标签: 频谱搬移

在频谱仪基础（二）讲述了高低中频的选择，对于9kHz 到 7GHz 信号前端处理，我们需要分段进行处理， 9kHz 到 3GHz 信号采用高中频的方式， 3GHz 到7 GHz采用低中频的方式直接将信号频谱搬移到低中频。 1.9kHz 到 3GHz 信号前端处理 在图 1 所示中，第一个 IF 设置为 3476.4MHz 。将输入频率范围从 9kHz 到 3GHz 的输入信号通过上变频转换到频率为 3476.4MHz ，所以 LO 信号 ⑤ 必须在 3476.40MHz~6476.4MHz 的频率范围内进行扫频或者调频。根据公式，镜像频率范围为 6952.809MHz~9952.8MHz 。 图1 第一级混频电路 对于 9kHz~3GHz 的第一级混频， LO 信号 ⑤ 频率范围 3476.40MHz~6476.4MHz 可变，同时根据傅里叶变换可知，两个信号时域相乘，频域是相卷积，即 LO 信号上任何的干扰都会毫无保留的出现在输出频谱上，所以 LO 信号不仅仅需要超宽的频率范围，也需要相对低的相位噪声以及谐波。为满足这些指标，实现 LO 的方式有三种： YIG 振荡器、 VCO （压控振荡器）、 PLL+VCO 。 1. YIG 振荡器：通常被用作 LO ，其利用磁场来改变振荡器的频率； 2. VCO （压控振荡器）： VCO 的特点是有一个更小的可变范围与 YIG 振荡器相比， VCO 可以比 YIG 振荡器调谐快得多。 3. PLL+VCO ： PLL 利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，与 VCO 配合输出更宽 LO 频率。 在频谱仪中，最为常用就是 PLL+VCO 构架产生 LO 信号。为了提高频谱的频率精度，本振 LO 采用 PLL 技术，通过一个锁相环（ PLL ）将输入信号锁定到一个参考信号上（系统的参考时钟）。但是采用 PLL 的方式，输出信号并不是连续可调，而是步进调节设置，同时步进调节设置依赖于频谱仪设置的分辨率带宽（ RBW ），因此较小分辨率带宽（ RBW ）需要 PLL 较小的调谐步进。否则，输出信号不能覆盖整个扫频范围，而且会造成功率误差。如图 2 所示，左图表示， PLL 的步进调节远大于分辨率带宽，这导致在扫频时，步进跳转过大导致输入信号混频后没有进入到中频滤波器的带内，造成信号的丢失。右图表示， PLL 的步进调节大于分辨率带宽，这导致在扫频时，步进跳转不合理导致输入信号混频后没有进入到中频滤波器的通带内，造成信号的功率误差，为了避免以上两种错误，其 PLL 的设置的步长远低于分辨率（ RBW ），在实际设计， PLL 的调节步进应该小于 0.1 · RBW （ 1/10 ），比如频谱仪设置的 RBW 为 10kHz ，那么 LO 输出的频率步进应该是小于 1KHz 的，但是在设计 LO 时，可以考虑 LO 电路的步进根据 RBW 设置进行分段调节。 图 2 PLL 步进和分辨率带宽 对于 LO 的参考信号，通常由一个温度控制的晶体振荡器 (TCXO) 产生。为了提高频率精度和长期性稳定性， (OCXO) 振荡器可作为大多数频谱仪的参考时钟。同时为了保持与其他测量仪器同步以及板内源同步，参考信号 ( 通常采用 10MHz) 可由输入连接器（ BNC 接口）输入或是采用板内的参考时钟。需要与其他测量仪器同步测试时，采用外部参考时钟和外部触发测量即可。 经过了第一级混频之后， IF1 中频输出为 3476.4MHz ，对于这个信号直接采集，所要付出的代价太大，所以我们需要将 IF1 中频信号再通过下变频至低频 IF2 进行采集，如 10.7MHz 、 20.4MHz 。这样的就减少了对 ADC 的采样率的要求。如图 3 所示，试想一下，如果直接将 IF1 中频 3476.4MHz 下变频至 20.4MHz, 是否可以。理论上是可以实现的，此时 LO 频率采用 3456MHz ，那么 IF2=20.4MHz ，镜像频率为 3435.6MHz ，这里就会出现一个问题， IF1 和镜像信号频率之差只有 2*20.4=40.8MHz ，为了抑制镜像的干扰，所需要的 BPF （带通滤波器）的带宽就非常窄、中心频率高，同时带外对镜像抑制又要非常的强，实际设计实现是比较复杂的。同时由于第一级 Mixer 的各个端口的隔离度是有限的，那么 RF 和 LO 是会泄露到 IF1 中的，所以直接下变频至 20.4MHz, 对中频滤波器 ⑧ 设计提出了挑战。 图3 二级下变频至第中频 IF2 由于 IF1=3476.4MHz 信号频率高，如果 IF2=20.4MHz, 需要一个极复杂的滤波器来完成对镜像信号的抑制，中频滤波器 ⑧ 需要非常陡峭的带外抑制。如图 4 所示，因此，将 IF1 下变频到 IF2 时， IF2 可以采用相对高的频率，如 404.4MHz 。若中频 IF2=404.4MHz ，一个固定的 LO 信号（二级本振） 为 3072MHz ，镜像频率为 2667.6MHz 。那么，镜像抑制的中频滤波器 ⑧ 就很容易实现了。同时带通滤波器的带宽足够大， IF1 信号不会受损 （即使是对于最大分辨率的带宽）。同时减少总噪声，在二次变频时，对输入信号被放大 ⑦ ，放大器的增益可以根据第二级 Mixer 的 -1dB 压缩点合理设置。 图4 9KHz~3GHz 链路 2.3GHz 到 7GHz 信号前端处理 经过低频段链路的分析，对于高频段分析也具备了一定的基础， 3GHz~7GHz 频率段，可以直接将输入信号直接转换为固定低 IF ，使用带通滤波器抑制镜像干扰，此时只要本地振荡器频率范围满足下变频要求即可。如图 5 所示， 3GHz 到 7GHz 信号前端链路。 图 5 3G Hz 到 7 GHz 信号前端链路 在链路中，频谱分析仪的频率范围是从 3GHz 到 7GHz 。经过衰减器后，输入信号为由双工器 (19) 将输入信号分成 9kHz 至 3GHz 和 3GHz 的到 7GHz, 并应用于相应的射频前端。在高频部分，信号通过 YIG 滤波器之后进入到一级混频器当中， YIG 滤波器的中心频率对应是此时输入信号的频率，比如输入 4.5GHz, 那么该 YIG 滤波器的中心为 4.5GHz, 同时 YIG 滤波器除了中心频率可调以外，其还具有非常窄的带宽。前文中，假设直接下变频至低中频 20.4MHz, 那么对于混频器输入端的带通滤波器而言，滤波器结构比较复杂。同样的对于高频段的链路，直接下变频至 20.4MHz, 依然会面临这个问题， YIG 无法提供如此窄的带宽。所以，高频段 IF 可以采用相对高的频率，如 404.4MHz 。这样 YIG 滤波器能够满足抑制镜像的功能。 所以中频可以采用 404.4MHz ，此时 LO 的频率范围为： 2595.6 MHz~ 6595.6 MHz或者 3404.4 MHz~7404.4 MHz 如果通过软件来完成对两种转换之间切换，就可以在只用一个 LO 既可以完成频率的转换，此时 LO 频率范围为： 3404.4MHz ~6595.6MHz ，可以 9KHz~3GHz 频率段共用本振。但是输入的信号频率为 3GHz~13.6GHz 时，本振 LO 信号频率范围为 2595.6 MHz~ 13.1954 GHz （ ，就不能使用低频段的本振。 最终转换为 404.4 MHz 中频信号经过中频放大器 (23) 并通过模拟开关切换到低频路径上完成高频段下变频。 通过面前的链路的分析，对于 输入的信号频率为 3GHz~13.6GHz 时， LO 频率范围为 2595.6 MHz~ 13.1954 GHz， 直接由 PLL+VCO 输出 LO 信号代价太大。特别是当频谱仪的高达 30GHz 或是更高的 40GHz 带宽时， PLL+VCO 直接输出 LO 代价太大。但是可以利用倍频器和器件的非线性来获取高频率的本振信号。 采用倍频器的方式，就是 PLL+VCO 输出的信号进行倍频，比如 2 倍、 4 倍，即可得到高的 LO 频率了。采用倍频器，可以获得最小的转换损耗，从而保持频谱分析仪的低噪声系数，但是除了乘法器 (22) 之外，还需要滤波器来抑制乘法后的次谐波，同时混频器的 LO 输入端必须提供足够高的 LO 电平，因此所需的放大器必须是高宽带的、低失真的。 采用器件的非线性特性时，就是利用器件的非线性产生所需要的谐波，比如 2 次谐波。采用器件的非线性特性时，通过谐波混合的转换更容易实现，但意味着更高的转换损耗。需要在较低频率范围内的 LO 信号，该信号必须以高电平施加到混频器。由于混频器的非线性和高 LO 电平，只要谐波具有功率就可以用于频率转换。 以上就是对高 LO 获取的方式，最常用的是第一种方式，代价最小。但是这两个方式在实践中的使用取决于价格等级频谱仪。同时这两种方法的组合是可能的。当然在更高频率时，也可以使用外本振。

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。