实时频谱-2.1实时频谱分析仪的工作方式

现代实时频谱分析仪

现代实时频谱分析仪可以采集分析仪输入频率范围内任何地方的传输频带或频宽。这一功能的核心是RF 下变频器，后面跟有一个宽带中间频率(IF)段。ADC数字化IF信号，系统以数字方式执行所有进一步的步骤。DSP算法执行所有信号调节和分析功能。

可以通过几个关键特点区分实时结构是否成功：
1）RF 信号调节，提供宽带宽 IF 路径和高动态范围。
2）使用带通滤波器，而不是 YIG 预选滤波器，在每种产品的整个输入频率上同时实现无像频干扰频率转换和宽带测量。
3）ADC 系统能够数字化整个实时带宽，并具有足够的保真度，支持所需的测量。
4）实时数字信号处理(DSP)引擎，实现无空白处理。
5）足够的捕获存储器和 DSP 能力，在所需的时间测量周期上实现连续实时采集。
6）集成信号分析系统，对被测信号提供多个分析视图，并在时间上相关。

RF/IF信号调节

图2-1是简化的RSA RF/IF方框图。带有RSA频率范围内任何频率内容的信号都被应用到输入连接器上。一旦信号进入仪器，它们将根据用户选择的分析需求发送和调节。将应用可变衰减和增益。调谐使用多阶段频率转换及组合使用可调谐本振和固定本振(LO)实现。模拟滤波在各种IF频率上完成。最后的IF使用模数转换器数字化。所有进一步处理都使用DSP技术执行。某些RSA型号可以选配基带模式，其中直接数字化输入信号，而无需进行任何频率转换。基带信号使用的DSP采用的方法与 RF 信号采用的方法类似。

输入切换和发送段

输入切换和发送段把输入波形分发到仪器内部的各种信号路径。某些RSA型号包括一条单独的DC耦合基带路径，在分析低频信号及 DC 耦合 IQ 基带路径时提高了动态范围和精度。RSA还包括内部对准源。这些对准源生成的信号带有为 RSA 专门订制的属性(PRBS、校准的正弦曲线、调制参考、等等)，这些信号用于自行对准程序，校正系统参数温度变化，如：
1）增益
2）所有采集带宽中的幅度平坦度
3）采集带宽中的相位线性度
4）时间对准
5）触发延迟校准

自行对准流程与采用外部设备在工厂或服务中心进行的校准相结合，构成了 RSA 所有关键测量指标的核心。

RF段和微波段

RF/ 微波段包含着宽带电路，调节输入信号，以便其拥有适当的电平和频率成分，实现最优下行处理。

阶跃衰减器

阶跃衰减器是由电阻衰减器连接盘和 RF/uW 开关组成的器件，用来降低宽带信号电平，降低幅度是编程确定的数量。
1）它把输入上的RF和微波信号电平降低到最优的处理电平。阶跃衰减器还可以防止因吸收过多 RF 功率、导致非常高的信号而破坏输入。
2）它在仪器的整个频率范围中提供了宽带阻抗匹配。这种阻抗匹配对保持RF信号测量精度至关重要。为此，大多数仪器指标适用于10 dB以上的输入衰减条件。

RSA 使用的阶跃衰减器因设计型号不同而不同。它们一般可以编程，以 5 dB 或 10 dB 步长衰减 0 dB 到 50dB 以上。

像频干扰抑制滤波器与 YIG 预先滤波器比较

RSA 提供了无像频干扰的频率转换功能，可以从输入上的 RF 和微波信号转换到最终 IF。这通过把各种滤波器放在第一个混频器前面实现。各种 RSA 型号使用多阶段混频方案，采用宽带滤波器，允许对整个采集带宽进行无像频干扰转换，实现可重复的指定的幅度平坦度和相位线性度。

RSA可以把输入上的RF和微波信号以无像频干扰的方式变频到最终IF上。这通过在第一个混频器前放置各种滤波器实现。多种 RSA 型号采用多阶段混频方案，其中采用宽带滤波器，以可重复的、指定的幅度平坦度和相位线性度，对整个采集带宽实现无像频干扰转换。在测量宽带信号时，YIG 预选器滤波器引入了明显失真。在测量此类信号时，如果必须实现准确测量(特别是相位测量)，那么必须绕开窄带预选器。

这些可调谐滤波器本身是窄带滤波器。滤波通带中有明显的相位变化，在信号接近滤波器边缘时，这种情况会进一步恶化。即使我们可以通过校准来校正这些变化，但调谐机制本身在一定程度上会抵消校准。调谐通过在YIG晶体上放置一个磁场来实现，在把这个磁场调谐到不同频率，然后返回第一个频率时，磁性结构中的磁滞效应会导致其不能返回第一次调谐变化前调谐的精确频率。

在每次调谐变化时，这都会导致相位校准变化。如果这还不够，那么扫描通过通带时还会出现小的幅度和相位变化，因为调谐要扫描大的频段。这些小的变化通常会随着温度一起变动。

通常情况下，为避免失真和带宽限制，采用谐波混频结构实现扫频和基于 FFT 的分析技术的频谱分析仪必需绕过 YIG 预选滤波器。图 2-2 演示了无像频干扰频率转换在微波频率上扫频操作过程中去掉预选器滤波器时可能发生的潜在问题。宽频谱中可能会出现多个响应，屏蔽真正想要的关心的信号。恢复YIG预选滤波器可以消除这些响应。传统频谱分析仪不能在不使响应失真的情况下显示宽带信号和无像频干扰频率转换信号。

更重要的是，像频干扰频率的存在可能会把频谱能量转换到仪器的中间频率(IF)上。这种像频干扰作为频谱窗口，不仅允许一个转换窗口，还会由于传统频谱分析仪采用的谐波混频技术而打开多个窗口。

前置放大器

某些 RSA 型号包括可以选择的前置放大器选项，在像频干扰抑制滤波器前面，在信号路径中增加增益。这种选项改善了RSA的噪声系数，用来分析非常弱的信号。当然，在输入上增加增益限制了可以分析的最大信号。把这个放大器切换出信号路径，会把分析仪的范围恢复到正常范围。

频率转换 / IF 段

所有 RSA 型号都可以分析中心位于分析仪频率范围内任何地方的很宽的频段。这通过把关心的频段转抱成固定IF实现，然后进行滤波、放大和定标。然后数字化这个IF信号。然后使用实时和批处理，在关心的信号上执行多域分析。

多阶段频率转换

频率转换段的目标是把所需频段中的信号真实地转换成适合模数转换的IF。通过在多个转换差频结构中选择本振(LO)频率，可以实现调谐，如图2-1所示。

每个频率转换阶段都包含一个混频器(模拟复用器)，后面是IF滤波和放大。IF频率、滤波形状、增益和电平的选择视RSA型号而定，实际上在每种型号内部也会变化，这与仪器设置有关，以便从以下几个方面优化性能：
1）由于混频器和滤波器不理想导致的杂散响应
2）动态范围(可以无差错地同时查看的最小信号和最大信号)
3）实时带宽中的幅度平坦度
4）实时带宽中的相位线性度
5）信号和触发路径之间的延迟匹配

内部对准源

对上面列出的部分特点，RSA实现的性能要远远超过模拟器件实现的性能。滤波响应、延迟和增益随着温度变化，对不同仪器会有所不同。RSA性能通过实际测量增益、滤波形状和延迟及使用 DSP 补偿测得的性能实现。宽带 RF 元件的频响和增益变化在出厂时使用校准后的设备测得，可以溯源国家计量学会，如NIST、NPL、PTB。这种设备还用来校准内部对准源，内部校准源提供针对RSA 使用的时间和地点的信号路径条件调节的信号。RSA 使用两种内部信号：
1）使用异常准确、温度稳定的正弦曲线信号，在参考频率(一般是100 MHz)上设置信号路径增益。这个信号是内部RF电平参考。它在采集带宽的中心设置RF功率测量精度。
2）使用校准后的宽带信号，测量实时采集带宽中的幅度和相位响应。这个信号是内部信道响应参考。它提供信息，允许 DSP 补偿采集带宽中的幅度、相位和延迟变化。