Comparison of Analog IF and All-digital IF Used in Spectrum Analyzer

作者：程建川 普源精電技術(shù)應(yīng)用工程師 

隨著模數(shù)轉(zhuǎn)換器、高性能微處理器和可編程器件等器件和技術(shù)近年來(lái)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，頻譜儀也從模擬中頻時(shí)代進(jìn)入全數(shù)字中頻時(shí)代。全數(shù)字中頻技術(shù)的采用使頻譜儀的多項(xiàng)指標(biāo)得到顯著提升。北京普源精電(RIGOL)最新推出的DSA1030A頻譜分析儀采用的就是全數(shù)字中頻技術(shù)，成為為數(shù)不多的掌握該技術(shù)的頻譜儀供應(yīng)商之一。

原理及設(shè)計(jì)對(duì)比

為了便于說(shuō)明數(shù)字中頻和模擬中頻對(duì)于頻譜儀的影響，我們先簡(jiǎn)單分析一下這兩種類(lèi)型頻譜儀實(shí)現(xiàn)的原理。圖1就是典型的模擬中頻頻譜儀的原理框圖。射頻信號(hào)進(jìn)入頻譜儀后首先經(jīng)過(guò)衰減器，將信號(hào)幅度調(diào)節(jié)到混頻器最佳工作范圍內(nèi)，然后通過(guò)頻譜儀內(nèi)部的變頻器將射頻信號(hào)變到相對(duì)較低的中頻，中頻濾波實(shí)現(xiàn)不同帶寬的選擇后，包絡(luò)檢波后得到視頻信號(hào)，最終顯示在屏幕中。由圖1可見(jiàn)，幾乎所有部件都是模擬器件，因此模擬中頻實(shí)現(xiàn)的頻譜儀一般都比較笨重。

而數(shù)字中頻頻譜儀的設(shè)計(jì)核心是全數(shù)字式的中頻轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理鏈，通過(guò)全數(shù)字中頻技術(shù)，分析儀不再依賴(lài)于響應(yīng)遲鈍的晶體和LC型濾波器。射頻前端的處理與模擬中頻頻譜儀的射頻部分處理無(wú)明顯變化，重點(diǎn)在變頻器完成頻譜從高到低的搬移后，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模擬到數(shù)字的變換，使用數(shù)字處理方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻、中頻濾波器、包絡(luò)檢波器、視頻濾波器以及幅度定標(biāo)等模塊，最終完成輸入信號(hào)譜的計(jì)算和顯示。與模擬中頻頻譜儀比，數(shù)字中頻頻譜儀在數(shù)字域上實(shí)現(xiàn)放大、濾波、檢波等一系列中頻處理，并最終送給LCD顯示。數(shù)字檢波器，數(shù)字濾波器的采用極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、一致性、測(cè)量速度，同時(shí)進(jìn)一步縮小了頻譜儀的體積。

數(shù)字中頻頻譜儀與模擬中頻頻譜儀比較，具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)數(shù)字中頻的研究也有很多技術(shù)上的難點(diǎn)需要突破，具體說(shuō)來(lái)包括數(shù)字中頻系統(tǒng)布局，數(shù)字濾波器、數(shù)字檢波器的設(shè)計(jì)，以及掃描時(shí)間的研究。數(shù)字中頻技術(shù)是頻譜分析儀的關(guān)鍵技術(shù)之一。負(fù)責(zé)對(duì)A/D采樣得到的中頻信號(hào)解析出來(lái)，最終以譜線形式提供給用戶(hù)，包括A/D采樣，數(shù)字下變頻，中頻濾波器，包絡(luò)檢波器，視頻濾波器，以及幅度定標(biāo)等模塊。如何合理的布局，組織數(shù)據(jù)流鏈路，以及資源優(yōu)化都是數(shù)字中頻技術(shù)研究課題之一。

數(shù)字中頻實(shí)現(xiàn)中重要的一個(gè)模塊是數(shù)字中頻濾波器的實(shí)現(xiàn)。采用數(shù)字中頻濾波器可以得到高穩(wěn)定的性能表現(xiàn)，同時(shí)可以得到更小的RBW切換誤差，以及濾波器穩(wěn)定時(shí)間。該模塊包括CIC濾波器，及FIR濾波器，如何得到設(shè)計(jì)要求的3dB RBW帶寬，以及<5:1的60dB/3dB形狀因子，綜合考慮動(dòng)態(tài)范圍要求的旁瓣抑制，以及符合掃描時(shí)間要求的響應(yīng)時(shí)間都是研究的重點(diǎn)。

各種視頻檢波器也都使用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)。為了適用不同類(lèi)型信號(hào)的測(cè)量，頻譜儀需要提供相應(yīng)的檢波方式：包括正峰值檢波，負(fù)峰值檢波，標(biāo)準(zhǔn)檢波，抽樣檢波，有效值平均檢波，電壓平均檢波等。其中部分檢波需要使用CORDIC算法來(lái)完成。

此外，另一個(gè)需要重點(diǎn)研究的課題是掃描時(shí)間，掃描時(shí)間幾乎涉及到頻譜分析儀系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的響應(yīng)時(shí)間，因此該問(wèn)題的研究復(fù)雜度較高。該問(wèn)題涉及到射頻前端本振何時(shí)調(diào)頻，頻率鎖定的最小時(shí)間，中頻濾波器的穩(wěn)定時(shí)間，檢波等運(yùn)算時(shí)間等。掃描時(shí)間的優(yōu)化涉及到各個(gè)模塊響應(yīng)時(shí)間的精確計(jì)算以及各個(gè)模塊單元的優(yōu)化。只有充分研究清楚系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的最短響應(yīng)時(shí)間，才能充分發(fā)揮數(shù)字中頻快速穩(wěn)定精確的特點(diǎn)。

指標(biāo)分析

采用全數(shù)字中頻的頻譜儀與模擬中頻頻譜儀比較，若干關(guān)鍵指標(biāo)都得到較大幅度提升，同時(shí)穩(wěn)定性，可生產(chǎn)性也得到較大幅度的提升。以DSA1030A作為數(shù)字中頻代表與市面上模擬中頻頻譜儀做比較來(lái)說(shuō)明數(shù)字中頻技術(shù)的優(yōu)越性。

1. 采用全數(shù)字中頻技術(shù)可以測(cè)量更小的信號(hào)：通過(guò)實(shí)現(xiàn)更小帶寬的中頻濾波器，大幅度降低了顯示平均噪聲電平。DSA1030A實(shí)現(xiàn)了最小10Hz的RBW，而要實(shí)現(xiàn)這么小帶寬的模擬濾波器技術(shù)上是很困難的。如圖3所示，當(dāng)設(shè)置更小的RBW時(shí)，頻譜儀的本底噪聲也將相應(yīng)降低(VBW都選擇10Hz，同時(shí)掃描時(shí)間都選擇自動(dòng))，降低大小可以用公式(1)說(shuō)明。如果RBW從10kHz修改成1kHz，則底噪將下降10dB。DSA1030A在內(nèi)部標(biāo)配的前置放大器打開(kāi)之后，選擇10Hz的RBW，可以測(cè)量達(dá)-148dBm的信號(hào)，如圖4。

其中：ΔdB—低噪的變化量，單位為dB;BW1—修改前的分辨率帶寬值，單位為Hz;BW2—修改后的分辨率帶寬值，單位為Hz。

2.采用全數(shù)字中頻技術(shù)可以分辨更近的信號(hào)：通過(guò)實(shí)現(xiàn)更小帶寬的中頻濾波器，可以分辨頻率相差只有10Hz的兩個(gè)信號(hào)。最小分辨率帶寬是用來(lái)說(shuō)明頻譜儀能分辨兩個(gè)幅度相當(dāng)而頻率相差很小信號(hào)能力的指標(biāo)。越小的分辨率帶寬就可以分辨距離越近的信號(hào)。例如輸入一個(gè)兩個(gè)頻率相差150Hz的雙音信號(hào)，使用30Hz的RBW可以輕易分辨,而3kHz的RBW則不能辦到。圖5和圖6所示。分辨率帶寬是指中頻濾波器下降3dB處的帶寬。

此外，數(shù)字濾波器的形狀因子可以做得更小，從而以前被掩埋在大信號(hào)裙帶下的小信號(hào)采用更好選擇性的數(shù)字濾波器之后得以凸現(xiàn)。選擇性是60dB帶寬與3dB帶寬的比值。DSA1030A的中頻濾波器選擇性為5，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于模擬濾波器的15。如圖7和8。采用數(shù)字濾波器的DSA1030A更容易分辨兩個(gè)相距9kHz,幅度相差30dB的信號(hào)。

3.采用全數(shù)字中頻技術(shù)可以獲得更高精度的幅度指標(biāo)：幾乎消除了傳統(tǒng)模擬中頻由于中頻濾波器切換誤差，參考電平不確定度，刻度失真，幅度對(duì)數(shù)線性切換誤差等諸多因素造成的幅度誤差，從而得到更高的全幅度精度。模擬中頻頻譜儀中修改參考電平是通過(guò)調(diào)節(jié)模擬中頻放大器實(shí)現(xiàn)的，刻度保真度也受限于充當(dāng)包絡(luò)檢波的對(duì)數(shù)放大器，此外，中頻濾波器的切換是通過(guò)選擇不同模擬濾波器實(shí)現(xiàn)的。由于模擬器件受環(huán)境溫度等影響，會(huì)導(dǎo)致各個(gè)環(huán)節(jié)都帶來(lái)幅度誤差。然而，數(shù)字中頻就大大減弱和消除了這些誤差影響。DSA1030A的全幅度誤差小于1dB。

4.采用全數(shù)字中頻可以獲得更寬的動(dòng)態(tài)范圍和顯示范圍：數(shù)字中頻頻譜儀將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，動(dòng)態(tài)范圍決定于數(shù)字定點(diǎn)處理過(guò)程中的字長(zhǎng)，只要充足的處理資源就可以得到很高的動(dòng)態(tài)范圍。而模擬中頻受對(duì)數(shù)放大器等器件的動(dòng)態(tài)范圍制約。因此，模擬中頻的頻譜儀通常只顯示80dB的范圍內(nèi)的信號(hào)，而數(shù)字中頻頻譜儀可以得到大的多的測(cè)量范圍和顯示范圍。DSA1030A可以設(shè)置200dB的顯示范圍，而相同設(shè)置下測(cè)量范圍達(dá)到130dB。

5.采用全數(shù)字中頻技術(shù)可以得到更穩(wěn)定的表現(xiàn)：與傳統(tǒng)模擬中頻相比，大大降低了模擬器件的使用，降低了硬件系統(tǒng)復(fù)雜度，同時(shí)也降低了由于通道老化和溫度敏感以及器件失效等造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定度。系統(tǒng)越復(fù)雜，越不穩(wěn)定。做硬件設(shè)計(jì)的都知道，越簡(jiǎn)單的單板一定越穩(wěn)定，因?yàn)椋骷p少，必然降低了出錯(cuò)的概率，系統(tǒng)穩(wěn)定性依賴(lài)于每個(gè)器件的穩(wěn)定性。而使用數(shù)字中頻，復(fù)雜的器件組合編程固化在芯片中的代碼，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試調(diào)試，程序可以按照設(shè)計(jì)的程式工作，而不用擔(dān)心其中一段代碼突然工作不正常。

6. 采用全數(shù)字中頻技術(shù)可以獲得更快的測(cè)量速度：數(shù)字中頻濾波器技術(shù)的采用，大大提高了濾波器的帶寬精度和選擇性，減小了響應(yīng)時(shí)間，從而大大降低了掃描時(shí)間，提高了測(cè)量速度(見(jiàn)式2)。

(2)其中：Span—當(dāng)前測(cè)量設(shè)置的掃寬，單位Hz;RBW—當(dāng)前設(shè)置的分辨率帶寬，單位Hz;VBW—當(dāng)前設(shè)置的視頻帶寬，單位Hz;KRBW—當(dāng)前RBW的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間的比例系數(shù);KVBW—當(dāng)前VBW的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間的比例系數(shù);

RBW的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間的比例系數(shù)與頻譜儀的中頻濾波器的實(shí)現(xiàn)有關(guān)，模擬中頻的頻譜儀，由于響應(yīng)遲鈍的晶體和LC型濾波器，比例系數(shù)K一般為3左右。而像DSA1030A一樣采用數(shù)字中頻方案的數(shù)字濾波器可以得到更小的比例系數(shù)K，DSA1030A的比例系數(shù)達(dá)到1，如圖9所示。例如，同樣將頻譜儀掃寬設(shè)置成10MHz，RBW設(shè)置成1kHz，VBW大于1kHz，此時(shí)DSA1030A對(duì)應(yīng)的K值為1，掃描時(shí)間為10s;而模擬中頻中K值如果為3，則需要30s。

結(jié)語(yǔ)

全數(shù)字中頻技術(shù)對(duì)頻譜儀性能的提升具有里程碑意義。相對(duì)于模擬中頻，數(shù)字中頻意味著更大的顯示和測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍，更高的精度、信號(hào)分辨力、靈敏度，更快的測(cè)量速度，更穩(wěn)定的表現(xiàn)以及更平易近人的價(jià)格，相信頻譜分析儀這個(gè)射頻微波測(cè)量的利器將在工程師手中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

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