频谱仪超外差和零中频架构

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频谱仪的本质就是一个超宽带、超宽调谐范围、高动态范围的通信接收机， 频谱仪的原理即通信接收机的原理。

遇到高频率高带宽谐波成分复杂的通信信号的话， 对其进行频域的观察可以更加直观方便地对信号进行分析。

频谱仪的硬件结构本质就是一个射频通信接收机，频谱仪的硬件架构即是接收机的硬件架构。

超外差结构

该技术需要使用多次频谱搬移才能实现高频信号与基带信号的转化。以接收机为例，下面将介绍超外差结构的原理以及特点。

器件	作用
天线	接收来自空域的特定频率范围的射频信号；
选频滤波器	可以是低通滤波器、带通滤波器、或者高通滤波器，筛选特定频率范围内的射频信号，抑制滤波器范围之外的杂散信号；
低噪放大器	由于天线接收到的信号强度很微弱，所以需要对该射频信号进行功率放大；
混频器	将功率增大后的信号与本振信号进行混频，使得信号解调为中频信号；
中频滤波器	混频后的中频信号需要使用更窄带宽的中频滤波器和低噪声放大器进行处理来满足后续所需的频率范围以及增益电平的需要。

由于混频器的隔离度有限，混频器输入有用信号的频率与本振信号的频率很接近时，需要使用高Q值中频滤波器才能够将本振泄露的信号和镜像干扰信号过滤掉，否则信号质量将会受到影响。在实际应用当中，设计高Q值的滤波器的难度很高，所以需要进一步变频，即二次变频超外差结构。虽然相应的减少了中频滤波器的设计难度，但同时也增加了整个结构的器件使用量，即提高了设计的复杂度。

对射频信号进行了两次下变频。第一 次变频，输入混频器A的本振信号的频点尽量远离输入信号的频点，这样混频之后的信号所需要的中频滤波器的Q值可以较低，利于实现。将中频滤波器和中频放大器后的信号进行第二次混频，使用的中频滤波器能够改善信道的频率选择性能，其得到基带信号质量更好，便于后续的数字处理。

超外差的变频结构由于可以进行多次变频，能够在适合的场景加以运用，它 拥有一定的优势和良好的性能，比如在频率选择性好、高接收灵敏度、大接收动态范围。在超外差结构中随着多次变频的使用， 所需要的器件数量在增加，其必然会带来成本、功耗、资源也会成倍的增加。

超外差接收机结构中：

如果中频频率太高，镜像信号就不会在期望的频带上，易被IF BPF的过渡带抑制，这就要求IFBPF具备非常高的Q值（品质因数）。若中频较低，信道选择要求就相对宽松， 但镜像会严重影响输入的信号。另一个缺点是镜像抑制滤波器和中频滤波器无法集成，造成信号会引向集成电路外部去，造成的结果就是片内的驱动电路无法驱动无源滤波的低阻抗信号，引起容性负载，最终结果就是极大地增加了功耗。除此之外，还存在电路模块之间的辐射问题。在实际工程应用中，常常用多级混频的方法来解决这个矛盾，所以实际工程运用中的通信接收机常常是两级甚至三级混频。

零中频结构

零中频结构可以将射频信号直接下变频成模拟基带信号或者将模拟基带信号直接上变频到射频信号。ZIF接收机的特点是不需要经过中频，直接将信号搬到基带，超外差结构中的许多滤波器（镜像抑制滤波器及中频滤波器）都可以省去。

零中频变频结构中不包含中频混频器以及高Q值滤波器等，所以零中频变频结构相对于超外差结构更简单、成本更低以及更适合集成化。

在该结构中，仅需要使用一次本振信号进行混频就可以实现从L/S频段下变频到零频和直接从零频上变频到L/S频段。下面将会对零中频结构分为零中频发射机结构与零中频接收机结构进行介绍。

接收机结构

接收机部分的系统结构主要由射频天线、低噪声功率放大器（LNA）、正交混频器（Mixer）、本振输入（LO）、可控增益放大器（VGA）、低通滤波器（LPF） 以及模数转换器（ADC）等模块构成，其接收机结构如图。

器件	作用
射频天线	接收来自空域的射频信号；
低噪放大器	射频信号的功率一般很小，LNA将该微 弱的信号进行功率放大，并减少引入到接收信道中的噪声；
正交混频器	将信号通过直接下变频变为基带信号；
低通滤波器	信号中可能会引 入一些高频信号，抑制滤波器频带范围以外的高频信号；
模数转换器	采样、量化以及编码转化为数字信号，发送给FPGA或者DSP进行数字处理。

发射机结构

发射机结构中的主要模块：数模转换器（DAC）、低通滤波器（LPF）、正交混频器（Mixer）、低噪声功率放大器（LAN）以及天线等。

器件	作用
数模转换器	将数字信号变为基带模拟信号；
低通滤波器	基带信号中可能掺杂着DAC的采样时钟信号高频信号，将该信号中的高频干扰信号过滤掉；
正交混频器	上变频，将基带信号加载到本振信号中；
低噪放大器	信号中的频率较高，但是功率较低，需要将该信号进行功率放大；
射频天线	发射射频信号至空域。

优缺点对比

优点：

在零中频结构中，不存在镜像频率干扰， 相较于超外差结构有如下明显的优点。

• 零中频结构是目前集成度最高的一种变频结构方式，占用面积资源少，且构建成本低；
• 零中频结构由于所需器件少，相较于超外差结构功率消耗较低；
• 零中频结构不需要像超外差结构一样，需使用高Q值的镜像滤波器。

缺电：

本振泄露、直流偏置、IQ不平衡、偶次失真以及闪烁噪声等。

在零中频变频结构中，接收信号与本振信号频率非常接近，仅相差一个模拟基带信号的频率差值。

附录

相关词汇

英文	中文
Image filter	镜像抑制滤波器
Zero Intermediate Frequency	零中频
IF filter	中频滤波器
Demodulator	解调器
local oscillator(LO)	本振
radio frequency(RF)	射频信号

多次变频的形象解释

参考文献

[1]王远波. 宽带零中频系统的射频前端设计与实现[D].重庆大学,2022.DOI:10.27670/d.cnki.gcqdu.2020.003841.
[2]周三. 基于嵌入式SOC手持式频谱仪的硬件设计与实现[D].电子科技大学,2016.