基 于 全 数 字 中 频 技 术 频 谱 分 析 仪 的 工 作 原 理 -V1.0 汪 进 进 深 圳 市 鼎 阳 科 技 有 限 公 司 频 谱 分 析 仪 简 称 频 谱 仪, 是 射 频 工 程 师 最 熟 悉 的 一 种 仪 器 相 对 于 示 波 器 作 为 电 子 工 程 师 的 眼

基 于 全 数 字 中 频 技 术 频 谱 分 析 仪 的 工 作 原 理 -V1.0 汪 进 进 深 圳 市 鼎 阳 科 技 有 限 公 司

基 于 全 数 字 中 频 技 术 频 谱 分 析 仪 的 工 作 原 理 -V1.0 汪 进 进 深 圳 市 鼎 阳 科 技 有 限 公 司 频 谱 分 析 仪 简 称 频 谱 仪, 是 射 频 工 程 师 最 熟 悉 的 一 种 仪 器 相 对 于 示 波 器 作 为 电 子 工 程 师 的 眼 睛, 占 据 时 域 第 一 仪 器 甚 至 电 子 测 试 测 量 第 一 仪 器 之 地 位, 频 谱 仪 堪 称 是 射 频 领 域 的 频 域 第 一 仪 器 有 趣 的 是, 长 期 习 惯 时 域 思 维 的 工 程 师 对 频 谱 仪 的 原 理 了 解 很 少, 而 长 期 从 事 射 频 的 工 程 师 问 起 示 波 器 的 问 题 也 充 满 萌 意 在 多 数 频 谱 仪 资 料 中 都 会 提 到, 频 谱 仪 从 实 现 技 术 的 原 理 上 进 行 分 类, 有 FFT 分 析 仪 和 超 外 差 扫 频 式 频 谱 分 析 仪 两 大 类 ; 也 有 说 法 是 分 为 FFT 分 析 仪, 超 外 差 扫 频 式 频 谱 分 析 仪 和 实 时 频 谱 仪 三 类 现 在 市 面 上 能 买 到 的 频 谱 仪 几 乎 都 是 基 于 超 外 差 扫 频 " 技 术 实 现 的 我 不 确 定 是 否 有 专 门 的 FFT 分 析 仪 在 卖 所 谓 FFT 分 析 仪 是 指 先 采 集 时 域 信 号, 再 用 FFT 算 法 将 这 个 时 域 信 号 转 换 为 频 域, 其 实 和 示 波 器 FFT 分 析 的 原 理 是 完 全 一 样 的 任 何 示 波 器 的 数 学 运 算 功 能 中 都 有 FFT 运 算 功 能, 从 这 种 意 义 上 说, 示 波 器 就 是 一 种 FFT 分 析 仪 也 因 为 示 波 器 有 FFT 功 能, 习 惯 于 在 时 域 里 游 走 的 朋 友 喜 欢 问 : 示 波 器 本 身 就 可 以 做 频 域 分 析, 为 什 么 还 需 要 专 门 的 频 谱 仪? 示 波 器 和 频 谱 仪 做 频 域 分 析 有 什 么 区 别? 扫 频 式 频 谱 仪 难 道 不 用 FFT 吗? 基 于 频 谱 仪 这 种 仪 器, 仪 器 厂 商 后 来 又 定 义 了 新 的 产 品 品 类, 如 信 号 分 析 仪, 矢 量 分 析 仪,EMI 接 收 机, 实 时 频 谱 仪 等 新 仪 器 这 些 变 换 了 名 目 的 仪 器 之 基 本 原 理 都 是 基 于 超 外 差 扫 频 实 现 的, 只 是 增 加 了 比 较 复 杂 的 分 析 软 件 或 是 功 能 模 块 的 硬 件 细 节 上 有 所 改 变 本 文 将 要 讨 论 的 基 于 全 数 字 中 频 技 术 的 频 谱 仪 本 质 上 也 是 基 于 超 外 差 扫 频 的 基 本 原 理 随 着 数 字 技 术 特 别 是 FPGA 技 术 的 发 展, 早 期 的 全 部 采 用 模 拟 技 术 实 现 的 频 谱 仪 慢 慢 全 部 绝 迹 了, 只 是 业 界 并 没 有 将 基 于 全 数 字 中 频 技 术 的 频 谱 仪 称 为 数 字 频 谱 仪 ( 我 没 有 查 核 目 前 主 流 频 谱 仪 厂 商 在 卖 的 频 谱 仪 哪 些 型 号 还

是 全 模 拟 实 现 的, 诸 位 如 果 有 这 方 面 的 清 单, 欢 迎 提 供 给 我 ) 数 字 技 术 为 频 谱 仪 的 发 展 带 来 了 很 大 的 技 术 突 破, 其 中 一 个 集 大 成 者 就 是 所 谓 的 实 时 频 谱 仪, 它 将 Overlap FFT 技 术 运 用 到 了 数 字 中 频 部 分, 结 合 频 域 模 板 触 发, 产 生 了 新 的 品 类 也 满 足 了 一 些 新 的 测 量 应 用, 成 为 仪 器 界 一 度 流 行 的 风 景 总 结 前 面 这 段 散 侃 式 文 字, 我 想 强 调 的 重 点 是 : 目 前 市 面 上 所 有 频 谱 仪 类 产 品, 核 心 的 原 理 都 是 超 外 差 扫 频 而 理 解 超 外 差, 实 质 就 是 理 解 混 频 器 让 我 们 先 全 景 式 概 略 了 解 一 下 目 前 主 流 的 基 于 全 数 字 中 频 技 术 的 频 谱 仪 的 基 本 原 理 1, 基 于 全 数 字 中 频 技 术 的 频 谱 仪 原 理 概 述 鼎 阳 科 技 频 谱 仪 旗 舰 产 品 SSA3000X 系 列 正 是 基 于 全 数 字 中 频 技 术 实 现 的, 如 图 1 所 示 是 鼎 阳 科 技 SSA3000X 的 基 本 原 理 框 图 一 般 的 基 于 全 数 字 中 频 技 术 的 频 谱 仪 实 现 原 理 皆 与 此 相 近 SSA3000X 由 模 拟 部 分 和 数 字 部 分 组 成 模 拟 部 分 将 输 入 信 号 转 换 为 模 数 转 换 器 (ADC) 可 以 接 受 的 电 压 范 围 和 频 率 范 围 以 实 现 数 字 化 数 字 部 分 对 离 散 化 之 后 的 数 字 信 号 进 行 中 频 滤 波 检 波 视 频 滤 波 等 一 系 列 处 理 之 后 送 屏 幕 显 示 图 1 基 于 全 数 字 中 频 技 术 的 频 谱 仪 原 理 框 图 SSA3032X 的 输 入 信 号 频 率 范 围 是 9KHz-3.2GHz, 但 ADC 的 采 样 率 是 40MS/s, 只 能 对 20MHz 信 号 带 宽 以 内 的 信 号 进 行 不 失 真 的 采 样 如 何 将 输 入 信 号 很 大 的 频 率 范 围 转 换 为 相 对 较 小 的 频 率 呢? 这 里 面 涉 及 到 频 率 的 搬 移 是 通 过 混 频 器 (Mixer) 实 现 的 输 入 信 号 通 过 衰 减 器, 前 置 放 大 器 及 低 通 滤 波 器 之 后, 将 输 入 信 号 转 换 为 混 频 器 最 佳 工 作 电 平 送 给 混 频 器, 混 频 器 根 据 该 输 入 信 号 和 本 地 压 控 振 荡 器 (VCO) 的 输 出 时 钟 信 号 一 起 进 行 超 外 差 扫 频 变 换, 将

输 入 信 号 的 频 率 范 围 从 9KHz-3.2GHz 转 换 为 基 于 一 定 频 点 ( 几 十 MHz) 能 够 被 ADC 采 样 的 带 通 信 号, 该 信 号 的 带 宽 是 分 辨 率 带 宽 RBW 的 几 倍 VCO 的 输 出 时 钟 信 号 的 频 率 受 数 字 部 分 的 软 件 控 制 频 率 逐 渐 变 化 ( 扫 频 ) 混 频 之 后 的 信 号 再 经 过 放 大 器 和 滤 波 器 处 理 之 后 送 给 ADC 进 行 离 散 化 转 换 为 数 字 信 号, 再 经 过 混 频 器 数 字 下 变 频 转 变 为 基 带 信 号 该 基 带 信 号 经 过 中 频 滤 波 器 (IF Filter) 或 FFT 分 析 处 理, 再 经 过 检 波 器 和 视 频 滤 波 器 处 理 之 后 送 屏 幕 显 示 FFT 可 以 理 解 为 一 组 中 频 滤 波 器 同 时 进 行 处 理 中 频 滤 波 器 的 带 宽 即 非 常 著 名 的 RBW RBW 和 滤 波 器 的 形 状 将 决 定 可 以 分 辨 的 最 小 频 率 以 及 频 谱 的 形 状 由 于 SSA3000X 的 屏 幕 显 示 的 像 数 是 751 个 ( 不 同 厂 商 的 这 个 指 标 不 一 样 ), 但 ADC 离 散 化 之 后 的 样 本 点 可 能 超 过 751 个, 需 要 采 用 不 同 的 数 据 压 缩 处 理 算 法 来 确 定 如 何 在 屏 幕 上 显 示 ADC 之 后 的 数 据 检 波 器 就 是 对 离 散 后 的 数 据 样 本 按 照 一 定 的 算 法 进 行 筛 选 视 频 滤 波 器 则 对 检 波 后 的 信 号 进 行 低 通 滤 波, 以 过 滤 掉 频 谱 中 底 部 的 随 机 噪 声 2, 超 外 差 扫 频 : 为 什 么 要 经 过 四 级 混 频 是 理 解 频 谱 仪 的 难 点 上 面 这 段 概 述 对 于 之 前 没 有 任 何 射 频 领 域 经 验 的 工 程 师 朋 友 仍 显 晦 涩 理 解 频 谱 仪 的 原 理, 首 先 要 理 解 超 外 差 扫 频 的 概 念 频 谱 仪 的 典 型 显 示 画 面 如 图 2 所 示, 该 图 表 示 输 入 信 号 在 不 同 的 频 率 点 时 功 率 ( 有 时 纵 坐 标 是 用 电 压 ) 的 大 小, 横 坐 标 表 示 频 率, 纵 坐 标 表 示 每 一 个 频 率 点 对 应 的 功 率 设 想 有 一 个 中 心 频 率 在 逐 渐 增 加 的 带 通 滤 波 器, 输 入 信 号 经 过 每 一 个 滤 波 器, 对 应 产 生 一 个 被 过 滤 的 输 出 信 号, 计 算 被 过 滤 的 输 出 信 号 的 功 率 逐 渐 增 加 带 通 滤 波 器 的 中 心 频 率, 相 应 就 得 到 功 率 随 着 频 率 变 化 的 功 率 谱 这 样 设 计 频 谱 仪 原 理 上 不 是 更 简 单 吗? 但 真 实 的 频 谱 仪 没 有 采 用 这 种 调 节 滤 波 器 中 心 频 率 的 方 式, 而 是 采 用 中 心 频 率 固 定 的 带 宽 滤 波 器, 通 过 频 率 搬 移 的 方 式 改 变 输 入 信 号 的 频 率 以 使 频 率 被 改 变 之 后 的 信 号 依 此 能 够 被 中 心 频 率 固 定 的 带 通 滤 波 器 过 滤, 由 于 频 率 变 换 的 关 系 式 是 确 定 的, 从 而 也 就 获 得 随 频 率 变 换 的 功 率 谱 这 就 是 采 用 超 外 差 扫 频 方 式 的 基 本 原 理 在 工 程 实 践 上, 改 变 输 入 信 号 的 频 率 比 改 变 带 通 滤 波 器 的 中 心 频 率 要 更 容 易 实 现

图 2 鼎 阳 科 技 SSA3000X 频 谱 仪 的 测 量 结 果 为 了 能 够 实 现 频 率 搬 移, 就 需 要 用 到 混 频 器 混 频 器 对 输 入 混 频 器 的 两 路 信 号 进 行 矢 量 乘 法 运 算, 得 到 输 入 两 个 输 入 信 号 频 率 的 和 与 差, 但 混 频 器 是 非 线 性 器 件, 它 输 出 信 号 的 频 率 成 份 还 包 括 原 始 输 入 信 号 的 频 率 成 份, 也 就 是 说 混 频 器 的 输 出 包 括 了 至 少 四 种 频 率 成 份, 如 图 3 所 示 图 3 乘 法 器 的 输 入 和 输 出 信 号 的 主 要 频 率 成 分 乘 法 器 的 数 学 本 质 是 : cosαcosβ=[cos(α+β)+cos(α-β)]/2 如 果 混 频 器 的 应 用 是 为 了 利 用 (α+β), 被 称 为 上 变 频, 如 果 是 为 了 利 用 (α-β), 则 是 下 变 频 在 频 谱 仪 的 实 现 上 是 利 用 (α-β), 本 振 频 率 - 输 入 信 号 频 率 = 中 频 频 率 假 如 采 用 一 级 混 频, 输 入 信 号 频 率 范 围 是 9KHz-3.2GHz, 中 频 频 率 是 固 定 的, 假 设 是 20MHz, 那 么 对 应 的 本 振 频 率 范 围 是 : 20.9MHz-3.22GHz 这 会 带 来 什 么 问 题? 这 是 一 个 大 大 的 问 题! 拿 具 体 化 的 例 子 来 说 明 : 例 如 本 振 频 率 是 2.8GHz, 那 么 2.7GHz 和 2.9GHz 就 会 同 时 混 到 100M 这 个 点 上, 无 法 区 分 2.7GHz 和 2.9GHz

如 果 频 谱 仪 采 用 一 级 混 频 而 且 第 一 级 输 出 的 中 频 是 频 率 比 较 低, 当 输 入 频 率 范 围 大 于 2fIF, 那 么 被 测 信 号 范 围 和 镜 像 信 号 范 围 将 会 重 叠, 如 图 4 所 示 这 时 即 使 采 用 低 通 滤 波 器 不 能 将 镜 像 频 率 信 号 滤 除, 所 以 对 输 入 滤 波 器 的 要 求 在 不 影 响 主 信 号 的 情 况 下, 应 用 一 个 可 调 谐 带 通 滤 波 器 以 抑 制 镜 像 频 率 为 了 覆 盖 (9kHz~3.6GHz) 的 频 率 范 围, 由 于 较 宽 的 调 谐 范 围 ( 几 十 个 倍 频 程 ) 使 滤 波 器 变 得 极 为 复 杂 而 不 容 易 实 现, 因 此 必 须 采 用 高 中 频 方 案 : 第 一 中 频 频 率 比 输 入 信 号 频 率 高, 那 么 本 振 信 号 也 比 输 入 信 号 频 率 高, 镜 像 频 率 和 输 入 信 号 的 频 率 间 隔 为 2fIF, 也 就 是 镜 像 频 率 远 远 高 于 本 振 信 号 频 率 和 输 入 信 号 的 频 率, 因 此 设 计 一 个 固 定 的 滤 波 器, 其 截 止 频 率 位 于 最 高 输 入 频 率 和 中 频 频 率 之 间 就 很 容 易 解 决 镜 像 频 率 对 有 用 信 号 的 影 响 此 外, 低 通 滤 波 器 还 可 以 抑 制 本 振 信 号 从 频 谱 仪 输 入 端 口 泄 漏 出 去 而 影 响 被 测 件 图 4 混 频 器 的 中 频 频 率 选 择 不 合 适 带 来 频 率 混 叠 实 际 上 的 频 谱 仪 一 般 采 用 多 级 混 频, 现 在 市 面 上 多 数 基 于 数 字 中 频 的 频 谱 仪 多 是 采 用 四 级 混 频 模 拟 部 分 采 用 了 三 级 混 频, 如 图 5 所 示, 第 一 级 混 频 器 要 选 高 频 本 振, 例 如 选 择 第 一 中 频 3.2GHz, 频 率 范 围 从 3.2GHz-9kHz, 那 么 带 内 没 有 两 个 信 号 能 够 在 一 个 本 振 下 混 频 到 3.2GHz, 处 理 上 是 合 理 的 但 是 仍 然 有 两 个 缺 点 : 第 一 个 缺 点 即 最 近 的 镜 像 点 为 3.2GHz+9kHz, 与 3.2GHz-9kHz 作 为 9KHz 本 振 的 镜 像, 镜 像 相 距 过 近 不 容 易 滤 除 ; 第 二 个 缺 点 为 本 振 处 在 射 频 测 量 带 内, 会 通 过 混 频 器 向 外 反 向 泄 露 到 射 频 口, 引 起 输 入 端 被 内 部 信 号 干 扰 问 题 因 此, 对 于 输 入 频 率 范 围 是 9KHz-3.2GHz 的 频 率 仪, 一 般 选 第 一 级 本 振 的 频 率 会 高 达 4GHz 混 频 器 前 的 低 通 滤 波 器 的 截 止 频 率 在 3.2GHz 以 上, 在 8GHz( 中 频 镜 像 ) 的 衰 减 必 须 达 到 输 入 口 底 噪 之 下, 以 防 止 高 频 段 的 能 量 混 频 到 4GHz 中 频 理 论 上 讲, 低 于 第 一 中 频 的 扫 宽 都 是 可 以 在 这 个 结 构 下 实 现 的, 即 频 率 范 围 指 标 可 以 达 到 4GHz

图 5 频 谱 仪 的 模 拟 部 分 一 般 采 用 了 三 级 混 频 模 拟 部 分 经 过 三 级 混 频, 可 以 得 到 公 式, 如 何 选 择 fl01,fl02,fl03, 这 是 有 一 些 商 业 秘 密 色 彩 的 数 据 了 在 此 不 再 细 述 经 过 三 级 混 频 之 后 的 信 号 是 中 心 频 率 为 20MHz 左 右 ( 大 概 的 一 个 数 据, 每 种 频 谱 仪 的 具 体 大 小 可 能 不 一 样 ) 带 宽 为 5MHz 左 右 ( 大 概 的 一 个 数 据 ) 的 带 通 信 号, 这 种 带 通 信 号 经 过 第 四 级 变 频, 如 图 1 所 示 中 的 数 字 混 频 器 这 是 第 四 级 混 频, 是 数 字 下 变 频, 它 将 带 通 信 号 转 换 为 基 带 信 号 这 个 变 换 步 骤 和 通 信 领 域 的 基 站 手 机 的 实 现 原 理 完 全 一 样 了 由 于 完 全 采 用 数 字 方 式 实 现 的, 这 部 分 有 个 相 关 的 技 术 名 词 叫 软 件 无 线 电 超 外 差 扫 频 的 实 现 过 程 中, 本 地 振 荡 器 VCO 的 频 率 受 到 数 字 部 分 的 软 件 控 制, 逐 渐 从 低 频 按 一 定 规 律 步 进 扫 描 递 进 到 高 频, 再 重 新 从 低 频 开 始 扫 描 下 一 个 周 期 输 入 到 频 谱 仪 的 外 界 信 号 的 频 率 对 于 频 谱 仪 的 软 件 算 法 在 一 开 始 是 未 知 的, 但 是 中 频 的 频 率 点 是 固 定 的 已 知 的, 可 以 通 过 软 件 控 制 本 振 的 频 率, 选 择 某 个 频 率 点, 相 应 就 得 到 了 输 入 信 号 的 频 率 因 此, 本 振 信 号 频 率 变 化 就 等 于 输 入 信 号 频 率 变 化, 对 于 全 数 字 中 频 的 频 谱 仪, 扫 频 是 通 过 软 件 来 控 制 本 振 振 频 率 的 变 化 来 实 现 输 入 信 号 在 一 段 频 率 范 围 内 的 扫 描 的 扫 描 的 过 程 如 图 6 所 示, 当 一 个 待 测 试 的 单 频 点 信 号 输 入 到 频 谱 仪, 实 际 上 测 量 到 的 是 中 频 滤 波 器 幅 频 特 性 的 形 状, 即 实 际 测 量 的 结 果 是 中 频 滤 波 器 幅 频 特 性 和 输 入 信 号 的 卷 积

图 6 频 谱 仪 的 扫 描 过 程 3, 一 个 衰 减 器, 三 个 放 大 器, 四 个 滤 波 器 : 都 是 影 响 幅 值 精 度 的 关 键 点, 也 是 频 谱 仪 使 用 技 巧 的 关 键 频 谱 仪 中 使 用 模 拟 的 衰 减 器, 放 大 器, 滤 波 器 等 器 件 会 带 来 噪 声 和 失 真, 这 些 器 件 的 特 性 将 影 响 到 频 谱 仪 可 测 量 到 的 最 小 电 平, 影 响 频 谱 仪 的 动 态 范 围, 测 量 精 度 这 些 器 件 的 一 些 参 数 有 的 是 用 户 无 法 改 变 的, 有 的 是 用 户 可 以 改 变 的 理 解 这 些 器 件 在 频 谱 仪 中 的 作 用 和 性 能 指 标 将 有 助 于 更 好 地 使 用 频 谱 仪 : 衰 减 器 该 不 该 打 开, 设 置 为 多 少? 前 置 放 大 器 什 么 时 候 需 要 打 开? 中 频 滤 波 器 的 带 宽 怎 么 设 置 是 合 适 的? 3.1, 一 个 衰 减 器, 两 个 放 大 器 ( 前 置 放 大 器 和 中 频 放 大 器 ) 是 联 动 工 作 衰 减 器 的 作 用 是 :1, 保 护 混 频 器, 输 入 信 号 电 平 过 高 会 导 致 混 频 器 被 损 坏 混 频 器 有 一 个 最 大 可 接 受 的 输 入 电 平, 被 称 为 最 大 安 全 输 入 电 平, 输 入 信 号 不 能 超 过 该 安 全 电 平 2, 改 善 匹 配, 获 得 最 佳 动 态 范 围, 减 少 增 益 压 缩 和 失 真 混 频 器 有 一 个 最 佳 输 入 电 平, 通 过 衰 减 器 和 前 置 放 大 器 的 配 合 工 作, 以 使 混 频 器 工 作 在 最 佳 输 入 电 平, 也 就 是 所 谓 的 获 得 最 佳 匹 配, 提 高 测 量 的 准 确 度 混 频 器 是 非 线 性 器 件, 当 混 频 器 输 入 信 号 电 平 较 高 时, 输 出 会 产 生 很 多 频 率 成 份, 而 且 电 平 太 高 会 干 扰 测 试 结 果, 使 无 互 调 范 围 减 小 当 输 入 信 号 电 平 在 混 频 器 1dB 压 缩 点 以 上 时, 测 试 结 果 会 不 准 确 通 过 设 置 步 进 衰 减 器 调 节 进 入 混 频 器 的 电 平, 可 以 得 到 较 大 的 动 态 范 围 但 是, 衰 减 器 设 置 过 大, 仪 器 的 本 底 噪 声 被 抬 高 衰 减 大, 失 真 小, 噪 声 大 因 此, 混 频 器 的 设 置 是 用 户 要 慎 重 考 虑 的

为 了 防 止 直 流 信 号 损 坏 混 频 器, 在 衰 减 器 电 路 中 包 含 了 一 个 隔 直 电 容 如 图 7 所 示, 这 使 频 谱 仪 的 输 入 信 号 频 率 并 不 能 从 0Hz 开 始 的, 多 数 是 从 9KHz 开 始 的 图 7 频 谱 仪 输 入 衰 减 电 路 衰 减 器 和 前 置 放 大 器 配 合 工 作, 使 得 混 频 器 获 得 最 佳 输 入 电 平, 它 们 和 混 频 器 之 后 的 中 频 增 益 放 大 器 也 是 联 动 工 作 的 衰 减 器 和 前 置 放 大 器 调 节 信 号 电 平 达 到 适 合 混 频 器 的 最 佳 匹 配, 但 并 不 一 定 能 使 ADC 获 得 最 佳 动 态 范 围, 需 要 再 和 增 益 放 大 器 配 合, 以 最 小 化 ADC 的 量 化 误 差 这 和 示 波 器 中 通 过 探 头 衰 减 和 改 变 垂 直 增 益 使 被 测 信 号 占 满 示 波 器 的 栅 格, 使 得 示 波 器 的 ADC 获 得 最 小 量 化 误 差 是 一 个 道 理 前 置 放 大 器 对 于 有 些 频 谱 仪 不 是 标 配, 需 要 通 过 外 置 的 方 式 实 现 输 入 信 号 先 连 接 到 外 置 放 大 器, 再 从 放 大 器 连 接 到 频 谱 仪 的 RF 输 入 端 鼎 阳 科 技 SSA3000X 标 配 有 前 置 放 大 器, 为 测 量 极 微 弱 的 小 信 号, 譬 如 EMI 测 量 带 来 了 很 大 的 便 利 性 3.2, 对 数 放 大 器 : 数 字 方 式 实 现 时 不 过 是 一 个 量 纲 转 换 的 关 系 式 对 数 放 大 器 并 不 太 影 响 对 频 谱 仪 原 理 的 理 解, 在 有 些 频 谱 仪 的 原 理 框 图 中 干 脆 没 有 画 出 来 由 于 频 谱 仪 可 测 量 的 动 态 范 围 很 大, 如 果 用 电 压 作 为 垂 直 量 程, 将 使 得 显 示 结 果 的 垂 直 轴 的 波 形 被 压 缩, 挤 " 在 一 起 影 响 观 察 因 此, 传 统 的 纯 模 拟 频 谱 仪 需 要 通 过 硬 件 的 对 数 放 大 器 电 路 将 频 谱 仪 的 测 量 结 果 显 示 为 对 数 表 示 后 的 结 果 这 在 数 字 方 式 实 现 时, 不 过 是 将 量 纲 转 换 一 下 的 一 个 关 系 式 而 已 但 是 在 EMI 测 量 中, 又 特 别 要 求 用 电 压 作 为 垂 直 量 单 位

3.3, 四 个 滤 波 器, 除 了 中 频 滤 波 器 是 带 通, 其 它 都 是 低 通 的 顾 名 思 义, 低 通 滤 波 器 的 目 的 都 是 为 了 过 滤 掉 截 止 频 率 点 以 上 的 高 频 成 分 在 SSA3000X 频 谱 仪 的 实 现 上, 使 用 了 三 个 低 通 滤 波 器 和 一 个 带 通 滤 波 器 : (1), 混 频 器 之 前 的 低 通 滤 波 器 阻 止 一 些 无 用 的 频 率 成 份 进 入 混 频 器, 和 本 振 信 号 一 起 产 生 不 需 要 的 多 余 的 信 号 对 于 SSA3000X 频 谱 仪, 该 滤 波 器 的 截 止 频 率 在 3.2GHz 以 上, 在 8GHz( 中 频 镜 像 ) 的 衰 减 必 须 达 到 输 入 端 口 底 噪 之 下, 以 防 止 高 频 段 的 能 量 混 频 到 4GHz 中 频 理 论 上 讲, 低 于 第 一 中 频 的 扫 宽 都 是 可 以 在 这 个 结 构 下 实 现 的, 即 频 率 范 围 指 标 可 以 达 到 4GHz 用 户 无 法 通 过 改 变 任 何 设 置 来 改 变 这 个 滤 波 器 的 截 止 频 率 点 (2), 中 频 增 益 放 大 器 之 后 的 低 通 滤 波 器 在 纯 模 拟 的 频 谱 仪 示 意 图 中, 这 个 滤 波 器 一 般 就 是 中 频 滤 波 器 了, 但 在 基 于 全 数 字 中 频 的 频 谱 仪 中, 该 低 通 滤 波 器 是 为 了 过 滤 掉 混 频 器 输 出 得 到 的 镜 向 频 率 成 份 用 户 也 无 法 通 过 改 变 任 何 设 置 来 改 变 这 个 滤 波 器 的 截 止 频 率 点 (3), 视 频 滤 波 器 视 频 滤 波 器 的 作 用 就 有 点 像 在 示 波 器 中 的 带 宽 限 制, 就 是 对 输 入 的 信 号 进 行 了 低 通 滤 波 使 得 波 形 看 起 来 更 加 光 滑 一 些 视 频 滤 波 器 的 带 宽 在 频 谱 仪 中 标 识 为 VBW(Video BandWidth) 减 小 VBW 将 使 得 频 谱 仪 显 示 的 频 谱 的 旁 瓣 看 起 来 更 加 光 滑, 抑 制 了 随 机 噪 声, 可 以 提 高 小 信 号 的 测 量 精 度 在 频 谱 仪 的 操 作 中, 需 要 适 当 调 节 VBW 以 获 得 更 佳 测 量 结 果 这 是 一 个 常 用 的 设 置

(4), 数 字 方 式 实 现 的 中 频 滤 波 器 (IF Filter) 和 FFT 是 并 行 的 : 这 也 许 比 较 难 以 理 解 的 中 频 滤 波 器 及 其 带 宽 分 辨 率 带 宽 (RBW,Resolution BandWidth) 是 频 谱 仪 中 极 其 重 要 的 概 念 和 指 标 中 频 滤 波 器 是 一 个 带 通 滤 波 器 在 纯 模 拟 的 频 谱 仪 中 采 用 的 模 拟 滤 波 器, 分 辨 率 带 宽 和 形 状 因 子 都 很 难 做 到 很 小, 譬 如 模 拟 滤 波 器 的 RBW 一 般 从 100kHz 10MHz, 其 选 择 性 依 赖 于 滤 波 电 路 阶 数, 一 般 频 谱 仪 为 4 级 滤 波 电 路, 也 有 5 级 滤 波 电 路 的 产 品, 这 样 可 分 别 得 到 14 和 10 的 形 状 因 子 但 是 理 想 的 高 斯 滤 波 器 的 形 状 因 子 为 4.6, 不 能 用 模 拟 滤 波 器 实 现 基 于 全 数 字 中 频 技 术 的 频 谱 仪 采 用 数 字 方 式 实 现 中 频 滤 波 器, 可 以 获 得 更 灵 活 的 滤 波 器 形 状 因 子 和 更 小 的 分 辨 率 带 宽 鼎 阳 科 技 SSA3000X 的 最 小 分 辨 率 带 宽 只 有 10Hz 率 的 分 量 RBW 越 小, 可 以 分 辨 的 相 邻 两 个 频 率 的 间 隔 就 越 小, 譬 如 可 以 精 确 分 辨 出 100MHz 和 100.01MHz 两 种 频 RBW 越 小, 噪 声 带 宽 就 越 窄, 进 入 频 谱 分 析 仪 的 噪 声 就 越 小, 那 么 接 收 灵 敏 度 就 越 高, 频 谱 仪 测 量 到 的 本 底 噪 声 就 越 低 但 是,RBW 越 小, 频 谱 仪 的 扫 描 时 间 很 长, 此 时 切 换 为 FFT 的 方 式 进 行 滤 波, 测 量 速 度 更 快 FFT 的 物 理 意 义 就 是 窗 函 数 形 状 的 一 组 滤 波 器 对 输 入 信 号 进 行 滤 波, 滤 波 之 后 的 结 果 就 是 包 含 了 很 多 频 率 点 的 频 谱 因 此, 这 里 的 FFT 理 解 为 一 排 并 行 的 RBW 滤 波 器 ( 窗 函 数 ), 相 当 于 一 次 性 跨 了 N 个 频 点, 检 测 了 N 个 峰 值 所 以 FFT 比 单 纯 扫 频 理 论 上 快 N 倍 在 频 谱 仪 的 操 作 中, 需 要 适 当 调 节 RBW 以 获 得 更 佳 测 量 结 果 这 是 一 个 更 常 用 的 设 置 4, 一 个 基 本 时 钟 Ref 产 生 两 个 参 考 时 钟 :VCO 和 NCO 图 1 所 示 的 Ref 是 频 谱 仪 内 部 由 一 个 温 控 晶 振 (TCXO) 产 生 的 时 钟 信 号, 频 率 一 般 是 10MHz 这 是 频 谱 仪 的 心 脏 为 了 增 加 频 率 精 度 与 长 期 的 稳 定 性, 对 大 多 数 频 谱 仪 来 说, 广 泛 采 用 恒 温 控 制 晶 振 (OCXO) 可 以 从 频 谱 仪 后 面 板 REF OUT 得 到 该 参 考 时 钟 信 号, 也 可 以 应 用 外 部 时 钟 来 作 为 频 谱 仪 的 参 考 时 钟 该 参 考 时 钟 作 为 ADC 采 样 的 时 间 基 准, 同 时 作 为 模 拟 部 分 的 VCO 的 时 基 和 数 字 部 分 的 NCO 的 时 基 VCO 和 NCO 都

是 基 于 PLL 倍 频 技 术 将 10MHz 频 率 提 升 到 更 高 频 率 和 时 基 相 关 的 频 谱 仪 的 一 种 重 要 指 标 是 相 位 噪 声, 是 本 地 振 荡 器 Ref 短 时 间 稳 定 度 的 度 量 参 数 相 位 噪 声 通 常 是 以 一 个 单 载 波 的 幅 度 为 参 考, 并 偏 移 一 定 的 频 率 下 的 单 边 带 相 位 噪 声 这 个 数 值 是 指 在 1Hz 带 宽 下 的 相 对 噪 声 电 平, 故 其 单 位 为 dbc(1hz) 或 dbc/hz,c 指 的 是 载 波, 由 于 相 位 噪 声 电 平 比 载 波 电 平 低, 所 以 为 负 值 频 谱 分 析 仪 的 本 振 信 号 的 相 位 噪 声 经 过 混 频 器 混 频, 将 在 输 入 信 号 上 产 生 相 应 的 相 位 噪 声, 这 就 意 味 着 即 使 输 入 的 是 一 个 理 想 的 正 弦 信 号, 频 谱 仪 的 本 振 相 位 噪 声 也 将 在 显 示 的 谱 线 上 叠 加, 如 果 输 入 信 号 夹 带 相 位 噪 声 ( 实 际 上 常 有 这 种 情 况 ), 频 谱 仪 的 显 示 轨 迹 就 包 含 了 输 入 信 号 和 本 振 信 号 合 成 的 相 位 噪 声 本 振 的 相 位 噪 声 太 差, 在 输 入 信 号 邻 近 的 小 信 号 就 无 法 检 测 出 来 相 位 噪 声 主 要 影 响 频 谱 仪 的 分 辨 率 和 动 态 范 围 使 用 频 谱 仪 来 准 确 分 析 被 测 信 号 相 位 噪 声 条 件 : 频 谱 仪 的 相 位 噪 声 要 比 被 测 信 号 的 相 位 噪 声 明 显 好 很 多 为 了 测 试 频 谱 分 析 仪 的 相 位 噪 声 指 标, 必 须 用 一 个 相 位 噪 声 比 频 谱 仪 相 位 噪 声 好 得 多 的 源 来 测 试 鼎 阳 科 技 SSA3000X 的 相 位 噪 声 <-98dBc/Hz, 在 10KHz 偏 移 处 5, 检 波 器 : 全 数 字 中 频 的 实 现 方 式 和 模 拟 电 路 实 现 方 式 大 不 一 样 输 入 信 号 幅 度 的 信 息 包 含 在 中 频 信 号 的 幅 度 中, 通 过 使 用 模 拟 或 者 数 字 滤 波 器, 在 滤 除 高 的 中 频 信 号 之 后, 可 以 得 到 中 频 信 号 的 包 络, 如 图 8 所 示 图 8 模 拟 频 谱 仪 中 的 检 波 器 的 实 现 现 代 频 谱 仪 使 用 液 晶 显 示 器 来 代 替 阴 极 射 线 管 来 显 示 记 录 频 谱, 相 应 地, 幅 度 和 频 率 显 示 的 分 辨 率 都 受 到 限 制 幅 度 分 辨 率 的 限 制 可 用 曲 线 处 理 来 弥 补, 这 样 即 可 在 很 高 分 辨 率 的 情 况 下 来 确 定 幅 度 特 别 当 显 示 大 的 频 率 跨 度 时, 一 个 象 素 点 包 含 了 相 对 较 大 子 段 的 频 谱 信 息, 由 于 频 谱 仪 第 一 级 本 振 的 调 整 步 长 取 决 于 分 辨 率 带 宽, 这 样 多 个 取 样 点 ( 测 试 结 果 值 ) 会 落 在 一 个 象 素 点 上, 象 素 点 显 示 什 么 样 的 数 值 取 决 于

检 波 器 的 检 波 方 式 举 个 例 子, 当 测 试 100MHz~3.1GHz 的 频 谱 时,RBW 等 于 10MHz, 频 率 跨 度 为 3GHz, 频 谱 仪 只 显 示 300 点, 实 际 上 一 个 显 示 点 ( 象 素 点 ) 代 表 了 10MHz 信 号 带 宽 内 的 频 谱 假 设 本 振 以 RBW/10 为 步 进, 那 么 每 10MHz 带 宽 的 输 入 信 号 测 试 了 10 次, 在 整 个 带 宽 内 一 共 测 试 了 3000 次, 中 心 频 率 分 别 为 110MHz 120MHz,130MHz, 3.1GHz, 但 是 显 示 点 只 有 300 个, 那 么 一 个 显 示 点 代 表 这 10MHz 频 带 内 的 10 次 测 量 结 果 值, 到 底 代 表 哪 一 次 或 者 哪 几 次 结 果 的 合 成 就 由 检 波 器 来 决 定 因 此, 数 字 方 式 的 检 波 就 是 采 用 一 定 的 算 法 从 N 个 样 本 点 之 间 产 生 1 个 样 本 点, 上 例 中 就 是 从 10 个 样 本 点 中 产 生 1 个 样 本 点 目 前 这 些 算 法 有 7 种, 如 图 9 所 示 : 图 9 检 波 器 的 多 种 检 波 算 法 1 最 大 峰 值 检 波 器 : 从 分 配 到 每 个 像 素 点 的 取 样 点 中 取 一 个 最 高 电 平 并 显 示 出 来, 如 上 例, 将 第 9 个 点 和 第 13 个 点 的 测 试 结 果 值 显 示 出 来, 其 它 的 无 效 2 最 小 峰 值 检 波 器 : 从 分 配 到 每 个 像 素 点 的 取 样 点 中 取 一 个 最 小 电 平 并 显 示 出 来, 如 上 例, 将 第 5 个 点 和 第 17 个 点 的 测 试 结 果 值 显 示 出 来, 其 它 的 无 效 3 自 动 峰 值 检 波 : 同 时 显 示 最 高 电 平 和 最 小 电 平, 两 点 之 间 用 垂 线 相 连

4 取 样 检 波 : 从 分 配 到 每 个 像 素 点 的 取 样 点 中 取 固 定 位 置 的 电 平 并 显 示 出 来, 如 图, 将 第 1 个 点 和 第 11 个 点 的 测 试 结 果 值 显 示 出 来, 其 它 的 无 效 在 频 率 跨 度 远 远 大 于 RBW 的 情 况 下, 输 入 信 号 将 不 再 被 可 靠 检 测 5 RMS 检 波 器 ( 均 方 根 ): 计 算 分 配 到 每 个 像 素 点 的 所 有 取 样 值 的 均 方 根 值, 结 果 为 像 素 点 对 应 频 宽 内 的 信 号 功 率 在 RMS 计 算 时, 包 络 的 取 样 值 要 求 采 用 线 性 值 来 计 算 6 平 均 值 检 波 : 计 算 分 配 到 每 个 像 素 点 所 有 取 样 点 的 线 性 平 均 值 7 准 峰 值 检 波 : 这 是 一 种 用 于 干 扰 测 量 应 用 并 定 义 了 充 放 电 时 间 的 峰 值 检 波 器, 用 于 EMC 方 面 的 测 试 6, 容 易 引 起 误 解 的 词 : 超 外 差 的 超, 中 频 滤 波 器 的 中 频, 视 频 滤 波 器 的 视 频, 对 数 放 大 器 的 对 数 频 谱 仪 的 很 多 专 业 词 语, 从 字 面 上 理 解 起 来 很 费 劲 例 如 超 外 差 为 什 么 叫 超? 中 频 滤 波 器 为 什 么 叫 中 频? 视 频 滤 波 器 为 什 么 视 频? 对 数 放 大 器 为 什 么 是 对 数? 外 差 就 是 混 频 的 一 种 说 法, 加 个 超 字 是 指 超 音 频 频 率 或 高 于 音 频 的 频 繁 范 围 不 清 楚 为 什 么 频 谱 仪 早 前 是 和 音 频 频 率 相 关 联 的 中 频 是 指 一 种 中 间 频 率 的 信 号 形 式 中 频 是 相 对 于 基 带 信 号 和 射 频 信 号 来 讲 的, 中 频 可 以 有 一 级 或 多 级, 它 是 基 带 和 射 频 之 间 过 渡 的 桥 梁 视 频 滤 波 器 实 质 是 一 个 低 通 过 滤 波 器, 但 在 传 统 纯 模 拟 的 频 谱 仪 中, 滤 波 之 后 的 信 号 直 接 送 给 显 示, 该 滤 波 器 决 定 了 驱 动 显 示 器 垂 直 偏 转 系 统 的 视 频 电 路 带 宽 可 能 是 因 此 将 这 个 滤 波 器 称 为 视 频 滤 波 器 对 数 放 大 器, 前 面 已 经 说 明, 传 统 上 采 用 对 数 放 大 器 这 样 的 模 拟 器 件 实 现 量 纲 转 换, 现 在 只 是 数 字 方 式 实 现 上 的 一 个 简 单 的 算 术 表 达 式 了

欢 迎 交 流 : 如 果 您 想 和 本 文 作 者 进 行 进 一 步 的 技 术 交 流, 敬 请 发 送 电 子 邮 件 到 specialist@hwthinktank.com 如 果 您 想 要 本 篇 文 章 的 PDF, 请 直 接 在 微 信 对 话 框 中 回 复 您 的 电 子 邮 箱 地 址, 工 作 人 员 将 在 两 个 工 作 日 内 发 送 本 文 的 PDF 版 本 给 您 版 权 声 明 : 本 微 信 所 有 文 章 皆 为 鼎 阳 硬 件 设 计 与 测 试 智 库 专 家 呕 心 沥 血 之 原 创 希 望 我 们 的 经 验 总 结 能 够 帮 助 到 更 多 的 硬 件 人, 欢 迎 转 载! 我 们 鼓 励 分 享, 但 也 坚 决 捍 卫 我 们 的 权 益 引 用 请 注 明 出 处 鼎 阳 硬 件 设 计 与 测 试 智 库 微 信 号 (SiglentThinkTank) 鼎 阳 硬 件 设 计 与 测 试 智 库 将 保 留 追 究 文 章 非 法 盗 用 者 法 律 责 任 的 权 利! 关 于 鼎 阳 鼎 阳 科 技 (SIGLENT) 是 一 家 专 注 于 通 用 电 子 测 试 测 量 仪 器 及 相 关 解 决 方 案 的 公 司 从 2005 推 出 第 一 款 数 字 示 波 器 产 品 至 今,10 年 来 鼎 阳 科 技 一 直 是 全 球 发 展 速 度 最 快 的 数 字 示 波 器 制 造 商 历 经 多 年 发 展, 鼎 阳 产 品 已 扩 展 到 数 字 示 波 器 手 持 示 波 表 函 数 / 任 意 波 形 发 生 器 频 谱 分 析 仪 台 式 万 用 表 直 流 电 源 等 通 用 测 试 测 量 仪 器 产 品 2007 年, 鼎 阳 与 高 端 示 波 器 领 导 者 美 国 力 科 建 立 了 全 球 战 略 合 作 伙 伴 关 系 2011 年, 鼎 阳 发 展 成 为 中 国 销 量 领 先 的 数 字 示 波 器 制 造 商 2014 年, 鼎 阳 发 布 了 中 国 首 款 智 能 示 波 器 SDS3000 系 列, 引 领 人 手 一 台 型 实 验 室 使 用 示 波 器 由 功 能 示 波 器 向 智 能 示 波 器 过 渡 的 趋 势 目 前, 鼎 阳 已 经 在 美 国 克 利 夫 兰 和 德 国 汉 堡 成 立 分 公 司, 产 品 远 销 全 球 70 多 个 国 家,SIGLENT 正 逐 步 成 为 全 球 知 名 的 测 试 测 量 仪 器 品 牌 关 于 鼎 阳 硬 件 设 计 与 测 试 智 库 鼎 阳 硬 件 设 计 与 测 试 智 库 ( 简 称 鼎 阳 硬 件 智 库 ) 由 深 圳 市 鼎 阳 科 技 有 限 公 司 领 衔 创 办, 是 中 国 第 一 家 智 力 众 筹 模 式 的 硬 件 智 库 鼎 阳 硬 件 智 库 顺 时 顺 势, 倡 导 连 接 - 分 享 - 协 作 - 创 造 的 理 念, 高 举 志 愿 者 服 务 的 大 旗, 相 信 互 联 网 是 爱 的 大 本 营, 相 信 人 们 都 有 发 自 内 心 分 享 的 愿 望 鼎 阳 硬 件 智 库 选 择 硬 件 领 域 最 普 遍 的 七 类 问 题 : 电 源, 时 钟,DDR, 低 速 总 线, 高 速 总 线,EMC, 测 试 测 量 进 行 聚 焦 寻 找 最 针 尖 的 问 题 进 行 研 讨, 针 对 最 针 尖 的 问 题 组 织 专 家 答 疑, 将 硬 件 大 师 积 累

的 宝 贵 知 识 和 经 验 变 成 公 众 财 富, 惠 及 更 多 硬 件 人 鼎 阳 硬 件 智 库 的 运 作 载 体 包 括 线 上 的 微 信 公 众 号 分 享, 微 信 群, 网 站, 网 络 社 区 论 坛, 博 客, 邮 件 群 等 多 种 互 联 网 工 具 和 线 下 的 专 家 论 坛 和 专 家 把 脉 线 上 的 分 享 坚 持 原 创, 坚 持 干 货, 保 持 专 注 和 深 耕 线 下 专 家 论 坛 邀 请 硬 件 相 关 的 一 线 实 战 派 专 家 分 享 最 干 货 的 硬 件 设 计 与 测 试 知 识 与 经 验, 面 对 面 相 互 研 讨 ; 线 下 的 专 家 把 脉, 通 过 大 数 据 连 接, 促 使 具 体 问 题 和 最 熟 悉 这 个 具 体 问 题 的 专 家 精 准 匹 配, 远 程 问 诊 和 现 场 解 决 问 题 相 结 合 鼎 阳 硬 件 智 库, 群 策 群 力, 连 接 所 有 硬 件 人 有 硬 件 问 题, 找 鼎 阳 硬 件 智 库