频谱分析系列:为什么需要预选器?

2020-03-22 来源:微波射频网作者:海川 我要评论(0) 字号:

无论是采用模拟IF处理的传统频谱仪,还是采用数字IF处理的现代频谱仪,都是扫频式架构,通过第一级本振(LO)的调谐实现射频的扫频测试。熟悉频谱仪架构的朋友都了解,在第一级混频器之前都会存在一个预选器,如图1所示,这个预选器是个什么器件?具体有什么功能呢?

传统频谱仪架构示意图

图1. 传统频谱仪架构示意图

对于频谱测试,射频前端的预选器至关重要,这是实现准确频谱测试的重要前提!预选器实际上就是一个滤波器,实际应用中,要么是低通滤波器,要么是可调谐带通滤波器。在低频频谱测试时,频谱仪通常采用低通滤波器作为预选器;而在高频段,频谱仪通常采用YIG (Yttrium Iron Garnet,钇铁石榴石铁氧体) 滤波器作为预选器。采用YIG技术的带通滤波器,一方面可以覆盖到更高频率(高达50GHz),另一方面在调谐中心频率时,滤波器的相对带宽变化很小,从而保证了频谱的准确测试。

为什么扫频式频谱仪需要预选器呢?

具体原因要从扫频式频谱仪的工作原理说起,频谱仪整个模拟前端可能包含多级混频器,通常为两到三级混频,但是只有第一级混频器的LO是调谐的,而其它混频器的LO都是固定的。每一级混频器之后均包含一个中频滤波器,这些滤波器的中心频率是固定的,因此,通过第一级LO的不断调谐,从而实现了信号的扫描测试,才可以观测到一定频率范围内的频谱。

为方便起见,无论信号频率高低,下文统一将频谱仪输入的信号称为RF信号,LO信号是指第一级混频器的本振信号,IF信号是指第一级混频器输出的中频信号。

简单介绍一下混频器:混频器属于一个变频器件,具有RF、LO和IF三个端口,可以实现输入频率与LO频率的和频输出,也可以实现对应的差频输出。在频谱仪应用中,混频器起到下变频的作用,后一级中频滤波器将选择差频输出。

当LO频率固定时,如果使混频器输出一定的IF信号,则在混频器输入侧将存在两个可能的频率:fRF和fimage。这两个频率与LO和IF之间的关系如图2所示,互为镜像。此处考虑的是高LO注入的情况,即LO频率大于RF频率,市面上的频谱仪基本都采用高LO注入方式。图1所示的频谱仪架构中,预选器位于混频器之前,实际上起到镜频抑制的作用。

混频器的镜频工作特性

图2. 混频器的镜频工作特性

预选器是如何抑制镜频的呢?

扫频式频谱仪在工作中,预选器对镜频的抑制是如何体现的?其实,在频谱仪输入侧并不一定真的存在镜频信号,此处所说的预选器抑制的“镜频”是指在LO调谐时的“固有产物”。为了便于理解,下面通过图解的方式进行详细说明。

当存在RF信号时,LO在两个调谐位置都会产生IF信号

图3. 当存在RF信号时,LO在两个调谐位置都会产生IF信号

如图3所示,假设频谱仪输入侧存在RF信号,当LO调谐至fLO1时,与RF信号的差频为IF,因频谱仪采用高LO注入方式,因此经过计算,频谱仪“认为”在频率为(fLO1 – IF) 的位置存在一个信号,这就造成了图中所示的虚假信号。

当LO继续调谐至fLO2时,与RF信号的差频也是IF,那么此时频谱仪“认为”在频率为(fLO2 – IF) 的位置也存在一个信号,而这个信号就是真实的RF信号。

虚假信号与真实信号互为镜频,二者频率之差为2倍的IF频率。假如频谱仪的射频前端没有预选器,则测试类似于图3这种信号时,频谱上将出现两根谱线,但只有一个是真实的。这样会扰乱频谱的测试,所以频谱仪才会引入预选器。

YIG预选器为一窄带带通滤波器,位于Mixer之前,预选器的中心频率与LO频率同步扫描,二者之差为IF频率,只有通过预选器的信号才会与LO混频,因此可以避免产生LO调谐过程中虚假的镜频分量。

图4在上述例子基础之上引入了预选器,即使LO调谐至fLO1,也不会产生虚假信号,因为此时没有信号通过预选器,而RF信号位于预选器带外,已经被充分抑制!当LO进一步调谐至fLO2,RF信号刚好位于预选器的中心频率处,此时LO与RF的差频刚好为IF,于是经过计算,频谱仪“认为”信号的频率就是(fLO2 – IF),这就是真实的信号。

由此可见,预选器对于准确测试频谱是非常有必要的!

在混频之前引入预选器可以有效防止镜频效应

图4. 在混频之前引入预选器可以有效防止镜频效应

频谱仪什么情况下会采用低通滤波器作为预选器呢?

假如将频谱仪的扫频范围设置为100kHz到10GHz,高达十几倍频程,采用可调谐的带通滤波器当作预选器是非常不现实的,即使可以设计出这种预选器,也无法解决相对带宽随中心频率升高而变大的问题。

对于这种情况,可以一改传统情况,采用高IF频率方案,即IF信号频率大于RF信号频率,此时也要求采用更高的LO频率。这种情况下,镜频将远离信号,使用一个低通滤波器即可轻松抑制镜频。

图5分别给出了LO的调谐范围,以及RF信号和对应镜频信号的扫频范围,这三个范围相同,就是频率测试范围Span。频谱仪选取的IF信号频率远远大于RF信号频率,这使得镜频远离RF信号。

假如没有预选器,当LO调谐至fLO,start,若在fRF,start处没有信号而在fImage,start处存在一个信号,则下变频后也会落在IF频率上,这将使得频谱仪“误判”在fRF,start处存在信号。

类似于YIG预选器,引入低通滤波器充当预选器后,只有通过预选器的信号才可以参与混频,从而解决了镜频信号干扰测试的问题!

采用低通滤波器作为预选器以应对低频信号频谱的测试

图5. 采用低通滤波器作为预选器以应对低频信号频谱的测试

现实情况是,高频频谱仪通常都会采用这两种类型的预选器,各有各适用的情况,存在一个频率分界点,低于该频率将采用低通滤波器作为预选器,而高于该频率则会采用YIG预选器。频谱测试时,如果span横跨了这个频率分界点,则会自动进行预选器的切换选择。

预选器对于宽带信号分析有何影响?

基于频谱仪的宽带信号分析越来越多,5G NR、卫星通信及雷达信号分析等都需要比较高的分析带宽。而预选器的存在,则可能会影响宽带信号的分析。如果载波频率比较低,采用低通滤波型预选器,将不会限制分析带宽,因为这种预选器带宽很大。而如果载波频率较高,将会采用YIG预选器,这种可调谐式滤波器的带宽很小,只有几十MHz,当信号带宽超过预选器带宽时,将会限制宽带信号的分析。

鉴于这种情况,一般在进行宽带信号分析时,频谱仪会自动bypass YIG预选器。

小结

本文详细介绍了预选器对于扫频式频谱仪的重要性,通过举例、图解方式说明了为什么需要预选器以及预选器是如何工作的。预选器对于基本的频谱分析是非常必要的,但是对于宽带信号分析却可能是一种限制,业界频谱仪一般都会引入bypass机制,从而避免预选器对宽带信号分析的限制。

小文虽短但不乏精华,希望大家持续关注“微波射频网”,后续精彩不断~

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