現(xiàn)代頻譜儀基本架構(gòu)

不同的測量種類，對頻譜分析儀的最大輸入頻率有不同的要求。

頻譜儀的輸入頻率范圍可分為：

AF range: ~1MHz

RF range: ~3GHz

microwave range:~40GHz

millimeter-wave range:>40GHz

可以采用不同的基本概念來實現(xiàn)頻譜儀，進(jìn)而適應(yīng)不同的頻率范圍要求。

其中傅立葉分析儀（FFT分析儀）和超外差頻譜分析儀是其中兩種主要的概念。

今天就詳細(xì)來說說超外差架構(gòu)的頻譜分析儀。

FFT分析儀的架構(gòu)如下圖所示，在經(jīng)過低通濾波器后，輸入信號即進(jìn)入到ADC轉(zhuǎn)換器的輸入端：

FFT的頻率范圍主要取決于ADC的工作范圍，現(xiàn)代ADC的轉(zhuǎn)換帶寬有限，所以FFT分析儀主要適用于低頻信號的測量。

為了測量射頻微波，甚至毫米波范圍的頻率信號，需要使用具有頻率轉(zhuǎn)換功能的分析儀，即基于超外差接收機的頻譜儀。

在進(jìn)行頻譜分析前，需要將輸入信號頻譜分解為多個組成部分，分別進(jìn)行解析。

為了實現(xiàn)這個目的，有兩種方法：

在射頻端實現(xiàn)

如下圖所示的射頻可調(diào)諧帶通濾波器可以實現(xiàn)這一目的。濾波器的帶寬與頻譜分析儀的分頻率帶寬(RBW)相對應(yīng)，RBW越小，頻譜儀的頻率分辨率越高。

但是，想在整個頻率范圍內(nèi)，實現(xiàn)可調(diào)諧的窄帶帶通濾波器，在技術(shù)上是難以實現(xiàn)的。

而且，退一萬步講，即使整個帶寬內(nèi)都能實現(xiàn)，比如能實現(xiàn)5%的相對帶寬，那也會產(chǎn)生問題。

當(dāng)相對帶寬為5%時，中心頻率是100MHz時，濾波器的絕對帶寬為5MHz；當(dāng)中心頻率是10GHz時，濾波器的絕對帶寬增大到500MHz。也就是說，濾波器的相對帶寬固定的情況下，其絕對帶寬會隨著中心頻率的升高而增加。

此時，頻率分辨率就降為很低。

所以這種方法不適應(yīng)于頻譜儀。

在中頻端實現(xiàn)

如下圖所示。通過混頻器，將輸入信號轉(zhuǎn)換為低頻率的中頻信號，改變本振的頻率，來實現(xiàn)固定的中頻頻率范圍，即通過超外差接收機架構(gòu)的頻譜儀實現(xiàn)。

也就是說，通過頻率可變的本振信號，來將不同頻率的輸入信號變頻到固定頻率的中頻信號，然后在中頻端有一個固定中心頻率的窄帶濾波器對信號進(jìn)行濾波。

頻譜儀的頻率分辨率則由中頻濾波器的帶寬決定。

該窄帶濾波器的中心頻率固定，所以就避免了射頻調(diào)諧濾波器的絕對帶寬會隨著中心頻率升高而變大的問題。

所以，現(xiàn)代頻譜儀上一般都是采用這種設(shè)計理念。

為了使寬電平范圍的信號同時在屏幕上顯示，采用一個對數(shù)放大器對中頻信號進(jìn)行壓縮處理，并確定包絡(luò)線。

由此產(chǎn)生的信號被稱為視頻信號(videosignal)，然后該視頻信號再經(jīng)過視頻濾波器(videofilter)，濾除噪聲，并被平滑化，再顯示在屏幕上。

該視頻濾波器一般是一個可調(diào)的低通濾波器。

隨著ADC轉(zhuǎn)換器的發(fā)展和數(shù)字信號處理計數(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代的頻譜儀往往會在鏈路中一個合適的節(jié)點處，對信號進(jìn)行采樣，將信號數(shù)字化，然后通過DSP對信號進(jìn)行快速的數(shù)字信號處理，而且這個采樣的節(jié)點越來越靠近輸入端，即融合FFT分析儀的概念。

本振信號不再像以前的超外差接收機那樣，借助于模擬鋸齒信號進(jìn)行調(diào)諧，取而代之的是，通過鎖相環(huán)實現(xiàn)。

并且使用LC顯示器來代替以前的陰極射線管來實現(xiàn)平面顯示。

現(xiàn)代頻譜儀通常提供以下基本參數(shù)的設(shè)置，如下圖所示：

?頻率顯示范圍（Frequency display range）

要顯示的頻率范圍可以通過起始和停止頻率（即要顯示的最小和最大頻率）來設(shè)置；也可以通過中心頻率和SPAN來設(shè)置。

電平顯示范圍（Level display range）

這個范圍是借助于要顯示的最大電平（參考電平）和跨度來設(shè)置的。下圖所示中，參考電平為0 dBm，跨度為100 dB。

頻率分辨率（Frequency resolution）

基于超外差接收機的頻譜儀，頻率分辨率是通過中頻濾波器的帶寬設(shè)置的。頻率分辨率被稱為分辨率帶寬（RBW）。

掃頻時間（僅適用于按外差法原理操作的分析儀，Sweep time）

掃描整個感興趣的頻譜所需的時間稱為掃頻時間。

參考文獻(xiàn)：Christoph Rauscher，F(xiàn)undamentals of Spectrum Analysis