信号。

采用超外差的接收机的构架的频谱分析，混频之后具有固定中心频率的 IF，之后通过中频的带通滤波器中。这个带通滤波器的中心频率是不变的，而其带宽BW是可变的，通过改变中频滤波器的BW，即可实现频谱仪的分辨率（RBW）可变。

为了允许更宽的输入功率功率范围显示在频谱的屏幕上，信号通过中频滤波器之后，进行对数放大和检波，最后通过LPF（低通滤波器带宽就是VBW）完成频率的显示，通过改变LO的扫频频率，从才开始频率扫描到截止频率，即可完成对整个频谱带宽的扫描，LO的扫描原理如图3所示。以上就是对频谱采用超外差构架的简要描述。

图3 扫频通过中频滤波器

在现在的频谱分析仪中，大部分是采用ADC进行数据采集，DSP负责数据的处理和频谱的显示控制，替代了原来的显像管显示频谱，是的现代频谱分析仪更为数字化，同时一些模拟端的功能可以移入到DSP中实现，比如采用数字滤波器实现VBW和RBW的可变，同时在本振的处理上，采用PLL+VCO的构架，使其具有更高的本振频率和更快的扫频速度。