标签: 混叠

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。