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基于全数字中频技术频谱分析仪的工作原理-V1.0 汪进进 深圳市鼎阳科技有限公司 基于全数字中频技术频谱分析仪的工作原理-V1.0 汪进进 深圳市鼎阳科技有限公司 频谱分析仪简称频谱仪，是射频工程师最熟悉的一种仪器。相对于示波器作为“电子工程师的眼睛”， 占据“时域第一仪器”甚至“电子测试测量第一仪器”之地位，频谱仪堪称是射频领域的“频域第一仪器”。 有趣的是，长期习惯时域思维的工程师对频谱仪的原理了解很少，而长期从事射频的工程师问起示波 器的问题也充满萌意。 在多数频谱仪资料中都会提到，频谱仪从实现技术的原理上进行分类，有FFT 分析仪和超外差扫频式 频谱分析仪两大类; 也有说法是分为FFT 分析仪，超外差扫频式频谱分析仪和实时频谱仪三类。 现在市面上能买到的频谱仪几乎都是基于“超外差扫频技术实现的。我不确定是否有专门的FFT 分析 仪在卖。所谓FFT 分析仪是指先采集时域信号，再用FFT 算法将这个时域信号转换为频域，其实和示波器 FFT 分析的原理是完全一样的。任何示波器的数学运算功能中都有FFT 运算功能，从这种意义上说，示波器 就是一种FFT 分析仪。也因为示波器有FFT 功能，习惯于在时域里游走的朋友喜欢问: 示波器本身就可以 做频域分析，为什么还需要专门的频谱仪？ 示波器和频谱仪做频域分析有什么区别？ 扫频式频谱仪难道 不用FFT 吗？ …… 基于频谱仪这种仪器，仪器厂商后来又定义了新的产品品类，如信号分析仪，矢量分析仪，EMI 接收机， 实时频谱仪等新仪器。这些变换了名目的仪器之基本原理都是基于“超外差扫频”实现的，只是增加了比 较复杂的分析软件或是功能模块的硬件细节上有所改变。 本文将要讨论的基于全数字中频技术的频谱仪本质上也是基于“超外差扫频”的基本原理。随着数字 技术特别是FPGA 技术的发展，早期的全部采用模拟技术实现的频谱仪慢慢全部绝迹了，只是业界并没有将 基于全数字中频技术的频谱仪称为数字频谱仪。（我没有查核目前主流频谱仪厂商在卖的频谱仪哪些型号还 是全模拟实现的，诸位如果有这方面的清单，欢迎提供给我。）数字技术为频谱仪的发展带来了很大的技 术突破，其中一个集大成者就是所谓的实时频谱仪，它将 Overlap FFT 技术运用到了数字中频部分，结合 频域模板触发，产生了新的品类也满足了一些新的测量应用，成为仪器界一度流行的风景。 总结前面这段散侃式文字，我想强调的重点是：目前市面上所有频谱仪类产品，核心的原理都是“超 外差扫频”。 而理解超外差，实质就是理解混频器。 让我们先全景式概略了解一下目前主流的基于全数字中频技术的频谱仪的基本原理。 1 ，基于全数字中频技术的频谱仪原理概述 鼎阳科技频谱仪旗舰产品 SSA3000X 系列正是基于全数字中频技术实现的， 如图 1 所示是鼎阳科技 SSA3000X 的基本原理框图。一般的基于全数字中频技术的频谱仪实现原理皆与此相近。 SSA3000X 由模拟部分和数字部分组成。模拟部分将输入信号转换为模数转换器（ADC）可以接受的电 压范围和频率范围以实现数字化。数字部分对离散化之后的数字信号进行中频滤波、检波、视频滤波等一 系列处理之后送屏幕显示。 图1 基于全数字中频技术的频谱仪原理框图 SSA3032X 的输入信号频率范围是9KHz-3.2GHz，但ADC 的采样率是40MS/s，只能对20MHz 信号带宽以 内的信号进行不失真的采样。如何将输入信号很大的频率范围转换为相对较小的频率呢? 这里面涉及到频 率的“搬移”是通过混频器(Mixer）实现的。 输入信号通过衰减器，前置放大器及低通滤波器之后，将输入信号转换为混频器最佳工作电平送给混 频器，混频器根据该输入信号和本地压控振荡器（VCO）的输出时钟信号一起进行“超外差扫频”变换，将 输入信号的频率范围从9KHz-3.2GHz 转换为基于一定频点（几十MHz） 、能够被ADC 采样的带通信号，该 信号的带宽是分辨率带宽RBW 的几倍。VCO 的输出时钟信号的频率受数字部分的软件控制频率逐渐变化（扫 频）。 混频之后的信号再经过放大器和滤波器处理之后送给 ADC 进行离散化转换为数字信号，再经过混频器 数字下变频转变为基带信号。该基带信号经过中频滤波器（IF Filter）或FFT 分析处理，再经过检波器 和视频滤波器处理之后送屏幕显示。FFT 可以理解为一组中频滤波器同时进行处理。 中频滤波器的带宽即 非常著名的RBW。 RBW 和滤波器的形状将决