分析仪调谐

我们需要知道怎样将频谱仪调谐至我们 所希望的频率范围。调谐取决于中频滤波 器的中心频率、本振的频率范围和允许外 界信号到达混频器（允许通过低通滤波 器）的频率范围。从混频器输出的所有信 号分量中，有两个具有最大幅度的信号是 我们最想得到的，它们是由本振与输入信 号之和以及本振与输入信号之差所产生 的信号分量。如果我们能使想观察的信号 比本振频率高或低一个中频，则所希望的 混频分量之一就会落入中频滤波器的通 带之内，随后会被检波并在屏幕上产生幅 度响应。
     为了使分析仪调谐至所需的频谱范围，我 们需要选择合适的本振频率和中频。假 定要求的调谐范围是 0 至 3.6 GHz，接下 来需要选择中频频率。如果选择 1 GHz 的 中频，这个频率处在所需的调谐范围内， 我们可以得到一个 1 GHz 的输入信号，又 由于混频器的输出包含原始输入信号，那 么来自于混频器的 1 GHz 输入信号将在 中频处有恒定的输出。所以不管本振如何 调谐，1 GHz 的信号都将通过系统，并在 屏幕上给出恒定的幅度响应。其结果是 在频率调谐范围内形成一个无法进行测 量的空白区域，因为在这一区域的信号幅 度响应独立于本振频率。所以不能选择 1 GHz 的中频。
    也就是说，我们应在比调谐频段更高的频 率上选择中频。在可调谐至 3.6 GHz 的 Keysight X 系列信号分析仪中，第一个本 振频率范围为 3.8 至 8.7 GHz，选择的中 频频率约为 5.1 GHz。
现在我们想从 0 Hz（由于这种结构的仪器 不能观察到 0 Hz 信号，故实际上是从某个 低频）调谐到 3.6 GHz。
    选择本振频率从中频开始（LO - IF = 0 Hz） 并向上调谐至高于中频 3.6 GHz，则 LO - IF 的混频分量就能够覆盖所要求的调谐范围。 运用这个原理，可以建立如下调谐方程：
     f sig = fLO - fIF 式中， 
     f sig = 信号频率 
     fLO = 本振频率 
     fIF = 中频（IF）
     如果想要确定分析仪调谐到低频、中频 或高频信号（比如 1 kHz、1.5 GHz 或 3 GHz）所需的本振频率，首先要变换调谐 方程得到 fLO:
      f LO = fsig + fIF
     然后代入信号和中频频率 :
     f LO = 1 kHz + 5.1 GHz = 5.100001 GHz 
     f LO = 1.5 GHz + 5.1 GHz = 6.6 GHz or 
     f LO = 3 GHz + 5.1 GHz = 8.1 GHz
     图 2-4 举例说明了分析仪的调谐过程。 图中，f LO 并未高到使 fLO -fsig 混频分量落 入 IF 通带内，故在显示器上没有响应。但 是，如果调整斜波发生器使本振调谐到 更高频率，则混频分量在斜波（扫描）的 某点上将落入 IF 通带内，我们将看到显 示器上出现响应。

     由于斜波发生器能同时控制显示器上迹 线的水平位置和本振频率，因此可以根 据输入信号的频率来校准显示器的横 轴。
     我们还未完全解决调谐问题。如果输入 信号频率是 9.0 GHz，会发生什么情况 呢？当本振调谐在 3.8 至 8.7 GHz 的范围 时，在它到达远离 9.0 GHz 输入信号的中 频（3.9 GHz）时，会得到一个频率与中频 频率相等的混频分量，并在显示器上生 成响应。换句话说，调谐方程很容易地 成为：
     fsig = fLO + fIF
     这个公式表明图 2-1 的结构也能得到 8.9 至 13.8 GHz 的调谐范围，但前提是允许 此范围内的信号到达混频器。

     图 2-1 中输入端低通滤波器的作用就是 阻止这些高频信号到达混频器。如前所 述，我们还要求中频信号本身不会到达混 频器，那么低通滤波器必须能对 5.1 GHz 以及 8.9 至 13.8 GHz 范围内的信号进行 有效的衰减。
     总之，可以认为对于单频段射频频谱分 析仪，选择的中频频率应高于调谐范围 的最高频率，使本振可以从中频调谐至调 谐范围的上限频率加上中频，同时在混频 器前端放置低通滤波器来滤除 IF 以下的 频率。
    为了分辨频率上非常接近的信号（见稍后 的“信号分辨”一节），有些频谱仪的中频 带宽窄至 1 kHz，有些达到 10 Hz 甚至 1 Hz。这样的窄带滤波器很难在 5.1 GHz 的 中心频率上实现，因此必须增加另外的混 频级（一般为 2 至 4 级）来把第一中频下 变频到最后的中频。图 2-5 是一种基于典 型频谱分析仪结构的中频变换链。

    对应的完整的调谐方程为：
    f sig = fLO1 – (fLO2 + fLO3 + ffinal IF)
   而
   f LO2 + fLO3 + ffinal IF = 4.8 GHz + 300 MHz + 22.5 MHz = 5.1225 GHz，即为第一中频。
   可以看出它与仅仅使用第一个中频的简化 调谐方程得到一样的结果。虽然图 2-5 中 只画出了无源滤波器，但实际还有更窄中频 级的放大。基于频谱仪自身的设计，最终的 中频结构可能还包括对数放大器或模数转 换器等其他器件。
   大多数射频频谱分析仪都允许本振频率和 第一中频一样低，甚至更低。由于本振和混 频器的中频端口之间的隔离度有限，故本振 信号也会出现在混频器输出端。当本振频 率等于中频时，本振信号自身也被系统处理并在显示器上出现响应，就像输入了一 个 0 Hz 的信号一样。这种响应称为本振 馈通，它会掩盖低频信号。所以并不是所 有的频谱仪的显示范围都能包含 0 Hz。
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