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手持式頻譜分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

發(fā)布時(shí)間:2011-09-01

中心議題:

  • 全模擬頻譜分析儀方案簡介
  • 手持式頻譜儀方案設(shè)計(jì)
  • 手持式頻譜儀主要性能指標(biāo)

解決方案:

  • 手持式頻譜儀方案設(shè)計(jì)
  • 超外差接收組件設(shè)計(jì)


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)行很直觀的測量和分析,是微波測量中必不可少的測量儀器之一。長期以來,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。手持式頻譜儀最初的設(shè)計(jì)構(gòu)想正是基于上述需求形勢提出來的。

1 全模擬頻譜儀方案簡介

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。
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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測試等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

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