扩频频谱分析的结构与原理

1）频谱分析仪基本硬件结构

超外差式频谱分析仪通过变频将输入转化为固定中频。中频信号经过步进放大、射频信号搬移到中频上，由于本振频率通过扫描谐波电压调谐可变，所以输入信号可被抗混叠滤波后完成ADC，用数字信号处理技术实现多种RBW处理，从而获得被测信号频率和幅度信息。

图4-74　频谱分析仪原理简图

外混频测量作为超外差式频谱分析仪的一种频谱扩展测量功能，其硬件测量通路与基本频谱分析共用合成本振、中频和数据处理部分，仅微波、毫米波变频部分区别于频谱仪内部固定模式，由外接的毫米波谐波混频器实现，其简单原理框图如图4-74所示。频谱分析仪提供合成本振的输出及中频输入接口。因为混频器是一种高度非线性器件，为保证混频器混频效率，本振输出功率驱动必须足够高，通常为12 dBm～18 dBm。对于带预选功能的谐波混频器，频谱分析仪还可以提供偏置电压供电，保证外混频器内的可调谐滤波器工作在特定的频率上。

2）频谱分析仪软件构架

随着微波变频、合成本振和中频处理等硬件测试平台日渐成熟和通用化，一台频谱分析仪器实现多模式、多功能测量成为一种趋势。除了基本的频谱分析模式外，频谱分析仪应该可以支持多种模式和多种测量功能，包括功率测量、相位噪声测量和扩频测量等。这就要求我们搭建一个模块化、可扩展、可靠性高的软件平台，我们设计的频谱分析仪软件功能框图如图4-75所示。

图4-75　频谱分析仪软件功能框图(www.xing528.com)

实现扩频频谱测量，硬件功能相对于传统频谱分析变动不大，主要是软件功能扩展支持。频谱分析仪软件采用面向对象技术，按照上述功能划分将各个部分模块化，降低各模块耦合度。采用多个线程管理，主线程接收响应用户输入操作并提供报表视图显示；测量线程按照当前参数配置设置硬件返回测量结果；数据处理线程提供数据处理服务，将原始测量数据运算处理为显示数据。

测量流程如下：主线程监控接收用户参数输入和修改操作，进行参数合理化和自适应处理，传递到测量控制模块。测量控制模块根据下传参数组织控制扫描测量流程，调用硬件处理模块进行合成本振、微波变频、中频通路和数字中频等的设置。测量完毕后，数据处理模块根据视图显示内容和格式将测量结果进行相应的数据处理变换。数据处理完毕后通知主线程视图进行刷新显示。

3）外扩频测量原理

谐波混频器混频公式为：

其中fRF为输入信号，fLO为本振频率，频率范围3.0 GHz～6.1 GHz。fIF为中频321.4 MHz，n为本振谐波次数，m为输入信号的谐波次数。

由于混频器的变频损耗是谐波次数的函数，谐波次数越高，变频损耗越大。扩频测量时，输入射频信号频率较高，使用高次谐波使得本振所需谐波次数显著增大，混频器变频损耗变大，频谱幅度较低，在频谱图中比较容易分辨。因此为方便分析，我们忽略输入信号的高次谐波，输入射频信号基波与本振频率的n次谐波混频到中频：

由公式（4-62）可知，对于给定的射频信号和固定的中频频率，在限定的本振扫描频率范围之内，可能有数个本振频率和谐波次数的乘积满足公式，并且每个满足条件的本振信号产生一对频率响应。但是本振频率计算映射到显示频谱时，却统一使用了固定的谐波次数（如A波段采用8次谐波），频谱从真实信号位置产生到显示位置的映射，从而形成了射频输入频率的多重响应信号。这就是我们从扩频频谱分析的频谱图上看到丰富的频率响应的原因。