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8GHz频谱分析仪接收机前端的研制.pdf

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上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《8GHz频谱分析仪接收机前端的研制pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含电子科技大学硕士学位论文GHz频谱分析仪接收机前端的研制姓名:来晋明申请学位级别:硕士专业:电路与系统指导教师:羊恺摘要摘要在现代移动通信、广播电视符等。

电子科技大学硕士学位论文GHz频谱分析仪接收机前端的研制姓名:来晋明申请学位级别:硕士专业:电路与系统指导教师:羊恺摘要摘要在现代移动通信、广播电视、军事通信等通信领域的科研和生产中信号的频域分析已成为分析和解决问题的主要手段频谱分析仪是实现这一手段的基础工具。目前国外进口频谱仪的价格十分昂贵国内很多科研院所和企业都在从事频谱分析仪的研制。本课题就是在这种背景下进行的。本课题采用固定中频扫描第一本振频率的三次变频超外差结构接收机前端系统输入信号频率范围DC"'MHz。为了有效抑制输入信号镜像频率干扰第一次变频采用高中频第二、三次变频采用低中频下变频方式最后将信号变频至.MHz中频。本论文首先对频谱分析仪的发展及其分类作了简单的介绍然后仔细的分析了射频频谱分析仪接收机前端系统的设计方案根据前端系统的设计目标将该前端系统按分模块进行研制。其中主要研制的分模块有:输入宽阻带低通选频滤波器、第一中频变频放大模块、第一中频同轴腔体滤波器、第二、三中频变频放大模块等。最后论文给出了整个前端系统的最终设计及测试结果该前端系统的最大输入电平dBm噪声系数小于dB总增益为dB左右双音dBm输入时的三阶互调比典型值为.dBe最终结果达到了课题的要求。关键词:频谱仪超外差接收机宽阻带同轴腔体滤波器三阶互调PtdB点ABSTRACTABSTRACTInthefieldsofscientificresearchandproductionexploitation,such雒modemcommunication,broadcastandtelevision,thetestoffrequencydomainhasalreadybecometheessentialmeallstosolveproblems.SpectralanalyzeristhebasictooltOrealize恤function.Tosolvetheproblemofhi曲priceofthespectralanalyzer,domesticdevelopmentofthespectralanalyzerbecomesmoleandmoleimportant.Inthispaper,aspectralanalyzerreceiverfrontendisintroduced,whichworksinthefrequencyrangeofDCtoMHz.Inordertoeffectivelysuppressimagefrequencyoftheinputsigrljalthehi幽IFischosentorealizethefn'stfrequencyconversionlowIFischosentOrealizethesecondandthirdfrequencyconversion,andfinallythesignalfrequencyisconvertedto.M明幺Firstofalltheprincipleoftheheterodynespectrumanalyzerisdeeplyanalyzed,thesame勰theaimofthereceiverdesign.Then,thekeyofthispaper:thedesignmethodofwidestopbandlowpassfilter,thedesignofminiaturecoaxialfilter,thesimulationofthecircuitsystemandtherealizationofthecircuitandsystem.Finally,thesystemdesignandultima:cetestingresultsarerepresented:themaxilnuminputlevelisdBra,thenoisefigureofthereceiverfrontendislessthandBthetotalgainisaboutdBandthetypicalvalueoftheLMCig一dBc,whenthepoweroftheinputtwotonesignalsaledBm.Alloftheabovecansatisfythespectralanalyzer.Keywords:spectrumanalyzer,superheterodynewidestopband,coaxialfilter,thirdorderinterrnodulationPlasⅡ独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名:日期:钳月尹关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名:导师签名:醐:节年日第一章引言第一章引言频谱分析仪是比较通用、功能综合性也比较强的测试仪器被誉为“频域万用表’’。传统上频谱分析仪主要是用于对未知信号的分析例如可以方便准确地获得信号频率、功率、谐波组成、调制、毛刺、噪声等等。根据获得的测量数据能完成频谱纯度、信号失真、寄生、互调、噪声边带等各种参数测量。除了信号分析频谱分析仪作为优良的接收系统有着很高动态范围和灵敏度在网络测量方面也有独特应用。随着军事和民用电子通信技术的迅速发展频谱分析仪已经成为电子工程师不可缺少的频域测试工具并已经被越来越广泛地应用于广播、电视、通信、雷达、民航、电子设计、电子设备维护等方面。基于上述原因微波频谱分析仪一直是国内外各公司竞相研制和开发的关键仪器。新型频谱分析仪的研制有两个重要的发展发方向一方面由微波向毫米波和光波段拓展出现全波段功能极强的频谱分析仪另一方面随着微波集成电路技术和计算机辅助设计技术的发展微波频谱分析仪正在向小型化、模块化和标准化方向迅速发展。当前市场上主流的测试设备供应商包括美国的Agilent、Tektronix、Aeroflex公司德国的Rohde.Sehwarz公司日本的Anritsu公司均提供具有宽带FFT分析功能的频谱分析仪其中以Agilent和Tektronix公司的产品最具代表性。在传统高性能频谱特性测试方面Agilent公司产品具有全面优势但是在非稳态信号尤其是超宽带、频率捷变、多相关测试方面Tektronix公司的产品RSA和RSA系列实时频谱分析仪最具代表性大容量实时数据无缝捕获存储技术、多模式触发技术、DPX显示技术均为动态信号测试提供了有用的辅助测试手段。目前VX/微波频谱分析仪国外只有美国MORROW等公司能研制生产价格昂贵且最新型对我国禁运国内无相应模块化产品而很多部门和军事电子领域都需要类似模块化产品其市场前景十分广阔。本课题就是基于这些原因进行研究和开发的。本课题为:GHz频谱仪接收机前端的研制。VXI微波频谱分析仪模块笔者负责射频至中频的接收机前端部分(不包括射频衰减器和三个本振源)。本课题采用传统的超外差式结构设计输入的射频信号经过三次变频至.MHz的中频进行数字化处理。第一级变频采用固定中频扫描本振结构为了有效的抑制镜像频电子科技大学硕士学位论文率第一中频采用.MHz的高中频第一中频滤波器采用一个同轴腔体滤波器不但有较好的带外抑制还可有效的减小前后级间的电磁干扰第二变频模块和第三变频模块等器件均由平面电路实现。笔者对电路进行仿真模块化设计并进行测试直至最后达到最佳效果。此外考虑到本课题的相关部件较多为了便于研制期间的调试以及最终成品系统的实现采用若干个独立模块分别研制即先把各个相关的电路与部件做成相互独立的分离模块仿真并实现而系统整体的功能则是通过各模块间的级联来完成的。最后的测试结果和分析证明了该方案在实践中是切实可行的。分析本课题的实施方案该项目要求具有微波技术和微波平面电路设计方面的知识还要求熟练掌握两种以上的电磁仿真软件具备器件和系统的基本知识同时还要有全面的动手能力。由此可知本课题要求掌握的知识面宽既有理论又有实践既有仿真又有制作既有软件又有硬件既有设计又有测试。该电路实际模块的设计与调试过程是采取边实验边优化仿真的方法实现的。本课题是在电子科技大学微波中心进行研发的中心具有比较齐全的微波测试仪器如HPB、HPB、HPA信号源EAA频谱分析仪A百lent矢量网络分析仪AgilemEB功率计A百lentN噪声分析仪等同时中心有许多教授与工程师他们具有丰富的微波电路设计与调试的经验所有这些促成了该课题的最终完成。在整个课题实施过程中作者的主要工作有:.根据接收机前端的总体技术指标和要求实现的功能对系统进行整体规划和设计。.对接收机前端系统各功能电路进行深入分析和理解。并就本课题所采用的方案对系统整体构架与各个电路单元的实现进行详尽的分析和研究之后设计出各功能电路。.搜集查找系统中所涉及的各集成电路芯片资料进行比较分析和选择并完成具体电路和PCB板布局的设计。.精心调试各功能单元电路之后进行整机联调实现系统功能与指标之后进行温度等实验最终达到设计要求。.根据经验提出了实际系统设计与调试中应该着重注意与必须考虑的问题同时给出解决方案。.对接收机前端系统进行测量给出最终测量结果。第二章频谱分析仪简介第二章频谱分析仪简介频谱分析仪是射频微波信号分析处理中最常用的仪器设备之一它能够在频域上显示、分析被测信号。其覆盖的频率范围可达GHZ甚至更高频谱仪被用于所有的无线或有线通信应用中包括开发、生产、安装与维护。随着移动通信的发展对诸如显示平均噪声电平、动态范围和频率范围等参数以及其它与功能和测试速度有关的特定要求开始显现n。.频谱分析仪的发展微波频谱分析仪和其它电子测量仪器一样经历了一段相当长的发展过程。几十年来随着电子技术的发展经历了电子管、晶体管和集成电路等三代产品。七十年代以来尤其是最近几年由于计算机技术和微处理器的飞速发展大大促进了频谱仪的改装换代开始了面貌一新的第四代这一代产品正在发生着巨大而深刻的变化。回顾历史频谱分析仪是在第二次世界大战期间由于雷达的出现而发展起来的。当时的频谱分析仪只不过是一台射频指示器其用途主要是检查雷达发射机的质量。四十年代至五十年代初期出现的第一代频谱分析仪大多数是以电子管和速调管为本机振荡器的窄频段窄频带频谱分析仪如美国的URM.A型和苏联的UR型我国建国初期的类似产品有BP.等。五十年代中期在此基础上发展为宽频段窄频带频谱分析仪覆盖频段从M/Iz至GHz如美国的SPA型我国早期生产的PFK型以及七十年代初期生产的SPK.、SP.和BP.B等宽频段窄频带频谱分析仪。这一代产品在整个频段内灵敏度响应不好最大分析谱宽不超过MHz。六十年代初由于扫频技术的迅速发展美国HP公司生产了世界上第一台用返波管作为本振(,,GHz)的第二代宽频宽带全景频谱分析仪/型国内七十年代末生产的类似产品有BP.型和BP.型全景频谱分析仪。六十年代末到七十年代初‘由于固态技术的迅速发展YIG电调技术得到广泛的应用使频谱分析仪跨进了第三代。这一代频谱分析仪的特点是全固态化体积小宽带扫频第一本振一般是采用ⅥG小球变容二极管调谐的晶体管体效应管等作为扫频本机振荡器如美国HP公司的T/系统频谱分析仪国电子科技大学硕士学位论文内生产的全固态频谱分析仪有BP.型和BP.A型等。年HP公司研制出第一台自动频谱分析仪它将原来的X.Y放大器代入A/D变换器由HPS小型计算机外控和数据处理由机控显示器显示结果。七十年代末期HP公司又研制出指标更高功能更全的频谱分析仪如A。随后又研制出用微处理器控制的高性能频谱分析仪使频谱分析仪跨进了新型的第四代。典型产品有HPA、D、BTeKP、P等。这一代频谱分析仪由于采用了新型的锁定和滚动(LOCK.and.ROLL)技术这些产品都具有合成器的频率精度和频谱纯度优于Hz的分辨率灵敏度最高达到.dBm。由于机内使用了微处理器和存储器智能频谱分析仪可完成数据存储、运算、处理和显示功能并控制仪器的各硬件部分按一定程序进行自动测试实现数、图并显微处理器的引入不仅进一步提高频谱分析仪的性能指标扩展功能而且使单机智能化或组成自动测试系统成为可能大大简化了操作程序节省了时间。绝大多数智能频谱分析仪都内置或内置选件"种接口受外部计算机控制进行远地测试以及操作仪器前面板功能键进行本地测试。目前高性能频谱分析仪的典型产品主要以Agilent和RS公司的产品为主。Agilent公司的EC、E频谱分析仪采用合成本振上限频率到GHzRS公司的FSEK上限频率到GIIzFSP上限频率到GHz。Agilent公司的PSAEX系列频谱分析仪RS公司的FSEK系列高档频谱分析仪最佳本底噪声优于.dBm分辨率优于HzlkHz频偏相噪优于.dBc/Hz。都能对调制信号、谐波失真、三阶互调、激励响应、邻道功率与占用带宽、信道功率、脉冲射频信号、相位噪声、噪声系数、数字无线电等多种类型的信号进行测量与分析。由于微电子技术的进步频谱分析仪进一步与微处理器、PC技术融合数字化、智能化水准不断提高。Agilent公司的PSAEX系列频谱分析仪是一款采用全数字中频技术的频谱分析仪无中频和视频误差测量精高可进行在线编程并通过网络进行软件和功能升级。Advantest公司的R号分析仪采用了数字中频技术使得高精度测试成为可能总电平精度优于.dB。随着计算机和网络技术的发展国外高性能频谱仪普遍采用嵌入计算机技术利用先进的计算机及其软件资源作为控制平台使现场总线与能仪表的发展呈现多种总线及其仪表共存发展的局面。频谱分析仪大都带有GPIB接口LAN接口和UBS接口等而且能进行快速的远程网络测量。除此之外为方便自动测试系统的组建目前的总线仪器发展也非常迅速。代表产品有Morrow公司V系列.GHz、.GHz、.GHz的V'XI模块频谱第二章频谱分析仪简介分析仪InternationalInstruments公司的PⅪ.模块射频信号分析仪以及其它PCI擂卡频谱分析仪。V灯、PXI、PCI频谱仪多属中档水平缺少高档产品圆。总之随着微波技术在军事和民用领域的广泛应用同时各种尖端技术以及与信息处理技术相关的各个科学技术快速发展使得频谱分析仪以前所未有的更新速度向前发展。频谱分析仪从作为专用设备的窄带频谱分析仪发展到扫频式的全景频谱分析仪直至实现全固态化、自功化成为电子测量仪器的一个重要分支。它集中了当代微波测量的先进技术而广泛应用于各种电子设备元器件的设计制造、电子对抗、广播卫星通迅、微波中继通讯、雷达导航和信号处理等方面成为不可缺少的一种综合性测试仪器。.频谱分析仪的分类频谱分析仪是频域测量仪器的代表性产品它显示输入信号的基波和谐波幅度随频率的变化测量功能多种多样包括频率、功率、噪声、电场强度等参数属于最常用的频域仪器。频谱分析仪主要的应用是广播、电视、通信和网络随着这些应用越来越向更高频率发展为解决频率资源不足的问题它的测量范围已从RF频段扩展到微波频段嘲.频谱分析仪可以从结构、测量频段、实现方式以及应用领域的不同来分类。根据各种测量情况频谱分析仪的最高输入频率具有不同的要求。考虑到各种可能的频谱分析仪配置输入频率范围可以细分如下:音频范围最高接近MHz射频范围最高接近GHz微波范围最高接近GIlz毫米波范围频率高于G音频范围高达MHz覆盖的低频电信号包括声音和机械振动等。在射频范围内无线通讯应用是最主要的一类比如移动通讯和广播电视信号等。而处于微波或毫米波范围中的频段被作为宽带应用的范围扩展例如数字定向无线电等。从原理上讲频谱分析仪一般分为三种类型。一种是动态信号分析仪即快速傅氏变换(FTF)分析仪。它是在一个特定时间周期内对信号进行FTF变换以获得频率、幅度和相位信息的这种仪器能够分析周期和非周期信号测量频率范围一般从直流到几百千赫兹。一种是带通滤波器型频谱仪其最大优点是能迅速跟踪信号频谱随时问的变化但他的最大弱点是为了保证最小频率分辨带宽需要使用窄电子科技大学硕士学位论文带滤波器所需窄带滤波器的数量随着带通滤波器频谱分析仪的测量频率范围增大及最小频率分辨带宽的减小而增加。因此设计用于宽带测量的带通滤波器频谱分析仪是不经济的。还有一种是扫频调谐式分析仪它是一种超外差接收机或是可调预选接收机能对信号或由信号变换来的中频信号进行实时分析测量范围一般可达Hz~GHz。因此当人们对测量频率范围、灵敏度等指标不断提出更高要求时超外差式频谱分析仪以其较高的频率分辨率、较快的测量速度、相对较低的成本而得到广泛应用。..傅立叶分析仪如前所述一个信号的频谱可以由信号的时域特性明确定义。时域和频域通过傅立叶变换联系起来。要精确计算输入信号的频谱要求具有无限长的观测周期。另外还要求在每个时刻点的信号幅度已知。由此得到的计算结果将是一个连续谱而频率分辨力是未加限制的。很明显非常精确的计算在实践中是不可能的。然而在给出一定的要求后满足精度的频谱则是可以确定的。实践中傅立叶变换借助于数字信号处理来完成因而被分析的信号必须通过模数转换器来采样并进行幅度量化。通过对连续的输入信号采样的方式转换成时域离散信号关于时间特性的某些信息会丢失。因此输入信号的带宽必须被限制否则更高的信号频率将由于采样而引起混叠效应。根据香农采样定律采样频率.必须至少是输入信号带宽酰的两倍。即:fB.且Z=/C()式中.为采样率勘为信号带宽兀为采样周期。对于低通滤波器信号的采样其最小采样率根据最高的信号频率确定。则式(.)变为:Z厶哺()如果Z厶嘣由于不适当的采样状态就有可能无法从采样值重建信号。此外一个具有无限的边缘选择性的低通滤波器将要求带宽限制。因此实践中所使用的采样率远大于厶一。傅立叶变换所考虑的是信号的一部分因此用于计算的只是有限的Ⅳ个采样值这个过程被称为开窗口。在时域采样之前或之后输入信号和一个特定的窗口函数相乘。由时域信号的采样值计算信号频谱的过程称为离散傅立叶变换(DFl)。则由傅立叶反变换xr=扛()>=x)口川矽dt可以得到:第二章频谱分析仪简介兰(女)=兰(”‘)P’’”。”()式中k为离散的频率因子H=)”为采样因子!即I)是在”t时刻的采样值fn=)Ⅳ为DFT的长度即用于傅立叶变换计算的采样数。离散傅立叶变换的结果是离散的频谱。计算得到的频谱是由数字域频率的各个成分组成的可用下式表达:f邝)甜。嚣“。斋旺剐式中k)为数字域频率单位是Hz:k为数字域频率系数(扫)疗为采样频率单位是}k:Ⅳ为DFF的长度。可以看出这种解法依赖于观察时间Nxr需要的观察时间随着期望得到的分辨率而增长。离散傅氏变换所依据的理论事实上已假定波形是周期波形这将引起所谓的泄漏问题它是离散傅氏变换的一个重要限制因素.可以通过适当利用时域中的限制窗口加以抑制。快速傅氏变换分析仪通常将输入波形数字化并对时域信号信号进行FFT以获得频域表象。这种看来简单的测量技术实现起来往往非常复杂。基于FFT的分析仪在赋予适当的计算能力(目前多采用数字信号处理嚣)之后便能在速度上明显超过传统的扫频分析仪。由于受高分辨力模数转换器速度的限制FFr分析仪通常只具有有限带宽。#K。*}£#}:t《£i}*##$tg一一~一‘i一|一隶j一上‘J一一。一(一fs图FFT频谱仪简化框图在仪器应用中离散傅氏变换的输入是对被测信号取样所获得的数据记录。取样系统将时域波形与取样函数相乘得到取样波形.取样频率西等于r在收集到Ⅳ个时域取样之后将它们送入离散傅氏变换计算系统形成问隔为F的频率样本。这Ⅳ个频率取样并不完全独立。号数小于N/的一组取样相对号数超过N/的取样来说是多余的。对于Ⅳ个点的离散傅氏变换通常保留M频域点的取样值。由于离散傅氏变换是用数值运算完成的故它受所选择的特定算法的限制。快速博氏变换(FFT)是宴施离散傅氏变换的~种极其迅速而有效的算法它通过仔电子科技大学硕士学位论文细选择和重新排列中间结果在速度上较之离散傅氏变换有明显优点。实施离散傅氏变换所需计算次数约为ⅣⅣ(为取样数)而与之相对应的FFr所需的计算次数为N/N。最常见的FFT算法要求Ⅳ是的幂次频谱仪中的典型记录长度为。图.所示为FFT分析仪的简化框图。输入信号首先通过一个可变衰减器以提供不同的测量范围。然后信号经低通滤波器除去处于仪器频率范围之外的不希望的高频分量。取样器对输入的时域信号进行取样由A/D转换器完成信号的量化。采用频率抽取式数字滤波器能同时减小信号带宽和降低取样频率既改善了频率分辨力又避免出现频谱混叠。微处理器接收滤波后的取样波形利用FFT计算波形的频谱测量结果输出在显示器上哺。..带通滤波器频谱分析仪儿这类仪器实现频谱分析的方法是运用大量的带通滤波器(图.)把每一滤波器调到不同的频率。每一滤波器只允许它本身要测量的特定频率通过其它的频率则全部被滤除。图.示出了每一滤波器在频率轴上占据的那一小部分在每一滤波器的输出端有交流电压其幅度与滤波器带宽内的能量相一致于是可对每一滤波器的输出端检波并显示出来以产生频域信息。带通滤波曩图.带通滤波器分析仪对每个滤波器的输出来检波并显示信号的频域特性图.运用许多滤波器表现频率的分量每一滤波器测量小部分频带中能量军:第二章频谱分析仪简介带通滤波器频谱仪的频率分辨率是由每一滤波器的带宽决定的。滤波器带宽越窄频谱仪的频谱分辨率就越高因此每一滤波器的带宽又被称为分辨率带宽。图.展示了滤波器和如何测定各自的谱线每一条谱线的频率是在它们相对应滤波器频率范围内。若滤波器的带宽是Hz则谱线频率就有lOOHz的不确定性。在滤波器的频率范围内出现了两条谱线则这两条谱线的不同频率分量就不能被分辨出而被认为是一个频率分量并且滤波器将测出它的频率范围内的能量而不管有多少谱线产生这一能量。因此对于两条非常紧密相邻的谱线其能否被分辨出取决于滤波器的带宽。带通滤波器分析仪是一种能迅速追踪信号谱线变化的仪器它的最大弱点是随着分析仪的频率范围和频率分辨率的增加要使用大量的窄带滤波器。一种改进的方法是利用可调的滤波器取代大量的带通滤波器(如图)但是要设计并制造具有宽频率范围又保持滤波器的波形的可调窄带滤波器是非常困难的。因此采用频率可调滤波器的方法通常要用其它方法来实现。I町调特通滤波器电压表入图用可调带通滤波器代替多个带通滤波器许多滤波器..外差式扫频频谱分析仪外差式频谱分析仪把滤波器固定在一个频率上用移动信号的频率取代可调滤波器的频率。如图.在图的右边滤波器测量中频的电平混频器与本地振荡器将信号频率转换到固定的中频这样滤波器固定在一个中频频率上与带通滤波器频谱分析仪类似滤波器的带宽决定仪器的频率分辨率。本地振荡器的频率是可调的(要求在技术上可行)并由用户调节使之与输入信号经混频后能产生中频滤波器所需的频率。对于每一输入频率在混频器的输出端产生两个频率:其中一个被中频滤波器滤除另一频率则被测出(设本振已调到对应频率)。这种频率转换方式被称为超外差技术采用这种方法的频谱分析仪也被称为外差式频谱分析仪因为中频滤波器只有一个固定的中心频率因此与可调滤波器相关的难题可被避免。另外通过多次变频技术不但可以大大扩展测量信号的频率范围也可将中频频率降低使中频滤波器的带宽做的很窄从而实现高的频电子科技大学硕士学位论文率分辨率嘲。Il『渊奉地振荡器图运用混频器和本地振荡器移动信号频率响应上述外差式频谱分析仪一次只能在一个频率上测量但是如果能使其扫过测量的频率范围则信号的频谱便可自动显示出来。这就是扫频外差式分析仪。图就是一种典型的扫频超外差式微波宽带频谱仪框图。譬一本曩贪月刁‘图外差式扫频频谱分析仪原理框图电压控制的振荡器作为本地振荡器使分析仪的频率易于变换。锯齿波发生器激励电压控制振荡器使振荡器不断扫频通过中频滤波器输出的固定中频信号送至检波器检波产生直流电平这一电平激励显示器的垂直轴同一锯齿波信号还激励显示器的水平轴。从而当电压控制振荡器扫频时显示屏上显示中频电平结果显示的是信号幅度相对频率的图象。为允许一个宽电平范围信号可同时在屏幕上显示中频信号先用对数放大器来压缩然后进行检波所得信号称为视频信号该信号可用被称作为视频滤波器的一个低通可调滤波器来平滑从而降低噪声影响获得清楚的显示H。实际上高性能的扫频外差式分析仪的结构比图中展示的要复杂得多通常是运用多组中频滤波器与混频器来完成一台频谱仪的工作。现代频谱分析仪中所有的处理都是用一个或多个微处理器控制的因此具慧署入叫括一盯一第二章频谱分析仪简介备大量的新功能。这方面的一种应用就是借助GPIB总线的接口来进行频谱分析仪的远程控制。同时使用快速DSP输入信号通过A/D转换器在~个合适的点上采样使用数字信号处理器进行进一步的处理。随着数字信号处理的快速发展采样模块在信号路径中的位置进一步前移。从前视频信号在模拟包络检波器和视频滤波器后被采样而现代频谱分析仪经常在末级低中频后进行数字化中频信号的包络由采样确定。同样的与以前的外差式接收机通过模拟锯齿波信号调谐第一级本振不同本地振荡器(L)借助锁相环(PLL)锁定在一个参考频率上通过改变间隔来调节。PLL技术的好处就是可获得比模拟调谐更高的频率精度。使用液晶显示代替阴极射线管可使设计更加紧凑。电子科技大学硕士学位论文第三章频谱分析仪接收机前端指标分析接收机前端是频谱仪的核心部分接收机前端指标的高低、性能的好坏直接关系到整个频谱仪指标的高低和性能的好坏。接收机设计的主要目的是在最小失真情况下处理输入信号并获取有用信息。接收机前端的研制是一个系统工程在设计时应当全面考虑其内部电路和外部环境。由于射频前端处理的信号具有带宽最宽、能量最高加上前端灵敏度高所以在设计的时候需要严谨细致的对待。在研制中笔者根据接收机前端实现的结构形式和系统实现原理框图结合前端系统设计指标要求进行全面分析寻找出设计重点或难点然后具体设计接收机前端的各功能电路。本章主要分析课题的系统指标本课题的系统设计方案以及方案分析。在后续章节将给出系统模块和各功能电路具体的实现方案。.接收机前端设计需求接收机前端的主要功能是承担将大动态范围RF信号转换为窄带易处理的低中频信号。要求处理过程中叠加的噪声和失真尽可能小实现更好的测试灵敏度。接收机前端通常具有如下一些关键的考核指标:)接收机灵敏度:体现接收机测量小信号的能力由热噪声、通道插入损耗等影响。通过选用低噪声系数前置放大器可以提高接收机前端的灵敏度。)寄生响应抑制:决定信号测量有效动态范围由于超外差接收机多个本振谐波与RF信号镜像频率等的混频产物落入中频带内产生是超外差接收机潜在的伴随产物。通过正确选择中频频率和RF滤波器可以提高寄生响应指标一般寄生抑制指标在到dB之间。)互调抑制:由通带内两个或者多个大功率信号相互调制产生是决定接收机测量动态范围的因素之一。该指标一般在.到一dB之间。)剩余响应抑制:由于系统内部多个本振信号、参考信号、时钟信号及其谐杂波相互泄漏进入中频带内产生影响信号有效测量灵敏度。其它指标包括频率覆盖范围、频率响应、衰减器重复性、最大安全输入电平、温度稳定性等也是对接收机射频前端的考核内容。.下面论文将通过设计需求分析和讨论该接收机前端的各个指标及其意义。第三章频谱分析仪接收机前端指标分析表.接收机前端相关指标频率指标频率范围MHz~GHz(I心)DC~MHz(VQ输入)DC~MHz(基带)幅度指标最大输入电平RF:dBm(RFATT>dB):DC:VDC输入衰减~dB(dB步进)(RF)一dB(dB步进)(基带)'dB(dB步进)(I/Q)噪声系数<dB(输入衰减器设为dB前置放大器关闭)剩余响应dBm镜像频率抑制dBm三阶互调失真<dBc(输入双音信号.dBm)VSWR.:.接收机前端关键指标的物理意义..噪声特性对于接收机而言从理论上来讲不管输入信号多么微弱接收机都可以把它放大到足够的程度加以辨别但是在实际工作中是做不到这一点的。这是由于不但接收机内部会产生噪声而且从外部也会输入噪声接收机在放大信号的同时也放大了噪声。当信号太弱时它将淹没在噪声之中不能辨别。尽管可用很多方法来提高信噪比但是信号输入功率必须达到所要求的最小值阻。...接收机的噪声口噪声和干扰是任何电子系统的大敌。接收机中的噪声会掩盖微弱信号限制接收机对微弱信号的检测能力即限制接收机的极限灵敏度。噪声可以是接收机自身产生的也可以是从外部噪声源进来的。要检测出信号待测信号必须比系统的噪声基底强的多。热电子和固态电子设备中的噪声可以分为三种主要类型:热噪声、散离噪声和闪烁噪声。热噪声是由束缚电荷热运动的随机起伏产生的。通常用在工作带宽曰的电阻上噪声电压砌的平方值来表征:电子科技大学硕士学位论文圪=kTBR(.)式中:k=I.XJ/K称作玻尔兹曼常数:T为电阻绝对温度单位K曰为工作带宽单位HzR为电阻值单位Q。上式说明噪声能量有存在于给定带宽内与中心频率无关单位带宽内的噪声分布称为白噪声。热噪声的功率为:PA:kTBR:kTB()R两边取对数:PaBm)=lOtg(krs)=tg(kr)lOlgB()散粒噪声是由从源发射出的电子数量的起伏形成的一般存在于固态器件或晶体管中。闪烁噪声又称J『矿噪声或低频噪声是由大量的物理因素如系统的机械运动起伏、电磁辐射和量子噪声等产生的特点是能量与频率成反比(卯If噪声在IHz到MHz之间的影响很大超过MHz热噪声的影响更为明显。...接收机的噪声系数嘲噪声系数是表征接收机内部噪声大小的物理量。对于一个线性二端口网络其输出波形与输入波形会有所不同即产生失真因为输入信号所有的频率成份不能以相同的增益(衰减)和延时传输会造成失真但是通过对二端口网络仔细的设计或对输入波形的带宽加以限制这样的失真是完全可以避免的。然而在二端口网络内部产生的噪声仍然会改变输出信号的波形。在二端口线性无源网络中噪声仅仅由二端口中的损耗引起从热力学的角度考虑说明这种损耗导致随机变化正是所称的噪声。当二端口网络包含有源器件诸如晶体管就会存在其它的噪声机制。系统设计中需要着重考虑的方面之一是加到传输信号上噪声的数量。通常以输出的信号功率与噪声功率之比来判定(删)。一般来说信号加噪声的功率与噪声功率之比(SⅣ)/Ⅳ相对容易测得。而在大信号的情况下则用斟Ⅳo对二端口网络的研究中确切地知道通过网络的信号上的噪声量是相当重要的。表征这种特性的重要参数是噪声系数。噪声系数是定量描述一个元件或系统所产生噪声程度的指数系统的噪声系数受许多因素影响如电路损耗、偏压、放大倍数等。二端口网络的噪声系数定义为:P输入端信噪比一Sf/Ⅳj、小‘输出端信噪比so/No一。第三章频谱分析仪接收机前端指标分析对于二端口网络其增益为G附加噪声功率为Na有:Soi.Gs,No=MNo将式()代入()得:F:业=盟Gs,/NoGM因此:No=陌Ni()()()()两边取对数且通常用分贝值来定义噪声系数即朋陛lo旷则上式为:No(dB)=NFG(dB)M(riB)()上式(.)表明以分贝值计算通过二端:网络后输出噪声功率是输入噪声功率加上噪声系数和增益。因为元件或系统的噪声系数NF与输入噪声无关是其本身固有的特性故噪声系数NF的定义是基于室温下的带宽为B的标准输入噪声源Ⅳ『而言的。Ⅳ由下式给出:M=kTB(.)即带宽为B的热噪声功率。则:No=ⅣDGkBT=(F一)GkBTF=%抬r(.)()一般来说接收机系统通常包含着许多二端口网络(多级放大器、混频器和滤波器等)由此构成整个二端网络将信号放大到足够的功率水平。下图.为两个二端口网络级联增益分别为G和&噪声系数分别为n和乃级联后的噪声系数与增益分别为只和G口由式()得:No=EGkTB()蚤FlFGl&Ni=kTBIⅣalⅣlⅣa图两个二端口网络级联电子科技大学硕士学位论文这里G:GI*(但是F:z/:n仍由上一节分析根据式()、(.)及(.)可以得出:No互Gl七阳=N,G.Ⅳ口l=GlkTBNo(.)由(.)式第二级网络在输出端产生的噪声功率为:N=(E)GkTB()则输出端的总噪声功率为:No=ⅣlGN=石GlGkrB(F)G:kTB()由式(.)得出两级级联网络的噪声系数为:Fn=qN:历o=丽No邢等()可以推广到如下图所示的Ⅳ个网络的级联总的噪声系数为:SiFlF:GJG二N=kTBNolNaFlhlF。GJG。Na.nAa,rl图N个二端口网络级联足:F盟型..旦(.)上GGGGGG一上式是用来计算多级级联网络噪声系数的从式(.)中定义看出要使系统总的噪声系数降低第一级的增益和噪声系数是至关重要的若系统第一级具有高的增益上式可以验证系统总的噪声系数基本上等于第一级噪声系数因此降低接收机的总噪声系数系统第一级不但要具有低噪声系数而且要具有高增益。注意在使用式(.)时所有的和G都是倍数而不是dB。需要特别说明的是对于滤波器、混频器等损耗性电路在计算中其损耗就是噪声系数且增益是损耗的倒数即:若一个损耗为三的网络其增益为J厄噪声系数为三。..最大灵敏度n阳灵敏度是指仪器检测出微弱信号的能力它取决于仪器内部的噪声电平后第三章频谱分析仪接收机前端指标分析者取决于中频滤波器的带宽。频谱分析仪的灵敏度定义为它所能显示的平均噪声电平为了能够在噪声背景中观察到信号的谱线情况信号电平应比平均噪声电平高出dB左右。这一信号被认为是最小的可测量信号电平。室温下基底噪声为一dBm/Hz一个噪声系数为NF的频谱仪系统中系统要引入噪声基底噪声需要加上NF(dB)在中频带宽(即分辨率带宽)为BW(Hz)的前提下频谱仪灵敏度为:S=一c旧疗勋g口F阡Ⅳ:F()频谱仪的中频带宽在不同的测试需求下是可以变化的由此可以看出对于给定的噪声系数的前提下频谱仪灵敏度并非是一个固定量频谱仪的灵敏度会依赖其它的中频带宽的设置而变化。频谱仪的最大灵敏度即是在最小的中频带宽的条件下所获得的也是频谱仪在不借助其它额外器件的情况下所能测出的最小信号电平。由式(.)可见在最小中频带宽确定的情况下若要提高最大灵敏度只能降低接收机的的噪声系数。对于本课题中要求的最大灵敏度为.dBm在.Hz的最小分辨率带宽情况下要求接收机前端的噪声系数为:NF飞<S(.dBmBW)=.dB即要求接收机前端的噪声系数小于.dB。..尸J皿压缩点与动态范围n妇理想的无损耗线性网络的输出响应与输入激励信号之间呈线性关系且输出中没有额外的频率成分。但是理想的无损耗线性网络在实际中是不存在的有损耗就会产生热噪声导致网络在小信号输入时的非线性失真并且在有源网络中由于晶体管或FU/'等非线性器件的存在他们本身在大信号时如增益压缩、谐波失真及非线性杂散响应等特性会导致网络在大信号输入时的非线性失真。混频器、放大器及接收机一般工作在输出信号与输入信号成比例变化的线性区域。(旧压缩点的定义为:由于器件饱和区的影响增益降低ldB的点如图.示。ldB压缩点可以指输入电平或输出电平用PmldB表示输入IdB压缩点电平P倒dB表示输出dB压缩点电平则有:凡正ldBp矾豳(G.)()对频谱仪来说ldB压缩点的特性主要由接收机前端的放大器或混频器决定同时也受后级中频放大器指标的影响。为避免过载失真总是希望电路工作在线电子科技大学硕士学位论文性范围内因此到达接收机输入端口的信号电平应低于输入ldB压缩点的电平。图.尸脑压缩点频谱分析仪的动态范围是它同时处理不同电平信号的能力。动态范围的限值依赖于所要进行的测量动态范围下限是由自然噪声或相位噪声决定的动态范围的上限是由ldB压缩点或由频谱仪过载而造成的失真决定的。动态范围与下面将会讲到的测量电平范围概念不一样测量电平范围是从平均噪声电平到最大输入电平频谱仪为了准确测量大电平信号常常要将前端衰减器设置为大于零这样频谱仪的噪声就不可能是最小值。最大动态范围通常是在最小分辨率带宽下显示的平均噪声电平做为下限Pzas压缩点作为上限(如图)。如果到达第一级混频器的输入电平高出尸J棚压缩点那么将产生混频器的非线性失真使用较小的分辨率带宽失真产物就会明显地显示出来此时的频谱测量就不能反映被测设备的真实频谱。此时就需要手动设置衰减器值使混频器的Pas压缩点远高于输入电平。最人输入屯半T‰点.l平均噪声电平最小分辨牢带宽F的噪声电平图.输入电平范围与最大动态范围的比较在现代频谱仪技术中参考电平和衰减器的设置是连动的即使在手动设置衰减器时参考电平也是受限制的。ldB压缩点电平远高于参考电平。第三章频谱分析仪接收机前端指标分析..最大安全输入电平n接收机的最大输入电平是使用者安全操作频谱仪的重要要素虽然频谱仪开机时系统会自动预置dB衰减的程控衰减器但作为测试仪器必须考虑到当用户由于测试的需要可能会将衰减器衰减值设置为零而带来的后果而衰减器后的滤波器一般损耗较小因此为避免损坏频谱仪必须考虑位于接收机前端的混频器、放大器所能承受的最大输入电平以保证仪器的安全。在不借助其它配件的情况下最大安全输入电平是频谱仪所能测出的信号电平的上限最大灵敏度是其能测出的电平下限二者之间的范围就是频谱仪的测量电平范围。..互调失真mm一个理想线性双端口网络把输入信号无失真地转变成输出信号。其传递函数为:Vo“t(t)=GV‰O)(.)其中:仇坷(f)代表网络输出电压Vi.(t)代表网络输入电压GV为网络电压增益。这样理想的网络只能用无源器件实现。当网络中含有半导体器件时例如放大器件及混频器佳传递函数由于非线性将近似由一系列功率分量组合而成:‰(f)=儡‘三(f)司‘%(f)口:‘《(f)纷%(f)(.)这里:‰)为网络输出电压Ⅵn(f)为网络输入电压a万为各非线性分量的增益系数。在大多数情况下一般只考虑上式中的二次项和三次项即n=。对于许多电子器件例如混频器和检波器呈现非线性响应在有些场合是有用的。然而频谱分析仪要求无失真显示被测输入信号所以线性是频谱分析仪必须的性能参量。网络非线性对它输出频谱的影响依赖于它的输入信号。如果网络单音输入正弦信号:圪(f)=以sin(Ⅱf..r)()其中:巧新、厶J为圪(f)的峰值和频率。将式()代入式()可以看到由于非线性存在将在五=石处产电子科技大学硕士学位论文生各次谐波。当输入信号由两个幅度相等的正弦信号组成:%(f)=U。sin(Ⅱ厶..r)【。‘sin(zfm.‘t)()将公式(.)作为输入信号代到非线性公式(.)中就得到了输出信号混频产物(如表示)。表输出信号混频产物直流分量a.叱基波alU所sin(a,t)alU加sin(wt)二次谐波互口u坍.cos(lr)j口u加.cos(()f)二阶互调产物口痧以.cos((ol)taUd‰eos((l)r三次谐波百口院sin((‘)。f)丢口.叱幽(吖)云口以‘sin((I))f三阶互调产物百口’叱。sin()f”以.sin(卟叼f言”以。sin(())f除了产生谐波以外同时也有互调产物互调产物的阶数是所含频率各次项系数绝对值之和如频率oJ:和.的阶数都是表.中给出产物的最高阶数为。偶次互调产物和谐波频率远离输入信号可通过选用带宽小于一个倍频程的带通滤波器滤除。而低阶次的奇次互调产物主要是三阶互调产物由于在输入信号附近常常会落在接收机的通带内减小滤波器带宽虽可以降低三阶互调产物对接收机的影响然而要实现相对带宽很窄的射频滤波器是非常困难的因此第三章频谱分析仪接收机前端指标分析三阶互调产物对输入信号测试干扰最大。三阶互调失真并不局限于接收机射频前端以上讨论的带内三阶互调干扰特性同样适用于接收机的中频。当有两个信号的频率间隔小于第一级中频带宽时互调失真就可能在中频级产生。因此为了使互调失真的影响最小就必须在整个接收机RF.IF链的设计电路结构的选用与确定器件的选择等方面作仔细慎重的考虑并且作合理的优化。三阶互调失真特性的测试通常是将等幅双音信号加到接收机的输入端在接收机输出端产生三阶互调失真时测量输出等幅双音信号和三阶互调产物的功率。测得三阶互调量与等幅双音信号功率的分贝差被定义为互调比(MC)频谱仪的指标用互调比蹦C来衡量其互调特性。典型的测试双音互调特性IMC的装置如图.所示.图.双音互调失真测试装置尸“dBm)图三阶互调比及截断点的计算对图.中所测装置在尸折输入时的互调:IMC=尸D。柙三阶产物。现在截断点的概念越来越多被用来描述电子器件和无线接收机的互调失真特性。图.所示的就是双音三阶互调失真截断点的概念在输入输出功率对数坐标图中的曲线是典型的弱非线性系统傅氏频率响应的基波分量和三次分量。在小信号输入情况下即在压缩点以下其输出是斜率为的线性响应这表明输入增加ldB输出相应地线性增加ldB。点划线所描述的是随着等幅双音输入信号功率增大系统输出产生三阶互调失真的响应曲线输入每增加ldB输出线性增加dB斜率为。这是由于三阶互调失真是由弱非线性系统傅氏频率响应中三次方电子科技大学硕士学位论文项产生的对应基波输入在对数坐标图中其斜率是。这两条响应曲线线性部分虚构的延长线相交的点就是三阶截断点。图.双音互调失真输入输出关系曲线断点处的输入功率就是系统的双音互调输入三阶截断点。L棚moIPIIPLmdBm

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