一種手持式頻譜分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 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)量中必不可少的測(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(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)便捷式頻譜儀產(chǎn)品還十分罕見。手持式頻譜儀最初的設(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，是頻譜分析儀必不可少的核心部件之一。
    (3)檢波器用于檢測(cè)分辨器帶寬內(nèi)的信號(hào)能量，是頻譜分析儀必不可少的核心部件之一。
    (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)，是頻譜分析儀不可或缺的重要功能組件。
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250 kHz～2．7 GHz，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20 MHz)，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，完全可以進(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21．4 MHz，帶寬選擇3 MHz。
    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)，第一中頻4 021．4 MHz，第二中頻821．4 MHz，第三中頻21．4MHz，這樣選擇的目的是第三混頻需要的800 MHz本振可以由第二混頻需要的3．2 GHz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)0～60 dB、步進(jìn)10 dB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～+30 dBm)。

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190 mm×100 mm×60 mm，功耗約12 W，其主要性能指標(biāo)如下：
    (1)頻率范圍：250 kHz～2．7 GHz；
    (2)分辨率帶寬：30 Hz～1 MHz(1，3步進(jìn))；
    (3)視頻帶寬：10 Hz～1 MHz(1，3步進(jìn))；
    (4)掃寬設(shè)置：零掃寬，100 Hz～2．7 GHz；
    (5)平均顯示噪聲電平(DANL，RBW：30 Hz，VBW：10 Hz下)；
    250 kHz～1 MHz：<-100 dBm，1 MHz～2．7 GHz：<-120 dBm；
    (6)測(cè)量范圍：DANL～+30dBm；
    (7)單邊帶相位噪聲：-80 dBc／Hz@20 kHz，1 GHz
    (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。