一種手持式頻譜分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　引言
　　
　　頻譜分析儀有“微波工程師的萬用表”之稱，能對(duì)信號(hào)的鑿波分量、寄生、交調(diào)、噪聲邊帶等進(jìn)行很直觀的測(cè)量和分析，是微波測(cè)量中*的測(cè)量?jī)x器之一。長(zhǎng)期以來，由于傳統(tǒng)臺(tái)式頻譜儀價(jià)格昂貴，且國內(nèi)對(duì)微波的應(yīng)用主要集中在雷達(dá)、電子對(duì)抗、空間技術(shù)、衛(wèi)星地面站、EMC測(cè)試等領(lǐng)域，造成頻譜儀的普及率不高。近年來，隨著通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是3G時(shí)代的到來，越來越多的野外作業(yè)需要頻譜儀的支持，在這種形勢(shì)下，傳統(tǒng)頻譜儀龐大的身軀、昂貴的價(jià)格日益制約著其應(yīng)用的擴(kuò)展，國外各儀器廠家安捷倫、R&S、安立等紛紛推出自己的便捷式頻譜儀產(chǎn)品，但在國內(nèi)便捷式頻譜儀產(chǎn)品還十分罕見。手持式頻譜儀zui初的設(shè)計(jì)構(gòu)想正是基于上述需求形勢(shì)提出來的。
　　
　　1、全模擬頻譜儀方案簡(jiǎn)介
　　
　　現(xiàn)代寬頻頻譜儀大都采用掃頻超外差式接收方案，全模擬超外差式頻譜分析儀簡(jiǎn)化原理框圖如圖1所示。　　
　　圖1所示的頻譜儀采用掃頻方式工作：中頻濾波器組由多個(gè)中心頻率相同、帶寬不同的濾波器組成，通過不斷改變掃頻本振信號(hào)的頻率，混頻器就可以使不同頻率的輸入信號(hào)依次落到中頻濾波器通帶范圍內(nèi)，從而完成對(duì)整個(gè)頻段信號(hào)的頻譜分析。
　　
　　2、一種手持式頻譜儀的方案設(shè)計(jì)
　　
　　2．1全模擬頻譜儀方案的啟示
　　
　　全模擬方式頻譜儀方案很好地詮釋了頻譜儀的基本組成，如圖2所示。　　
　　（1）由掃頻本振和混頻器構(gòu)成的超外差接收組件，將寬帶輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻窄帶信號(hào)，便于后續(xù)電路的進(jìn)一步分析處理。
　　
　　（2）中頻濾波器組由一系列帶通（或低通濾波器）組成，不同的濾波器帶寬決定了不同的頻率分辨率，用于實(shí)現(xiàn)頻譜儀的分辨率帶寬，是頻譜分析儀*的核心部件之一。
　　
　　（3）檢波器用于檢測(cè)分辨器帶寬內(nèi)的信號(hào)能量，是頻譜分析儀*的核心部件之一。
　　
　　（4）視頻濾波器由一系列低通濾波器組成，用于濾除檢波后的頻譜信息的高頻分量，可以改善頻譜顯示的視覺效果，是頻譜儀的重要組件之一。
　　
　　（5）頻譜顯示器件是頻譜儀顯示頻譜分析結(jié)果的平臺(tái)，是頻譜分析儀*的重要功能組件。
　　
　　2．2一種手持式頻譜儀的方案設(shè)計(jì)
　　
　　手持式頻譜儀設(shè)計(jì)首先需要解決的是體積問題，解決該問題的根本途徑是：功能組件盡量數(shù)字化。
　　
　　手持式頻譜分析儀頻率范圍250kHz～2．7GHz，在圖2所示的頻潛儀核心組成框圖中，受A／D采樣器和采樣帶寬的限制，超外差接收組件仍需采用模擬（微波）電路設(shè)計(jì)。
　　
　　超外差接收后的信號(hào)是中頻信號(hào)已經(jīng)是窄帶信號(hào)（帶寬小于20MHz），通過合理選擇該信號(hào)的中心頻率和帶寬，以目前的器件水平，*可以進(jìn)行A／D采樣。在手持式頻譜儀設(shè)計(jì)中，中頻信號(hào)中心頻率選擇為21．4MHz，帶寬選擇3MHz。
　　
　　這樣分辨率帶寬濾波、視頻濾波等均可采用數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)，由于手持式頻譜儀具有11檔分辨率帶寬、10檔視頻帶寬，采用模擬方式實(shí)現(xiàn)需要設(shè)計(jì)21個(gè)濾波器（其中部分濾波器的設(shè)計(jì)十分困難），采用數(shù)字信號(hào)處理后，只需要一片F(xiàn)PGA芯片即可，極大地節(jié)省了體積。一種手持式頻譜儀的設(shè)計(jì)方案如圖3所示。　　
　　下面分別介紹核心部什——超外差接收組件的設(shè)計(jì)。
　　
　　2．3超外差接收組件設(shè)計(jì)
　　
　　超外差接收組件是手持式頻譜儀的核心組件，其性能直接決定了頻譜儀的相噪、雜散、本底噪聲等性能指標(biāo)，超外差接收組件的組成框圖如圖4所示。　　
　　組件采用三級(jí)混頻方式實(shí)現(xiàn)，*中頻4021．4MHz，第二中頻821．4MHz，第三中頻21．4MHz，這樣選擇的目的是第三混頻需要的800MHz本振可以由第二混頻需要的3．2GHz本振4分頻產(chǎn)生，從而減少了本振數(shù)量，降低了體積。
　　
　　輸入衰減器是一個(gè)0～60dB、步進(jìn)10dB的大功率射頻衰減器用于實(shí)現(xiàn)手持式頻譜儀的測(cè)量范圍（-120～+30dBm）。
　　
　　3、主要性能指標(biāo)
　　
　　目前上述方案設(shè)計(jì)的手持式頻譜儀原理樣機(jī)已研制成功，在總參某項(xiàng)目中獲得應(yīng)用，核心部分體積只有190mm×100mm×60mm，功耗約12W，其主要性能指標(biāo)如下：
　　
　　（1）頻率范圍：250kHz～2．7GHz；
　　
　　（2）分辨率帶寬：30Hz～1MHz（1，3步進(jìn)）；
　　
　　（3）視頻帶寬：10Hz～1MHz（1，3步進(jìn)）；
　　
　　（4）掃寬設(shè)置：零掃寬，100Hz～2．7GHz；
　　
　　（5）平均顯示噪聲電平（DANL，RBW：30Hz，VBW：10Hz下）；
　　
　　250kHz～1MHz：<-100dBm，1MHz～2．7GHz：<-120dBm；
　　
　　（6）測(cè)量范圍：DANL～+30dBm；
　　
　　（7）單邊帶相位噪聲：-80dBc／Hz@20kHz，1GHz
　　
　　（8）輸入駐波比：<1．5：1。
　　
　　4、結(jié)束語
　　
　　由以上介紹可見，該手持式頻譜儀體積小、功耗低，達(dá)到了較高的技術(shù)性能，可滿足一般微波測(cè)量的需求，有望在微波通信網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)、電子對(duì)抗、空間技術(shù)、衛(wèi)星地面站、EMC測(cè)試等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。