頻譜分析儀綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用

董英雷，姜乃卓，葛中芹，莊建軍

頻譜分析儀綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用

董英雷，姜乃卓，葛中芹，莊建軍

（南京大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023）

為進(jìn)一步提升教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，設(shè)計(jì)了一種超外差結(jié)構(gòu)的頻譜分析儀綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)學(xué)生可以全面深刻地掌握高頻電路課程的核心知識。頻譜分析儀采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各模塊均可由學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)和制作，并接入系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。儀器具有100 kHz的頻率分辨率，頻率測量范圍為50 MHz~300 MHz，頻譜曲線顯示清晰，功率測量精度較高。試用表明，該頻譜儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教學(xué)效果好，可作為簡易頻譜儀在高校實(shí)驗(yàn)室大范圍推廣。

頻譜測量；混頻；鎖相環(huán)；信噪比

高頻電子線路理論課和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課是電子信息專業(yè)的主干課程。目前大部分高校開設(shè)的高頻電路實(shí)驗(yàn)還是以傳統(tǒng)的單元電路的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，缺乏有趣味性和應(yīng)用性的綜合實(shí)驗(yàn)，學(xué)生應(yīng)用理論知識分析問題、解決問題的能力得不到有效提升，對學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力鍛煉不夠，教學(xué)效果無法有效提升[1-2]。為此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)外差式結(jié)構(gòu)的頻譜測量儀綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1 頻譜分析儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以STM32系列單片機(jī)作為控制核心，包含電源模塊、低噪聲前置放大器模塊、衰減器模塊，混頻器模塊、本振信號源模塊、中頻濾波器模塊，中頻放大器模塊、有效值檢波模塊等。以矩陣鍵盤和高分辨率液晶顯示屏作為用戶的輸入和輸出接口，可以通過鍵盤設(shè)定頻譜儀的掃頻范圍，被測信號的頻譜可以直接在液晶顯示屏上顯示，也可以通過RS232串行接口將測量的頻譜數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上通過Origin、Matlab等多種軟件繪制信號的頻譜圖。

頻譜分析儀的主要技術(shù)指標(biāo)：輸入信號的頻率范圍為50 MHz~300 MHz，輸入信號最小峰峰值為1 mV值，輸入動態(tài)范圍大于40 dB，頻率分辨率100 kHz。對雜散信號和系統(tǒng)本底噪聲的抑制超過50 dB。

電源模塊提供兩路相互隔離的±5 V直流電源，分別給系統(tǒng)的硬件電路和單片機(jī)模塊供電，實(shí)現(xiàn)模擬電源和數(shù)字電源的相互隔離，降低系統(tǒng)的噪聲和數(shù)模系統(tǒng)的相互干擾。系統(tǒng)各電路模塊的輸入和輸出阻抗均為50W，模塊之間均采用短較的雙芯同軸線連接，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，減小信號反射和干擾。所有電路模塊采用0W電阻一點(diǎn)接地，磁珠一點(diǎn)接電源，避免由電源饋線和地線引起的前后級反饋，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，避免自激現(xiàn)象。

系統(tǒng)中預(yù)留了多處測試點(diǎn)，可觀察本振信號波形、測試中頻濾波器的頻率響應(yīng)，以及觀察中頻放大器和檢波器的輸出等重要節(jié)點(diǎn)信號波形。

2 頻譜儀綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 頻譜分析儀的實(shí)現(xiàn)原理

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于超外差結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。輸入被測信號經(jīng)可控衰減電路和低噪聲前置放大器之后與本振信號進(jìn)行混頻，中心頻率為10.7 MHz的石英晶體濾波器作中頻濾波，濾波后的信號經(jīng)過中頻放大器獲得較大增益；為進(jìn)一步降低中放輸出的雜散信號功率和系統(tǒng)的本底噪聲，提高頻譜顯示的信噪比，中放后用中心頻率為10.7 MHz的陶瓷濾波器進(jìn)行二次濾波；最后通過有效值檢波器，輸出和中頻信號功率成正比的直流電平信號。本振信號可實(shí)現(xiàn)連續(xù)掃頻，當(dāng)本振信號頻率高于被測信號頻率分量10.7 MHz時(shí)，中放會輸出一個(gè)幅值較大的正弦波，對應(yīng)的有效值檢波器也會輸出較大的直流分量；當(dāng)本振信號頻率為其他值時(shí)，有效值檢波器檢測到的直流分量的幅度都會較小，可視為頻譜儀的本底噪聲。通過單片機(jī)控制A/D模塊采樣并讀取檢波器輸出的直流電平數(shù)值，即可獲得被測信號所包含的各個(gè)頻率分量的功率，實(shí)現(xiàn)頻譜測量，同時(shí)可畫出被測信號的頻譜圖[3-4]。

圖1 頻譜分析儀綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2.2 衰減電路設(shè)計(jì)

當(dāng)輸入被測信號的幅度較大時(shí)，一方面有可能使前放電路輸出飽和；另一方面若進(jìn)入混頻器的輸入信號功率過大，會引起混頻器電路產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性效應(yīng)，混頻后會出現(xiàn)大量的組合頻率分量。如果這些分量的頻率在10.7 MHz附近，則同樣會進(jìn)入系統(tǒng)后端的中放和檢波器，最終造成被測信號的頻譜中出現(xiàn)大量的雜散頻率，嚴(yán)重影響信號的頻譜測量。因此在系統(tǒng)的輸入端需要加入衰減器電路，對輸入的大信號首先進(jìn)行衰減，從而擴(kuò)展頻譜測量的輸入動態(tài)范圍。

衰減電路由可編程的PE4302衰減器芯片構(gòu)成，芯片內(nèi)部有CMOS邏輯控制的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，因此基本不會引入額外的噪聲，降低輸入信號的信噪比。在本綜合實(shí)驗(yàn)中，通過外部的撥碼開關(guān)可實(shí)現(xiàn)最大31.5 dB的手動衰減調(diào)整范圍，從而保證頻譜儀的輸入被測信號具有40 dB以上的動態(tài)范圍。可控衰減電路原理如圖2所示。

2.3 低噪聲前放電路設(shè)計(jì)

頻譜分析儀整機(jī)的噪聲系數(shù)主要由系統(tǒng)的第1級和第2級電路決定，因此前放電路必須保證噪聲系數(shù)盡量小，同時(shí)增益不易過大，一般選擇前放增益在20~30 dB。如果前放的增益過大，在放大有用信號的同時(shí)，輸入端的噪聲也會獲得較大的增益，這樣在系統(tǒng)的后端就很難有效抑制本底噪聲和雜散信號，將直接降低頻譜儀顯示的信號頻譜的信噪比。另外，前放增益過大，也容易使被測信號較大時(shí)在經(jīng)過混頻器之后就產(chǎn)生飽和，影響頻譜儀的輸入信號動態(tài)范圍[5]。

本系統(tǒng)中，前放電路選擇砷化鎵材料的低噪聲運(yùn)放芯片SPF5043，工作頻率范圍大約為50 MHz~ 3 GHz，頻率為900 MHz時(shí)，增益可達(dá)18.5 dB，噪聲系數(shù)為0.6 dB，構(gòu)成放大器電路時(shí)，外圍電路只需要電容濾波、輸入輸出耦合電容和一個(gè)高頻扼流線圈。低噪聲放大器電路如圖3所示。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)前放采用兩級SPF5043放大器級聯(lián)，總增益約35 dB。

2.4 混頻器電路設(shè)計(jì)

混頻器電路需要有較低的噪聲系數(shù)和較好的線性度，同時(shí)盡量減少輸出的高階組合頻率分量干擾以及輸入信號和本振信號的泄漏。本系統(tǒng)中采用高速模擬乘法器芯片AD831來實(shí)現(xiàn)混頻，該乘法器具有高達(dá)500 MHz的射頻、本振輸入信號帶寬、250 MHz的差分電流中頻輸出帶寬。構(gòu)成混頻器電路時(shí)，對本振信號的輸入功率要求很低，最小為-10 dBm。本振和射頻輸入端口之間有很高的隔離度，輸出的10.7 MHz中頻信號對本振和輸入信號的泄漏抑制率均高于30 dB，輸出阻抗可以實(shí)現(xiàn)50 ?的匹配，混頻器本身沒有插入損耗[6]。

采用AD831芯片設(shè)計(jì)的混頻器電路具有較好的線性度和超過40 dB的輸入動態(tài)范圍，能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，電路原理圖如圖4所示。

圖2 PE4302芯片構(gòu)成的衰減器電路原理圖

圖3 SPF5043芯片構(gòu)成的低噪聲前放電路原理圖

2.5 本振信號源電路設(shè)計(jì)

頻譜儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對本振信號源電路的要求：（1）本振信號的頻率穩(wěn)定度高，相位噪聲小；（2）本振信號能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)掃頻，頻率步進(jìn)小；（3）本振信號的輸出功率滿足混頻器的本振輸入功率要求，波形失真小。

圖4 乘法器芯片AD831構(gòu)成的混頻器電路原理圖

本振信號源電路的核心器件是可編程的集成鎖相環(huán)芯片ADF4351，芯片內(nèi)部集成了寬帶頻率合成器，其壓控振蕩器的基波輸出頻率范圍為2.2 GHz~4.4 GHz，利用內(nèi)部的可編程分頻電路，可使鎖相環(huán)路的輸出頻率范圍為50 MHz~310.7 MHz，輸出電壓的峰峰值大于500 mV，通過STM32F407單片機(jī)對芯片進(jìn)行編程控制，可以產(chǎn)生頻率固定的單頻信號或頻率步進(jìn)值為100 kHz的連續(xù)掃頻信號。

鎖相環(huán)構(gòu)成的本振信號源電路原理圖見圖5。測量時(shí)發(fā)現(xiàn)鎖相環(huán)輸出的本振信號中包含了一些高次諧波和高頻雜散分量。為改善本振信號的波形，可用-3 dB帶寬大于100 MHz的無源低通濾波器進(jìn)行濾波，濾波后的波形幾乎沒有失真，頻率為110 MHz的本振信號輸出時(shí)域波形如圖6所示，圖7是對應(yīng)的頻譜圖，可以看到本振信號的相位噪聲較小，在100 kHz頻偏處的相位噪聲低于-70 dBc。

2.6 中頻濾波器設(shè)計(jì)

中頻濾波器在混頻器的輸出端，可采用中心頻率為10.7 MHz的石英晶體濾波器，其-3 dB帶寬小于100 kHz，可保證頻譜儀的頻率分辨率為100 kHz。在中頻放大器的輸出端加入壓電陶瓷濾波器構(gòu)成的第二級中頻濾波器，主要作用是濾除頻譜儀前端被中放放大的本底噪聲，提高頻譜檢測的信噪比，此外還可以有效抑制由于混頻非線性引入的雜散信號，提高頻譜檢測的純度。前后兩級中頻濾波器帶來的總插入損耗約為35 dB，可通過增加中放的增益來進(jìn)行補(bǔ)償。

圖5 鎖相環(huán)芯片ADF4351構(gòu)成的本振電路原理圖

圖6 本振信號的時(shí)域波形

圖7 本振信號的頻譜

2.7 中放電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)各級增益分配

為保證中放輸出的有用信號有足夠的信噪比，提高后級有效值檢波器的檢測精度，通常需保證中頻輸出信號的功率在-20 dBm以上。被測輸入信號的最小功率為-56 dBm，考慮到兩級中頻濾波器的35 dB插入損耗和系統(tǒng)各級電路之間阻抗匹配帶來的12 dB衰減，因此本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的前放級、混頻器級、中放級的總增益必須超過85 dB。混頻器級沒有增益，前放總增益約35 dB，因此中放最大增益需要50 dB以上[5]。

中放電路由兩級OPA847運(yùn)放芯片構(gòu)成的固定增益電路組成，總增益約為54 dB。

3 頻譜儀綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)使用STM32F407，該單片機(jī)以Cortex-M4為內(nèi)核，內(nèi)部資源豐富，包含了1 MB的Flash和196 KB的SRAM，集成了12位的A/D采樣模塊，有并行的LCD驅(qū)動端口，并包含豐富的LCD驅(qū)動函數(shù)庫，支持多種高分辨率的液晶屏。

軟件部分的功能主要包括：（1）鎖相環(huán)本振信號源的頻率掃頻編程控制；（2）檢波器輸出信號的 A/D數(shù)據(jù)采樣，功率轉(zhuǎn)換計(jì)算；（3）液晶屏的頻譜圖像顯示；（4）鏡像干擾信號的軟件識別和去除。

4 頻譜儀綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測試結(jié)果

4.1 頻譜測量方法

為了有效地測量輸入信號頻譜的信噪比，并驗(yàn)證頻譜分析儀對信號功率測量的精度和頻率分辨率，可選擇一個(gè)單頻的輸入信號作為頻譜儀功率測量的校正信號，通過按鍵手動切換本振頻率，頻率步進(jìn)值為100 kHz，在中放輸出端直接用示波器觀察波形。根據(jù)超外差接收的原理，只有當(dāng)本振信號的頻率比輸入單頻信號的頻率高10.7 MHz時(shí)，中放才會輸出一個(gè)幅度比較大的正弦波，記錄下此時(shí)的正弦波電壓均方根值o，示波器的輸入阻抗設(shè)置為50 Ω，可根據(jù)以下公式將信號的電壓值轉(zhuǎn)換為功率值，單位為dBm。

當(dāng)本振信號的頻率為其他值時(shí)，中放輸出端在示波器上顯示的基本都是噪聲，記錄下噪聲電壓的均方根值，并根據(jù)上面的公式轉(zhuǎn)換成功率值，這些功率對應(yīng)的是頻譜分析儀的電路本底噪聲。

將本振信號各個(gè)頻率掃頻點(diǎn)得到的信號功率（單位dBm）記錄在Excel表格中，作為縱坐標(biāo)；輸入信號頻率為橫坐標(biāo)，可將表格數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin軟件中畫出測量的輸入信號頻譜[7-12]。

4.2 頻譜測試結(jié)果和分析

圖8是峰峰值為1 mV、頻率為90 MHz的單頻輸入信號測量的頻譜。測量時(shí)本振頻率從93.2 MHz到108.2 MHz，共選取了150個(gè)本振頻率點(diǎn)。從頻譜圖中可以清晰地看到在90 MHz處存在一根幅度較大的譜線，對應(yīng)輸入信號的頻譜，其功率約為4 dBm。輸入信號的實(shí)際功率約為-56 dBm，因此可以計(jì)算出頻譜分析儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總增益約為60 dB。在后面的測量中，將中放輸出信號功率減去60 dB即可得到實(shí)際輸入信號的功率，完成對頻譜儀功率測量的校正。從圖8中還可以看出，在測試小信號的頻譜時(shí)，信號頻譜的信噪比大于45 dB。

圖8 測量的輸入90 MHz單頻信號頻譜

被測信號選擇調(diào)幅波和調(diào)頻波，調(diào)幅波的載波頻率為95 MHz，調(diào)幅指數(shù)為50%；調(diào)頻波的載波頻率為95 MHz，最大頻偏為150 kHz，調(diào)制信號頻率均為100 kHz，載波的峰峰值均為1 mV；本振頻率從98.2 MHz到113.2 MHz，共選取150個(gè)本振頻率點(diǎn)，得到的頻譜圖如圖9和圖10所示。

圖9 輸入調(diào)幅波信號頻譜

圖10 輸入調(diào)頻波信號頻譜

從圖9的頻譜圖中可以清晰地看到，在95 MHz處有一根較大的譜線，對應(yīng)調(diào)幅波的載波頻率分量，其功率約為-56 dBm，在載波兩側(cè)有兩根功率相等的對稱譜線，功率約為-68 dBm，與載波的頻率間隔均為100 kHz，對應(yīng)調(diào)幅波上下邊頻分量。頻譜圖驗(yàn)證了頻譜分析儀綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的頻率分辨率達(dá)到100 kHz。當(dāng)調(diào)幅指數(shù)為50%時(shí)，載波分量功率和邊頻分量功率之差的理論值為20lg(1/4) =-12 dB，頻譜儀實(shí)測的邊頻功率和載波功率之差約為11.8 dB，與理論值完全吻合，證實(shí)了頻譜儀的功率測量有較高精度。

從圖10的頻譜圖中可以清晰地看到，在95 MHz處有一根較大的譜線，對應(yīng)調(diào)頻波的載波頻率分量，功率約為-63 dBm，在中心頻率兩側(cè)有對稱的幅度較大的5根譜線，頻率間隔均為100 kHz，分別是調(diào)頻信號的一階至五階邊頻分量，共同構(gòu)成了完整的調(diào)頻信號頻譜。一階至三階邊頻分量和載波頻率分量之間的功率差分別是+0.7 dB、-6.8 dB、-18.4 dB，與理論值+0.66 dB、-7.1 dB、-18.8 dB完全符合，誤差都在1 dB之內(nèi)，再次證實(shí)了頻譜分析儀的功率測量精度較高。

圖11是學(xué)生設(shè)計(jì)和制作的頻譜分析儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖11 頻譜分析儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

5 結(jié)語

本文開發(fā)的頻譜分析儀綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠滿足高頻電路實(shí)驗(yàn)中大部分的頻譜測量需求，同時(shí)具有較大的二次開發(fā)空間，例如學(xué)生可自行設(shè)計(jì)二極管無源混頻器模塊代替原有的乘法器混頻模塊，測試頻譜分析儀的信噪比和雜散抑制等指標(biāo)。學(xué)生也可將衰減器模塊集成到中放電路中，實(shí)現(xiàn)AGC功能，可以進(jìn)一步提高頻譜測量的動態(tài)范圍。如果將鎖相環(huán)本振信號的頻率步進(jìn)值設(shè)置為10 kHz，對10.7 MHz的中頻信號進(jìn)行二次下變頻，用帶寬小于10 kHz、中心頻率為455 kHz的陶瓷濾波器作最后的中頻濾波，可將頻譜儀的頻率分辨率提高到10 kHz。

學(xué)生通過自行設(shè)計(jì)和替換原實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中各個(gè)功能模塊，修改和補(bǔ)充軟件控制內(nèi)容，可擴(kuò)展頻譜分析儀的測量功能和提高其技術(shù)指標(biāo)，有助于提高學(xué)生的高頻電路實(shí)驗(yàn)興趣。

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Design and application of synthesis experiment system for spectrum analyzer

DONG Yinglei, JIANG Naizhuo, GE Zhongqin, ZHUANG Jianjun

(School of Electronic Science and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210023, China)

In order to further improve teaching effect and cultivate students’ practical and innovative ability, a comprehensive experimental system of the spectrum analyzer with superheterodyne structure is designed. Through this experimental system, students can fully and profoundly grasp the core knowledge of the High Frequency Circuit course. The spectrum analyzer is designed with modular structure, each module can be designed and manufactured by students independently and debugged by the access system. The instrument has a frequency resolution of 100 kHz, and the frequency measurement range is from 50 MHz to 300 MHz. The spectrum curve is clearly displayed and the power measurement accuracy is high. Trial application shows that the experimental system of the spectrum analyzer has good teaching effect and can be widely used as a simple spectrum analyzer in university laboratories.

spectrum measurement; mixing; phase-locked loop; signal to noise ratio

TM935.21；G484

A

1002-4956(2019)07-0097-06

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.024

2018-12-03

2017年教育部第二批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（201702007014）；南京大學(xué)“十三五”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究課題重點(diǎn)課題（SY201708，SY201814，SY201815）；2016年度南京大學(xué)本科生教學(xué)改革項(xiàng)目重點(diǎn)教改課題（201616A12）。

董英雷（1998—），男，內(nèi)蒙古赤峰，本科學(xué)生，曾獲2018年江蘇省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽一等獎(jiǎng).

姜乃卓（1980—），男，江蘇蘇州，碩士，工程師，研究方向?yàn)楦哳l電路教學(xué)、電子設(shè)計(jì)競賽指導(dǎo)、微弱信號處理等.E-mail: jiangnz@nju.edu.cn