一种改善灵敏度的频谱分析仪的制作方法

本发明涉及频谱分析仪技术领域，特别涉及一种改善灵敏度的频谱分析仪。

背景技术：

频谱分析仪是一种用来对被测信号进行频谱分析的接收机，可以测量未知信号的频率、幅值、失真等相关参数，通常具有很宽的频率和幅值测量范围。主要应用于基站维护、电子产品研发、生产等领域。频谱分析仪又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。频谱分析仪的主要技术指标有频率范围、分辨力、扫频速度、灵敏度、显示方式和假响应、显示平均噪声电平(DANL)等，显示平均噪声电平(DANL)决定了频谱分析仪可测量的最小信号幅度。

如图1所示，为传统的频谱分析仪的工作原理图。输入射频信号经过多次变频将频率较高的信号改变为数字中频模块可处理的低频信号。由于是多次混频，所以必然要求提供多个本振信号。在这一转变过程中，由于混频器本身的特性决定，会产生无用边频及非线性杂散等，为了保证信号频谱的纯度，就需要用滤波器将不需要的信号滤除。

基于图1的基础上，本公司对频谱分析仪进行了改进。如图2所示，为改进型频谱分析仪的工作原理图。该频谱分析仪采用三级混频的方案实现。射频信号输入至S1、S2开关，目的是根据扫频频率将信号分成多个频段(通道)分别处理，以频段1为例，SPDT开关输出的信号依次经过滤波器1及电阻衰减网络后输出给第一混频器，滤波器1的主要作用是滤除输入信号中的镜像频率，电阻衰减网络是用于调整该通道信号幅度。第一混频器将射频输入信号与第一本振信号相混频，输出经过第一中频滤波器滤波后，产生第一中频信号作为S4开关的一路，输入至第二混频器。频段2与频段1在第二混频器前的处理方式一致。各频段的第一中频信号在第二混频器前合为一路，输入至第二混频器，第二混频器将第一中频信号与第二本振信号相混频，输出经过第二中频滤波器滤波后，产生第二中频信号；第三本振产生第三混频器的本振信号，第三混频器将第二中频信号与第三本振信号相混频，输出经过第三中频滤波器滤波后，产生第三中频信号；第三中频信号输入至数字中频处理模块进行处理。

在该方案中，输入射频信号在第二混频器前分成多个频段进行分别处理，由于信号传输路径不同以及混频器、滤波器、开关等器件的插入损耗不同，若没有电阻衰减网络调整信号幅度的话，各个频段第一中频信号输入第二混频器的幅度是相差比较大的。第一中频信号在第二混频器前合成一路后，后级信号传输路径都是一样的，且传输路径上没有能可控调整信号幅度的装置。导致各频段输入至数字中频处理模块的信号幅度差别比较大的，经过数字中频采样、处理及整机校准后，整个测量频段的频率响应平坦度比较差。通常为了尽量优化整个频段的频率响应平坦度，会调整各频段信号经过各级混频处理后进入ADC的幅度尽量相等。本方案中在第一混频器前各个频段分别加电阻衰减网络(衰减网络的衰减量可能为0)就是为了实现此目标。电阻衰减网络也是实现此目标电路最简单，成本最低，最易实现的方法。

根据级联系统的噪声系数理论可知，系统的总噪声系数主要取决于系统第一级有增益器件前的噪声系数，越靠系统后级的网络对系统的噪声系数影响越小。该方案的缺点是，为了改善整个频段的频率响应平坦度，在插入损耗小的信号通道上通过增加电阻衰减网络，刻意增加了插入损耗，即增大了噪声系数。而电阻网络位于第一混频器前，系统在第一混频器前没有增益，因此增加电阻网络引入的噪声系数增加对整个接收系统噪声系数增大影响非常大，电阻网络噪声系数增加1，整个接收系统噪声系数也增加1。频谱仪DANL是与噪声系数直接相关的指标，系统噪声系数变大，DANL变大，频谱仪的接收灵敏度性能变差。

技术实现要素：

为解决现有技术的问题，本发明提出一种改善灵敏度的频谱分析仪，通过更改可变衰减电路在频谱分析仪的电路中的位置，将可变衰减电路置于系统的最后一级混频器之后，既可以更方便准确的满足现有方案改善频率响应平坦度的要求，又可以解决现有方案存在的引入衰减网络对系统噪声系数影响较大的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种改善灵敏度的频谱分析仪，包括：依次串联的多级混频器，在每级混频器之后均串联相应级的中频放大器和中频滤波器；在最后一级混频器和数字中频模块之间设置可变衰减电路，所述可变衰减电路与所述最后一级混频器、最后一级中频放大器、所述最后一级中频滤波器相串联；

所述可变衰减电路根据射频前端的不同通道相应设置不同的偏压，利用所述偏压改善频谱分析仪的灵敏度。

优选地，所述可变衰减电路设置在所述最后一级混频器和所述最后一级中频放大器之间。

优选地，所述最后一级混频器的输出端与所述可变衰减电路的一端相连，所述可变衰减电路的另一端与所述最后一级中频放大器的输入端相连，所述最后一级中频放大器的输出端与所述最后一级中频滤波器相连。

优选地，所述最后一级混频器与所述最后一级中频滤波器直接相连，所述最后一级中频滤波器的输出端与所述可变衰减电路的一端相连，所述可变衰减电路的另一端与所述最后一级中频放大器相连。

优选地，所述最后一级混频器与所述可变衰减电路的一端直接相连，所述可变衰减电路的另一端与所述最后一级中频滤波器的一端相连，所述最后一级中频滤波器的另一端与所述最后一级中频放大器相连。

优选地，所述可变衰减电路由至少两级PIN二极管串联构成。

优选地，所述可变衰减电路为数控衰减器或电压控制衰减器。

优选地，所述可变衰减电路的输出电压的等效表达式为：

V_o表示射频信号到达可变衰减电路时的电压值；R_o表示可变衰减电路之前的电路等效阻抗；R_L表示可变衰减电路之后的电路等效阻抗；R_v表示可变衰减网络的等效阻抗。

上述技术方案具有如下有益效果：本技术方案有利于改善频谱仪的DANL性能，且对频率响应平坦度的调整更方便、准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统的频谱分析仪的工作原理图；

图2为改进型频谱分析仪的工作原理图；

图3为三级级联系统的等效原理图；

图4为本发明提出的一种改善灵敏度的频谱分析仪电路原理图；

图5为可变衰减电路的等效电路图；

图6为本实施例的频谱分析仪的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术方案的工作原理：如图3所示，为三级级联系统的等效原理图。根据级联系统的噪声系数理论，推导出级联系统输出总的噪声系数为：

其中，F₁、F₂、F₃分别表示级联系统中第一级、第二级、第三级的噪声系数，分别表示级联系统中第一级、第二级的增益。

从该公式可以看出，系统前几级的噪声系数对系统影响最大。为了降低级联系统的噪声系数，必须降低第一、二级的噪声系数并适当提高它们的增益，以降低各级噪声对系统的影响。如果第一级没有增益，反而有损耗，对降低系统的噪声系数是非常不利的。

由于现有技术中的第一级混频器前没有放大电路，直接在第一级混频器前增加衰减，相当于增加了级联系统中第一级的噪声系数，对总噪声系数的影响是非常大的。基于这一原因，本技术方案将可变衰减电路置于最后一级混频器的后面，由于系统的第一级中频放大器，第二级中频放大器等具有增益作用，最后一级混频器后由于增加可变衰减电路，噪声系数增加对系统噪声系数的影响非常弱。既可以改善整个频段的频率响应平坦度，又基本不会对系统噪声系数有影响，且用可变衰减电路调节通道的衰减，调节更准确灵活方便，便于不拆机进行调整，节约生产时间与成本。

基于上述工作原理，本发明提出了一种改善灵敏度的频谱分析仪。如图4所示。包括：依次串联的多级混频器，在每级混频器之后均串联相应级的中频放大器和中频滤波器；在最后一级混频器和数字中频模块之间设置可变衰减电路，所述可变衰减电路与所述最后一级混频器、最后一级中频放大器、所述最后一级中频滤波器相串联；

所述可变衰减电路根据射频前端的不同通道相应设置不同的偏压，利用所述偏压改变可变衰减电路的衰减量，进而改善频谱分析仪的频率响应平坦度。

在图4中，混频器与同级别的中频放大器、中频滤波器依次相串联连接。其实，同级别的中频放大器和中频滤波器之间位置可相互调换，即混频器与同级别的中频滤波器、中频放大器依次串联连接。

对于本技术方案来说，将可变衰减电路的设置在最后一级混频器和数字中频模块之间，就能够改善整个频段的频率响应平坦度。但是，可变衰减网络置于最后一级中频放大之前有利于降低对最后一级中频放大器的线性度要求，降低最后一级中频放大器的选型难度，降低成本。

基于此，对技术方案进一步地优化，所述可变衰减电路设置在所述最后一级混频器和所述最后一级中频放大器之间。

基于中频放大器和中频滤波器的位置可调换，再加上可变衰减电路最好设置在最后一级混频器和最后一级中频放大器之间。下面列出中三种详细的可变衰减电路的连接方式。

第一种：所述最后一级混频器的输出端与所述可变衰减电路的一端相连，所述可变衰减电路的另一端与所述最后一级中频放大器的输入端相连，所述最后一级中频放大器的输出端与所述最后一级中频滤波器相连。

第二种：所述最后一级混频器与所述最后一级中频滤波器直接相连，所述最后一级中频滤波器的输出端与所述可变衰减电路的一端相连，所述可变衰减电路的另一端与所述最后一级中频放大器相连。

第三种：所述最后一级混频器与所述可变衰减电路的一端直接相连，所述可变衰减电路的另一端与所述最后一级中频滤波器的一端相连，所述最后一级中频滤波器的另一端与所述最后一级中频放大器相连。

如图5所示，为可变衰减电路的等效电路图。可变衰减电路的输出电压的等效表达式为：

V_o表示射频信号到达可变衰减电路时的电压值；R_o表示可变衰减电路之前的电路等效阻抗；R_L表示可变衰减电路之后的电路等效阻抗；R_v表示可变衰减网络的等效阻抗。

式中可以看出，当R_v变大时，V_out变小，可变衰减电路对信号的衰减增大。

本方案的可变衰减电路可由至少两级PIN二极管串联构成，还可为数控衰减器或电压控制衰减器。对于本实施来说，可变衰减电路采用两级PIN二极管串联实现。当对PIN二极管加正向偏压时，二极管等效为一个电阻，且等效电阻的阻值与正向导通流过的电流呈近似反比关系。正向偏压越大，流过二极管的电流越大，则等效电阻越小，则PIN二极管构成的衰减网络衰减量越大。

对于本实施来说，通过FPGA控制改变数模转换器(DAC)的输出电压值来改变PIN二极管的正向偏压，从而控制该可变衰减电路的衰减值。可变衰减电路根据第一级混频器前的通道不同而设置不同的衰减值，即设置不同的DAC值，所有DAC值被存储在存储器中，根据当前通道设置调用相应的DAC值。

关于衰减值控制的实现方法，下面举例说明：

由系统方案及各器件特性决定，当输入的射频信号为50MHz时，射频前端切换到通道1，与相应的各级本振混频后，最后一级混频器输出的中频信号幅度为-10dBm；当输入的射频信号为3500MHz时，射频前端切换到通道2，与相应的各级本振混频后，最后一级混频器输出的中频信号幅度为-6dBm；当输入的射频信号为4500MHz时，射频前端切换到通道3，与相应的各级本振混频后，最后一级混频器输出的中频信号幅度为-7dBm。为了改善整个测试频段内的频率响应平坦度，要求同幅度不同频率的射频输入信号经过与相应的各级本振混频后，输入至数字中频模块的中频信号幅度大致相等，因此，假设可变衰减电路的插入损耗不考虑，当当前扫频通道为通道1时，可变衰减电路由DAC控制的衰减值置为0，当当前扫频通道为通道2时，可变衰减电路由DAC控制的衰减值置为-4，当前扫频通道为通道2时，可变衰减电路由DAC控制的衰减值置为-3。

如图6所示，为本实施例的频谱分析仪的电路图。本实施例的频谱分析仪频率测量范围是9kHz至6.5GHz。

扫频频率范围9kHz至3.2GHz时，开关S1及开关S4切换至通道1这路，输入信号经过开关S1输入至滤波器1，滤除镜像频率后的信号输入至第一混频器A与第一本振A混频，输出第一中频信号A经过第一中频放大器A放大及第一中频滤波器A滤除无用信号后，经过S4输出至第二混频器。

扫频频率范围3.2GHz至6.5GHz时，开关S1及开关S4切换至通道2～通道n这路。根据扫频频率不同，进一步控制开关S2及开关S3开关切换，使射频输入信号经过不同的滤波器通道滤波，然后再输入至第一混频器B与第一本振B混频，输出第一中频信号B经过第一中频放大器B放大及第一中频滤波器B滤除无用信号后，经过开关S4输出至第二混频器。

第一中频信号A和第一中频信号B均是窄带信号，两个通道的第一中频信号在第二混频器前合为一路，输入至第二混频器，与第二本振混频得到第二中频信号；第二中频信号经过第二中频放大器，第二中频滤波器后输入至第三混频器，与第三本振混频得到第三中频信号；第三中频信号先通过可变衰减网络，再进行第三中频放大，第三中频滤波，然后输出提供给数字中频处理模块进行数字采样处理。

本方案中第一本振是宽带信号，第二本振和第三本振都是固定频率信号。宽范围的射频频率经过第一混频，与宽带扫频的第一本振信号混频后即变频为窄带的第一中频信号，第二、第三中频信号也均是窄带信号，信号带宽与频谱仪分析带宽一致。并且，扫频频率不同时，只是第一本振及第一中频信号频率会不同，第二第三中频信号频率是相同的。

因此，本实施例方案中，相等幅度、不同频率的射频信号经过射频前端对应的滤波器通道(通道1～通道n)后，由于信号传输路径不同以及开关、滤波器、混频器等器件插入损耗及频率响应平坦度特性不同，变频后进入第二混频器的第一中频信号幅度是不相等的，不同通道的差别可能会比较大。由于对于不同的扫频频率，第二中频信号是频率相同的窄带信号，经过同样的第二中频放大、滤波及第三混频，从第三混频器输出的第三中频信号也是幅度不相等的。第三混频器后连接的可变衰减器用来根据当前设置的射频前端通道(通道1～通道n)来配置不同的衰减量，以实现相同幅度，不同频率的射频输入信号经过相应的射频前端通道及第一混频、第二混频、第三混频后，从可变衰减器后输出的信号幅度是大致相等的，从而可保证进入数字中频处理模块的信号幅度是大致相等的。因此本方案可以实现改善频谱仪频率响应平坦度的目标。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。