頻譜儀中不同頻率范圍的RF前端的設計

在頻譜儀基礎（二）講述了高低中頻的選擇，對于9kHz到7GHz信號前端處理，我們需要分段進行處理，9kHz到3GHz信號采用高中頻的方式，3GHz到7GHz采用低中頻的方式直接將信號頻譜搬移到低中頻。

1.9kHz到3GHz信號前端處理

在圖1所示中，第一個IF設置為3476.4MHz。將輸入頻率范圍從9kHz到3GHz的輸入信號通過上變頻轉換到頻率為3476.4MHz，所以LO信號⑤必須在3476.40MHz~6476.4MHz的頻率范圍內(nèi)進行掃頻或者調頻。根據(jù)公式，鏡像頻率范圍為6952.809MHz~9952.8MHz。

圖1 第一級混頻電路

對于9kHz~3GHz的第一級混頻，LO信號⑤頻率范圍3476.40MHz~6476.4MHz可變，同時根據(jù)傅里葉變換可知，兩個信號時域相乘，頻域是相卷積，即LO信號上任何的干擾都會毫無保留的出現(xiàn)在輸出頻譜上，所以LO信號不僅僅需要超寬的頻率范圍，也需要相對低的相位噪聲以及諧波。

為滿足這些指標，實現(xiàn)LO的方式有三種：YIG 振蕩器、VCO（壓控振蕩器）、PLL+VCO。

1.YIG 振蕩器：通常被用作LO，其利用磁場來改變振蕩器的頻率；

2.VCO（壓控振蕩器）：VCO的特點是有一個更小的可變范圍與YIG振蕩器相比，VCO可以比YIG振蕩器調諧快得多。

3.PLL+VCO：PLL利用外部輸入的參考信號控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號的頻率和相位，與VCO配合輸出更寬LO頻率。

在頻譜儀中，最為常用就是PLL+VCO構架產(chǎn)生LO信號。為了提高頻譜的頻率精度，本振LO采用PLL技術，通過一個鎖相環(huán)（PLL）將輸入信號鎖定到一個參考信號上（系統(tǒng)的參考時鐘）。但是采用PLL的方式，輸出信號并不是連續(xù)可調，而是步進調節(jié)設置，同時步進調節(jié)設置依賴于頻譜儀設置的分辨率帶寬（RBW），因此較小分辨率帶寬（RBW）需要PLL較小的調諧步進。否則，輸出信號不能覆蓋整個掃頻范圍，而且會造成功率誤差。如圖2所示，左圖表示，PLL的步進調節(jié)遠大于分辨率帶寬，這導致在掃頻時，步進跳轉過大導致輸入信號混頻后沒有進入到中頻濾波器的帶內(nèi)，造成信號的丟失。右圖表示，PLL的步進調節(jié)大于分辨率帶寬，這導致在掃頻時，步進跳轉不合理導致輸入信號混頻后沒有進入到中頻濾波器的通帶內(nèi)，造成信號的功率誤差，為了避免以上兩種錯誤，其PLL的設置的步長遠低于分辨率（RBW），在實際設計，PLL的調節(jié)步進應該小于0.1·RBW（1/10），比如頻譜儀設置的RBW為10kHz，那么LO輸出的頻率步進應該是小于1KHz的，但是在設計LO時，可以考慮LO電路的步進根據(jù)RBW設置進行分段調節(jié)。

圖2 PLL步進和分辨率帶寬

對于LO的參考信號，通常由一個溫度控制的晶體振蕩器（TCXO）產(chǎn)生。為了提高頻率精度和長期性穩(wěn)定性，（OCXO） 振蕩器可作為大多數(shù)頻譜儀的參考時鐘。同時為了保持與其他測量儀器同步以及板內(nèi)源同步，參考信號（通常采用10MHz）可由輸入連接器（BNC接口）輸入或是采用板內(nèi)的參考時鐘。需要與其他測量儀器同步測試時，采用外部參考時鐘和外部觸發(fā)測量即可。

經(jīng)過了第一級混頻之后，IF1中頻輸出為3476.4MHz，對于這個信號直接采集，所要付出的代價太大，所以我們需要將IF1中頻信號再通過下變頻至低頻IF2進行采集，如10.7MHz、20.4MHz。這樣的就減少了對ADC的采樣率的要求。如圖3所示，試想一下，如果直接將IF1中頻3476.4MHz下變頻至20.4MHz，是否可以。理論上是可以實現(xiàn)的，此時LO頻率采用3456MHz，那么IF2=20.4MHz，鏡像頻率為3435.6MHz，這里就會出現(xiàn)一個問題，IF1和鏡像信號頻率之差只有2*20.4=40.8MHz，為了抑制鏡像的干擾，所需要的BPF（帶通濾波器）的帶寬就非常窄、中心頻率高，同時帶外對鏡像抑制又要非常的強，實際設計實現(xiàn)是比較復雜的。同時由于第一級Mixer的各個端口的隔離度是有限的，那么RF和LO是會泄露到IF1中的，所以直接下變頻至20.4MHz，對中頻濾波器⑧設計提出了挑戰(zhàn)。

圖3 二級下變頻至第中頻IF2

由于IF1=3476.4MHz信號頻率高，如果IF2=20.4MHz，需要一個極復雜的濾波器來完成對鏡像信號的抑制，中頻濾波器⑧需要非常陡峭的帶外抑制。如圖4所示，因此，將IF1下變頻到IF2時，IF2可以采用相對高的頻率，如404.4MHz。若中頻IF2=404.4MHz，一個固定的LO信號（二級本振） 為3072MHz，鏡像頻率為2667.6MHz。那么，鏡像抑制的中頻濾波器⑧就很容易實現(xiàn)了。同時帶通濾波器的帶寬足夠大，IF1信號不會受損 （即使是對于最大分辨率的帶寬）。同時減少總噪聲，在二次變頻時，對輸入信號被放大⑦，放大器的增益可以根據(jù)第二級Mixer的-1dB壓縮點合理設置。

圖4 9KHz~3GHz鏈路

2.3GHz到7GHz信號前端處理經(jīng)過低頻段鏈路的分析，對于高頻段分析也具備了一定的基礎，3GHz~7GHz頻率段，可以直接將輸入信號直接轉換為固定低IF，使用帶通濾波器抑制鏡像干擾，此時只要本地振蕩器頻率范圍滿足下變頻要求即可。如圖5所示，3GHz到7GHz信號前端鏈路。

圖5 3GHz到7GHz信號前端鏈路

在鏈路中，頻譜分析儀的頻率范圍是從3GHz到7GHz。經(jīng)過衰減器后，輸入信號為由雙工器（19） 將輸入信號分成9kHz至3GHz和3GHz的到7GHz，并應用于相應的射頻前端。在高頻部分，信號通過YIG濾波器之后進入到一級混頻器當中，YIG濾波器的中心頻率對應是此時輸入信號的頻率，比如輸入4.5GHz，那么該YIG濾波器的中心為4.5GHz，同時YIG濾波器除了中心頻率可調以外，其還具有非常窄的帶寬。前文中，假設直接下變頻至低中頻20.4MHz，那么對于混頻器輸入端的帶通濾波器而言，濾波器結構比較復雜。同樣的對于高頻段的鏈路，直接下變頻至20.4MHz，依然會面臨這個問題，YIG無法提供如此窄的帶寬。所以，高頻段IF可以采用相對高的頻率，如404.4MHz。這樣YIG濾波器能夠滿足抑制鏡像的功能。所以中頻可以采用404.4MHz，此時LO的頻率范圍為：2595.6MHz~ 6595.6 MHz或者3404.4 MHz~7404.4 MHz如果通過軟件來完成對兩種轉換之間切換，就可以在只用一個LO既可以完成頻率的轉換，此時LO頻率范圍為：3404.4MHz ~6595.6MHz，可以9KHz~3GHz頻率段共用本振。但是輸入的信號頻率為3GHz~13.6GHz時，本振LO信號頻率范圍為2595.6MHz~ 13.1954 GHz（，就不能使用低頻段的本振。最終轉換為 404.4 MHz 中頻信號經(jīng)過中頻放大器（23）并通過模擬開關切換到低頻路徑上完成高頻段下變頻。

通過面前的鏈路的分析，對于輸入的信號頻率為3GHz~13.6GHz時，LO頻率范圍為2595.6 MHz~ 13.1954GHz，直接由PLL+VCO輸出LO信號代價太大。特別是當頻譜儀的高達30GHz或是更高的40GHz帶寬時，PLL+VCO直接輸出LO代價太大。但是可以利用倍頻器和器件的非線性來獲取高頻率的本振信號。

采用倍頻器的方式，就是PLL+VCO輸出的信號進行倍頻，比如2倍、4倍，即可得到高的LO頻率了。采用倍頻器，可以獲得最小的轉換損耗，從而保持頻譜分析儀的低噪聲系數(shù)，但是除了乘法器（22）之外，還需要濾波器來抑制乘法后的次諧波，同時混頻器的LO輸入端必須提供足夠高的 LO 電平，因此所需的放大器必須是高寬帶的、低失真的。

采用器件的非線性特性時，就是利用器件的非線性產(chǎn)生所需要的諧波，比如2次諧波。采用器件的非線性特性時，通過諧波混合的轉換更容易實現(xiàn)，但意味著更高的轉換損耗。需要在較低頻率范圍內(nèi)的 LO 信號，該信號必須以高電平施加到混頻器。由于混頻器的非線性和高 LO 電平，只要諧波具有功率就可以用于頻率轉換。以上就是對高LO獲取的方式，最常用的是第一種方式，代價最小。但是這兩個方式在實踐中的使用取決于價格等級頻譜儀。同時這兩種方法的組合是可能的。當然在更高頻率時，也可以使用外本振。

作者：YELL， 來源：面包板社區(qū)