頻譜分析中避免較大幅度誤差方法

近年來，現(xiàn)代頻譜分析儀在低頻模擬精度與數(shù)字信號(hào)處理（DSP）器件方面取得了極大的改進(jìn)，尤其是前端中頻（IF）濾波器。雖然頻譜分析儀在RF頻率具有較高的精度，但在微波頻率的精度并未普遍得到改善。由于某些應(yīng)用對(duì)現(xiàn)代頻譜分析儀的要求極高（包括利用高級(jí)寬帶數(shù)字調(diào)制格式進(jìn)行信號(hào)分析），即使采用最佳的頻譜分析儀設(shè)計(jì)也難以實(shí)現(xiàn)較高精確度。幸好，安捷倫科技最新的MXA信號(hào)分析儀平臺(tái)中集成了精心的硬件設(shè)計(jì)與巧妙的測量算法，可幫助用戶保持最佳精度而無需特殊的輸入信號(hào)或外部測試信號(hào)。

微波頻譜分析儀采用可調(diào)諧預(yù)選濾波器，通過去除多余的混頻器鏡像（mixerimage）以及本地振蕩器（LO）的諧波響應(yīng)來改善性能。不幸地是，這些預(yù)選器不穩(wěn)定，必須頻繁地調(diào)諧，而且正確的預(yù)選器調(diào)諧通常要求在感興趣頻率處的信號(hào)近似為CW統(tǒng)計(jì)分布。在新型MXA信號(hào)分析儀中，一個(gè)完整的噪聲源被用作預(yù)選濾波器的調(diào)諧信號(hào)，這有助于確保濾波器精度成為該儀器中自動(dòng)例行程序的要素。

工作在26.5GHz的現(xiàn)代頻譜分析儀具有一個(gè)“低頻帶”和一個(gè)“高頻帶”信道，如圖1所示。低頻帶通?？晒ぷ髟?GHz或更高頻率。在低頻帶上，信號(hào)上變頻到接近4GHz或更高的高IF頻段，然后再下變頻到接近300MHz的較低IF頻段。這種雙變頻方式可以極大地減少混頻器鏡像響應(yīng)。

“高頻帶”頻率范圍實(shí)際上不能通過與低頻帶范圍一樣的模塊圖來創(chuàng)建，這是因?yàn)槌跫?jí)IF放大器將不得不工作在某個(gè)頻率下，該頻率下的放大器噪聲和失真總是無法滿足操作人員的要求。如圖1所示的備選模塊采用單個(gè)轉(zhuǎn)換步驟到IF輸出。在這個(gè)模塊圖中，初級(jí)混頻器中的鏡像響應(yīng)僅通過兩倍IF大小的頻率（或大約600MHz）來間隔。這些鏡像在頻譜分析儀中不受歡迎。因此，可采用可調(diào)諧預(yù)選濾波器（帶通濾波器）來去除鏡像。

為實(shí)現(xiàn)微波頻率下所要求的抑制性能和調(diào)諧帶寬，預(yù)選濾波器以釔鐵石榴石（YIG）技術(shù)為基礎(chǔ)。YIG球的行為被控制在一個(gè)精確的磁場中，可產(chǎn)生用于去除來自頻譜分析儀信道的多余鏡像與響應(yīng)的濾波器通帶諧振。YIG預(yù)選器通常具有大約40到80MHz的通帶帶寬，可以在一個(gè)較寬的微波頻率范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧。當(dāng)用于高達(dá)26.5GHz的頻率時(shí)，需要極高的諧振器品質(zhì)因數(shù)（Q），導(dǎo)致截止頻率過高，同時(shí)也造成幅度和頻率的不穩(wěn)定性。調(diào)諧后漂移是YIG調(diào)諧帶通濾波器不穩(wěn)定特性的一種表現(xiàn)。用于調(diào)諧YIG球諧振頻率的磁鐵隨著所選頻率的變化而加熱或冷卻。磁鐵的溫度變化會(huì)影響磁鐵的尺度及磁場強(qiáng)度，從而影響濾波器調(diào)諧的頻率。磁鐵/球結(jié)構(gòu)的機(jī)械老化過程類似，同樣導(dǎo)致不穩(wěn)定性增大。同樣，調(diào)諧電流和濾波器中心頻率之間的關(guān)系并不能通過任何簡單的代數(shù)函數(shù)來精確建模。因此，即使調(diào)諧非常穩(wěn)定，但也會(huì)存在調(diào)諧誤差。結(jié)果就是頻率調(diào)諧誤差導(dǎo)致幅度誤差（圖2）。

圖2a顯示了一個(gè)典型的YIG濾波器響應(yīng)。x軸表示頻率，但由于YIG濾波器的頻率幾乎與調(diào)諧電流成正比，x軸也可以被認(rèn)為是YIG濾波器的調(diào)諧電流。在這個(gè)例子中，較小的調(diào)諧電流誤差映射成工作點(diǎn)上與通帶斜率成正比的幅度誤差。設(shè)計(jì)工作點(diǎn)是-4dB響應(yīng)點(diǎn)之間的中點(diǎn)，因?yàn)榫驼{(diào)諧誤差而言該設(shè)計(jì)非常魯棒。可以通過利用現(xiàn)代頻譜分析儀進(jìn)行測量的方式調(diào)節(jié)YIG濾波器。用戶可以直接調(diào)節(jié)工作電流，或執(zhí)行“預(yù)選器取中 （preselectorcenter）”操作。由于頻譜分析儀的幅度響應(yīng)是在對(duì)預(yù)選器調(diào)諧取中的條件下進(jìn)行出廠校準(zhǔn)的，所以取中是最佳操作。請(qǐng)注意，預(yù)選器的調(diào)諧精度變差將導(dǎo)致幅度精度降低。

圖2b顯示了YIG濾波器取中操作的重要性。A點(diǎn)表示用于對(duì)YIG濾波器頻率響應(yīng)進(jìn)行出廠校準(zhǔn)的坐標(biāo)位置。該點(diǎn)位于新型分析儀室溫下的響應(yīng)曲線上。其水平位置在-4dB（相對(duì)峰值）響應(yīng)頻率之間的中點(diǎn)。B點(diǎn)位于一條平移（congruent）曲線上，當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí)，垂直位移表示所期望的總系統(tǒng)響應(yīng)變化。除了環(huán)境溫度變化之外，調(diào)諧后漂移和老化的影響可能導(dǎo)致在曲線上取到的點(diǎn)為F。在這種情況下，幅度誤差可能非常大。該誤差可以表示為長度E，即響應(yīng)點(diǎn)B和F之間的差值。