超外差式频谱分析仪的信号测量应用举例

上节详细讨论了超外差式频谱分析仪的原理及各组成部分的功能，4.3.3节讲述了超外差式频谱分析仪的调谐方程，下面系统简述超外差式频谱分析仪测量信号的过程。

为了处理问题的方便和简单，假定频谱分析仪的输入信号为纯正弦波，如图4-17所示给出了超外差式频谱分析仪测量信号的简单原理框图。

图4-17　超外差式频谱分析仪测量信号的简单原理框图

设RF输入信号的频率为0～2.9 GHz，中频滤波器的中心频率为3.6 GHz，而本振扫描范围为3.6 GHz～6.5 GHz，则混频器的输入信号频率为：

RF输入信号fsig：0～2.9 GHz

本振信号fLO：3.6 GHz～6.5 GHz

混频器的输出信号频率为：

RF输入信号fsig：0～2.9 GHz

本振信号fLO：3.6 GHz～6.5 GHz

和频fsig+fLO：3.6 GHz～9.4 GHz

差频fLO-fsig：0.7 GHz～3.6 GHz

由于频谱分析仪的中频滤波器的中心频率为3.6 GHz，显然，在混频器输出信号中，只有fLO-fsig的信号能通过中频滤波器，经检波器检波和视频滤波器滤波，最终在频谱分析仪CRT显示器上显示出来，从而实现信号的幅度和频率测量。

图4-18　超外差式频谱分析仪测量信号的原理图

总之，可以认为对于单频段射频频谱分析仪，选择的中频频率应高于调谐范围的最高频率，使本振可以从中频调谐至调谐范围的上限频率加上中频，同时在混频器前端放置低通滤波器来滤除IF以下的频率。为了分辨频率上非常接近的信号，有些频谱仪的中频带宽窄至1 kHz，有些达到10 Hz甚至1 Hz。这样的窄带滤波器很难在5.1 GHz的中心频率上实现，因此必须增加另外的混频级（一般为2～4级）来把第一中频下变频到最后的中频。图4-18是一种基于典型频谱分析仪结构的中频变换链。对应的完整的调谐方程为：

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而fLO2+fLO3+ffinalIF=4.8 GHz+300 MHz+22.5 MHz=5.122 5 GHz，即为第一中频。

可以看出它与仅仅使用第一个中频的简化调谐方程得到一样的结果。但实际还有更窄中频级的放大。基于频谱仪自身的设计，最终的中频结构可能还包括对数放大器或模数转换器等其他器件。大多数射频频谱分析仪都允许本振频率和第一中频一样低，甚至更低。由于本振和混频器的中频端口之间的隔离度有限，故本振信号也会出现在混频器输出端。当本振频率等于中频时，本振信号自身也被系统处理并在显示器上出现响应，就像输入了一个0 Hz的信号一样。这种响应称为本振馈通，它会掩盖低频信号。所以并不是所有的频谱仪的显示范围都能包含0 Hz。

AV4061频谱分析仪整机原理

（1）频谱分析仪整机原理框图

如图4-19所示为本仪器的整机原理框图，主要包括变频模块、中频滤波及增益控制模块、检波模块、频率合成模块、显示模块以及中央处理器模块。

图4-19　AV4061频谱分析仪原理图

9 kHz到2.9 GHz信号由射频输入端进入50 dB程控步进衰减器，衰减器受CPU控制，按输入信号大小进行调整。然后进入低噪声放大器，用于提高整机的灵敏度。开关将不同频段的信号转换到相应的滤波支路以便抑制带外和镜像响应，信号经变频模块将各路信号变换为中频。再经过缓冲放大、程控带宽放大器、对数放大器得到对数/线性视频信号。程控带宽放大器和均衡器提供10 Hz～3 MHz等多挡经过幅度和相位均衡的中频通道，在CPU控制下与本振扫宽按最佳自适应。其后，信号经过信号处理模块，完成以下各种频谱、通信测量。

（2）射频模块原理

AV4061射频模块原理框图如图4-20所示。其主要功能是实现频率合成、变换和频率选择，即射频输入信号首先经程控步进衰减器（0～50 dB、10 dB步进）衰减，衰减量受CPU控制，按输入信号大小进行调整。

图4-20　AV4061射频模块原理框图

衰减后的信号经滤波网络（抑制带外和镜像响应）到达第一混频器与第一本振混频得到第一中频；第一高中频和第二本振混频产生第二中频，第一低中频直通至第二中频。选通后的第二中频经滤波后送入第三混频器与第三本振混频，得到的21.4 MHz中频输出并送入中频部分进行处理。

（3）中频滤波及检波模块

中频滤波部分的主要功能是实现21.4 MHz中频信号可选带通滤波，其中包括四级晶体滤波器，实现1 k、3 k、10 k、30 k分辨力带宽；四级LC滤波器，实现100 k、300 k、1 M、3 M分辨力带宽，数字中频滤波器实现10 Hz到1 kHz分辨力带宽。步进为10 dB的50 dB可控中频增益以及调节范围大于20 dB的校准放大器进行中频增益处理，而后送入检波模块。检波模块首先对中频信号进行对数和线性检波，得到的视频信号经A/D转换后做数字信号处理，同时加入各种补偿数据，处理后的数据由LCD显示。如图4-21所示为AV4061中频滤波及检波模块原理框图。

图4-21　AV4061中频滤波及检波模块原理框图