频谱仪的RF前端的设计和指标
在频谱仪基础（二）讲述了高低中频的选择，对于9kHz到7GHz信号前端处理，我们需要分段进行处理，9kHz到3GHz信号采用高中频的方式，3GHz到7GHz采用低中频的方式直接将信号频谱搬移到低中频。 1.9kHz到3GHz信号前端处理
在图1所示中，第一个IF设置为3476.4MHz。将输入频率范围从9kHz到3GHz的输入信号通过上变频转换到频率为3476.4MHz，所以LO信号⑤必须在3476.40MHz~6476.4MHz的频率范围内进行扫频或者调频。根据公式，镜像频率范围为6952.809MHz~9952.8MHz。 图1 第一级混频电路
对于9kHz~3GHz的第一级混频，LO信号⑤频率范围3476.40MHz~6476.4MHz可变，同时根据傅里叶变换可知，两个信号时域相乘，频域是相卷积，即LO信号上任何的干扰都会毫无保留的出现在输出频谱上，所以LO信号不仅仅需要超宽的频率范围，也需要相对低的相位噪声以及谐波。
为满足这些指标，实现LO的方式有三种：YIG 振荡器、VCO（压控振荡器）、PLL+VCO。
1.YIG 振荡器：通常被用作LO，其利用磁场来改变振荡器的频率；
2.VCO（压控振荡器）：VCO的特点是有一个更小的可变范围与YIG振荡器相比，VCO可以比YIG振荡器调谐快得多。
3.PLL+VCO：PLL利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，与VCO配合输出更宽LO频率。
在频谱仪中，最为常用就是PLL+VCO构架产生LO信号。为了提高频谱的频率精度，本振LO采用PLL技术，通过一个锁相环（PLL）将输入信号锁定到一个参考信号上（系统的参考时钟）。但是采用PLL的方式，输出信号并不是连续可调，而是步进调节设置，同时步进调节设置依赖于频谱仪设置的分辨率带宽（RBW），因此较小分辨率带宽（RBW）需要PLL较小的调谐步进。否则，输出信号不能覆盖整个扫频范围，而且会造成功率误差。如图2所示，左图表示，PLL的步进调节远大于分辨率带宽，这导致在扫频时，步进跳转过大导致输入信号混频后没有进入到中频滤波器的带内，造成信号的丢失。右图表示，PLL的步进调节大于分辨率带宽，这导致在扫频时，步进跳转不合理导致输入信号混频后没有进入到中频滤波器的通带内，造成信号的功率误差，为了避免以上两种错误，其PLL的设置的步长远低于分辨率（RBW），在实际设计，PLL的调节步进应该小于0.1·RBW（1/10），比如频谱仪设置的RBW为10kHz，那么LO输出的频率步进应该是小于1KHz的，但是在设计LO时，可以考虑LO电路的步进根据RBW设置进行分段调节。 图2 PLL步进和分辨率带宽
对于LO的参考信号，通常由一个温度控制的晶体振荡器(TCXO)产生。为了提高频率精度和长期性稳定性，(OCXO) 振荡器可作为大多数频谱仪的参考时钟。同时为了保持与其他测量仪器同步以及板内源同步，参考信号(通常采用10MHz)可由输入连接器（BNC接口）输入或是采用板内的参考时钟。需要与其他测量仪器同步测试时，采用外部参考时钟和外部触发测量即可。
经过了第一级混频之后，IF1中频输出为3476.4MHz，对于这个信号直接采集，所要付出的
代价太大，所以我们需要将IF1中频信号再通过下变频至低频IF2进行采集，如10.7MHz、20.4MHz。这样的就减少了对ADC的采样率的要求。如图3所示，试想一下，如果直接将IF1中频3476.4MHz下变频至20.4MHz,是否可以。理论上是可以实现的，此时LO频率采用3456MHz，那么IF2=20.4MHz，镜像频率为3435.6MHz，这里就会出现一个问题，IF1和镜像信号频率之差只有2*20.4=40.8MHz，为了抑制镜像的干扰，所需要的BPF（带通滤波器）的带宽就非常窄、中心频率高，同时带外对镜像抑制又要非常的强，实际设计实现是比较复杂的。同时由于第一级Mixer的各个端口的隔离度是有限的，那么RF和LO是会泄露到IF1中的，所以直接下变频至20.4MHz,对中频滤波器⑧设计提出了挑战。
图3 二级下变频至第中频IF2
由于IF1=3476.4MHz信号频率高，如果IF2=20.4MHz,需要一个极复杂的滤波器来完成对镜像信号的抑制，中频滤波器⑧需要非常陡峭的带外抑制。如图4所示，因此，将IF1下变频到IF2时，IF2可以采用相对高的频率，如404.4MHz。若中频IF2=404.4MHz，一个固定的LO信号（二级本振） 为3072MHz，镜像频率为2667.6MHz。那么，镜像抑制的中频滤波器⑧就很容易实现了。同时带通滤波器的带宽足够大，IF1信号不会受损 （即使是对于最大分辨率的带宽）。同时减少总噪声，在二次变频时，对输入信号被放大⑦，放大器的增益可以根据第二级Mixer的-1dB压缩点合理设置。
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