现代频谱仪基本架构

不同的测量种类，对频谱分析仪的最大输入频率有不同的要求。

频谱仪的输入频率范围可分为：

AF range: ~1MHz

RF range: ~3GHz

microwave range:~40GHz

millimeter-wave range:>40GHz

可以采用不同的基本概念来实现频谱仪，进而适应不同的频率范围要求。

其中傅立叶分析仪（FFT分析仪）和超外差频谱分析仪是其中两种主要的概念。

今天就详细来说说超外差架构的频谱分析仪。

FFT分析仪的架构如下图所示，在经过低通滤波器后，输入信号即进入到ADC转换器的输入端：

FFT的频率范围主要取决于ADC的工作范围，现代ADC的转换带宽有限，所以FFT分析仪主要适用于低频信号的测量。

为了测量射频微波，甚至毫米波范围的频率信号，需要使用具有频率转换功能的分析仪，即基于超外差接收机的频谱仪。

在进行频谱分析前，需要将输入信号频谱分解为多个组成部分，分别进行解析。

为了实现这个目的，有两种方法：

• 在射频端实现

如下图所示的射频可调谐带通滤波器可以实现这一目的。滤波器的带宽与频谱分析仪的分频率带宽(RBW)相对应，RBW越小，频谱仪的频率分辨率越高。

但是，想在整个频率范围内，实现可调谐的窄带带通滤波器，在技术上是难以实现的。

而且，退一万步讲，即使整个带宽内都能实现，比如能实现5%的相对带宽，那也会产生问题。

当相对带宽为5%时，中心频率是100MHz时，滤波器的绝对带宽为5MHz；当中心频率是10GHz时，滤波器的绝对带宽增大到500MHz。也就是说，滤波器的相对带宽固定的情况下，其绝对带宽会随着中心频率的升高而增加。

此时，频率分辨率就降为很低。

所以这种方法不适应于频谱仪。

• 在中频端实现

如下图所示。通过混频器，将输入信号转换为低频率的中频信号，改变本振的频率，来实现固定的中频频率范围，即通过超外差接收机架构的频谱仪实现。

也就是说，通过频率可变的本振信号，来将不同频率的输入信号变频到固定频率的中频信号，然后在中频端有一个固定中心频率的窄带滤波器对信号进行滤波。

频谱仪的频率分辨率则由中频滤波器的带宽决定。

该窄带滤波器的中心频率固定，所以就避免了射频调谐滤波器的绝对带宽会随着中心频率升高而变大的问题。

所以，现代频谱仪上一般都是采用这种设计理念。

为了使宽电平范围的信号同时在屏幕上显示，采用一个对数放大器对中频信号进行压缩处理，并确定包络线。

由此产生的信号被称为视频信号(videosignal)，然后该视频信号再经过视频滤波器(videofilter)，滤除噪声，并被平滑化，再显示在屏幕上。

该视频滤波器一般是一个可调的低通滤波器。

随着ADC转换器的发展和数字信号处理计数的发展，现代的频谱仪往往会在链路中一个合适的节点处，对信号进行采样，将信号数字化，然后通过DSP对信号进行快速的数字信号处理，而且这个采样的节点越来越靠近输入端，即融合FFT分析仪的概念。

本振信号不再像以前的超外差接收机那样，借助于模拟锯齿信号进行调谐，取而代之的是，通过锁相环实现。

并且使用LC显示器来代替以前的阴极射线管来实现平面显示。

现代频谱仪通常提供以下基本参数的设置，如下图所示：

•  频率显示范围（Frequency display range）
  

要显示的频率范围可以通过起始和停止频率（即要显示的最小和最大频率）来设置；也可以通过中心频率和SPAN来设置。

• 电平显示范围（Level display range）

这个范围是借助于要显示的最大电平（参考电平）和跨度来设置的。下图所示中，参考电平为0 dBm，跨度为100 dB。

•  频率分辨率（Frequency resolution）

基于超外差接收机的频谱仪，频率分辨率是通过中频滤波器的带宽设置的。频率分辨率被称为分辨率带宽（RBW）。

•  扫频时间（仅适用于按外差法原理操作的分析仪，Sweep time）

扫描整个感兴趣的频谱所需的时间称为扫频时间。

参考文献：Christoph Rauscher，Fundamentals of Spectrum Analysis