超外差是什么意思？從頻譜儀結構了解頻譜分析基本原理

“外差”是指混頻，即對頻率進行轉換，而“超”則是指超音頻頻率高于音頻的頻率范圍。

超外差原理

超外差接收機原理最早是由E.H.阿姆斯特朗于1918年提出的。這種方法是為了適應遠程通信對高頻率、弱信號接收的需要，在外差原理的基礎上發展而來的。外差方法是將輸入信號頻率變換為音頻，而阿姆斯特朗提出的方法是將輸入信號變換為超音頻，所以稱之為超外差。1919年利用超外差原理制成超外差接收機。這種接收方式的性能優于高頻（直接）放大式接收，所以至今仍廣泛應用于遠程信號的接收，并且已推廣應用到測量技術等方面。

超外差原理如圖1。本地振蕩器產生頻率為f1的等幅正弦信號，輸入信號是一中心頻率為fc的已調制頻帶有限信號,通常f1>fc。這兩個信號在混頻器中變頻，輸出為差頻分量,稱為中頻信號，fi=f1-fc為中頻頻率。輸入為調幅信號的頻譜和波形圖。輸出的中頻信號除中心頻率由fc變換到fi外，其頻譜結構與輸入信號相同。因此，中頻信號保留了輸入信號的全部有用信息。

圖1.??超外差原理

超外差結構是在通信收發機中最為廣泛使用的一種結構，其外差過程在接收機中是從天線接收的信號與本地振蕩器（local oscillator LO）產生的信號一起輸入到一非線性器件得到中頻信號，或在發射機中將中頻變為射頻信號。這個執行外差過程的非線性器件稱為混頻器或者變頻器。在超外差收發機中，頻率的搬移過程可能不止發生一次，因此它或將擁有多個中頻頻率和多個中頻模塊。

顯然，同一個中頻信號可以由高于或者低于本振頻率的輸入信號所產生。在這兩種頻率中，由不需要的頻率所產生的一個叫作鏡像頻率，在這個頻率上的信號稱為鏡像。所需要的信號和其鏡像的頻率差為中頻的兩倍。為了阻止可能發生的鏡像對期望信號的干擾，以及其他更強干擾信號阻塞超外差接收機，在變頻器之前必須進行充分的濾波。這個前置濾波器的帶寬通常是非常寬的，通常覆蓋了無線移動收發機的整個接收頻帶。超外差接收機的信道濾波是通過高選擇性的無源濾波器來實現的。接收信道的調諧通常是通過一個射頻合成器的編碼實現的，每個中頻塊的頻率可以保持固定。

在超外差收發機中，大部分所需信號增益是由中頻模塊所提供的。在固定的中頻頻點上，相對更為容易取得足夠高且穩定的增益。在中頻取得較高增益所需要的功耗比在射頻取得同樣增益所需要的功耗要低得多。這是由于信道濾波在放大前有效地抑制了非期望信號和干擾，因此中頻放大器并不需要有很大的動態范圍。而且，中頻放大器和電路的阻抗更高。因為信道濾波之前所取得的足夠高增益，使得它可以取得最佳的靈敏度而仍然不使后級放大器飽和，所以信道高選擇性也有助于接收機實現更高的靈敏度?？梢酝ㄟ^使用有源低通濾波器在模擬基帶中進一步濾除非期望信號或干涉。

由于這種超外差結構通常適用于無線通信系統中，它的具體結構將在一個全雙向收發機中進行描述。然而正如所預料的，在系統中使用多個中頻將導致虛假響應的問題。必須有良好的頻率規劃使得超外差收發機工作在指定的頻帶。

什么是頻譜分析儀 (Spectrum analyzer)？

而頻譜儀指的就是在頻域上的分析測試的設備，它能夠更加準確地分析信號諧波，失真，頻譜占用，諧波分量例如帶外輻射、雜散輻射、失真、三階交調和頻譜監測等。

頻譜分析儀的工作原理是什么？

一個在時域中看起來非常復雜的信號在頻域中表現得卻完全不同。時域測量結果顯示的是一個不純凈的正弦波。如果不進行頻域測量，那么我們還是無法知道其二次諧波的來源和頻率。頻譜分析可以單獨顯示頻譜分量，從而揭示干擾的來源。時域提供的信息（如信號脈沖的上升時間和下降時間）固然很重要，但頻域使您能夠確定信號的諧波內容，如帶外發射和失真。

圖 2 是一個超外差頻譜分析儀的簡化框圖。以頻譜儀為例，從圖中我們看到，輸入信號先經過一個衰減器，再經低通濾波器到達混頻器，然后與來自本振（LO）的信號相混頻。

圖 2. 典型超外差頻譜分析儀的結構框圖

由于混頻器是非線性器件，其輸出除了包含兩個原始信號之外，還包含它們的諧波以及原始信號與其諧波的和信號與差信號。若任何一個混頻信號落在中頻（IF）濾波器的通帶內，它都會被進一步處理（被放大并可能按對數壓縮）。基本的處理過程有包絡檢波、低通濾波器進行濾波以及顯示。斜波發生器在屏幕上產生從左到右的水平移動，同時它還對本振進行調諧，使本振頻率的變化與斜波電壓成正比。

如果您熟悉接收普通調幅（AM）廣播信號的超外差調幅收音機，您一定會發現它的結構與圖 2 所示框圖極為相似。差別在于頻譜分析儀的輸出是屏幕而不是揚聲器，且其本振調諧是電子調諧而不是靠前面板旋鈕調諧。

既然頻譜分析儀的輸出是屏幕上的 X-Y 跡線，那么讓我們來看看從中能獲得什么信息。顯示被映射在由 10 個水平網格和 10 個垂直網格組成的標度盤上。橫軸表示頻率，其標度值從左到右線性增加。

頻率設置通常分為兩步：先通過中心頻率控制將頻率調節到標度盤的中心線上，然后通過頻率掃寬控制再調節橫跨 10 個網格的頻率范圍（掃寬）。這兩個控制是相互獨立的，所以改變中心頻率時，掃寬并不改變。還有，我們可以采用設置起始頻率和終止頻率的方式來代替設置中心頻率和掃寬的方式。不管是哪種情況，我們都能確定任意被顯示信號的絕對頻率和任何兩個信號之間的相對頻率差。

縱軸標度按幅度大小劃分?？梢赃x用以電壓定標的線性標度或以分貝（dB）定標的對數標度。對數標度比線性標度更經常使用，因為它能反映出更大的數值范圍。對數標度能同時顯示幅度相差 70 至 100 dB（電壓比為 3200 至 100,000 或功率比為 10,000,000 至 10,000,000,000）的信號，而線性標度則只能用于幅度差不大于20 至 30 dB（電壓比 10 至 32）的信號。在這兩種情況下，我們都會運用校準技術給出標度盤上最高一行的電平即基準電平的絕對值，并根據每個小格所對應的比例來確定標度盤上其他位置的值。這樣，我們既能測量信號的絕對值，也能測量任意兩個信號的相對幅度差。

屏幕上會注釋出頻率和幅度的標度值。圖 3 是一個典型的頻譜分析儀的顯示。

圖3. 參數已設定的典型頻譜分析儀顯示圖

現在讓我們將注意力再回到圖 2 中所顯示的頻譜分析儀元器件。

射頻衰減器

分析儀的第一部分是射頻衰減器。射頻衰減器的作用是保證信號在輸入混頻器時處在合適的電平上，從而防止發生過載、增益壓縮和失真。由于衰減器是頻譜儀的一種保護電路，所以它通常是基于基準電平值而自動設置，不過也能以 10 dB、5 dB、2 dB 甚至 1 dB 的步進來手動選擇衰減值。圖4 所示是一個以 2 dB 為步進量、最大衰減值為 70 dB 的衰減器電路的例子。

圖 4. 射頻衰減器電路

其中隔直電容是用來防止分析儀因直流信號或信號的直流偏置而被損壞，不過它會對低頻信號產生衰減，并使一些頻譜儀的最低可用起始頻率增加至 9 kHz、100 kHz 或10 MHz。在有些分析儀中，可以像圖 3 那樣連接一個幅度基準信號，它提供了一個有精確頻率和幅度的信號，用于分析儀周期性的自我校準。

低通濾波器或預選器

低通濾波器的作用是阻止高頻信號到達混頻器。從而可以防止帶外信號與本振相混頻，在中頻上產生多余的頻率響應。微波頻譜分析儀用預選器代替了低通濾波器，預選器是一種可調濾波器，能夠濾掉我們所關心的頻率以外的其他頻率上的信號。

怎樣調諧頻譜儀調諧?

我們需要知道怎樣將頻譜儀調諧至我們所希望的頻率范圍。調諧取決于中頻濾波器的中心頻率、本振的頻率范圍和允許外界信號到達混頻器（允許通過低通濾波器）的頻率范圍。從混頻器輸出的所有信號分量中，有兩個具有最大幅度的信號是我們最想得到的，它們是由本振與輸入信號之和以及本振與輸入信號之差所產生的信號分量。如果我們能使想觀察的信號比本振頻率高或低一個中頻，則所希望的混頻分量之一就會落入中頻濾波器的通帶之內，隨后會被檢波并在屏幕上產生幅度響應。

圖 5. 舉例說明了分析儀的調諧過程。為了在顯示屏上產生響應，本振必須調諧到 f IF?+ f?sig

圖 5 舉例說明了分析儀的調諧過程。圖中，fLO 并未高到使 fLO -fsig 混頻分量落入 IF 通帶內，故在顯示器上沒有響應。但是，如果調整斜波發生器使本振調諧到更高頻率，則混頻分量在斜波（掃描）的某點上將落入 IF 通帶內，我們將看到顯示器上出現響應。

中頻增益

再看圖2，結構框圖的下一個部分是一個可變增益放大器。它用來調節信號在顯示器上的垂直位置而不會影響信號在混頻器輸入端的電平。當中頻增益改變時，基準電平值會相應的變化以保持所顯示信號指示值的正確性。通常，我們希望在調節輸入衰減時基準電平保持不變，所以射頻衰減器和中頻增益的設置是聯動的。

在輸入衰減改變時，中頻增益會自動調整來抵消輸入衰減變化所產生的影響，從而使信號在顯示器上的位置保持不變。

中頻濾波器 -?信號分辨

中頻增益放大器之后，就是由模擬和/或數字分辨率帶寬（RBW）濾波器組成的中頻部分。

模擬濾波器

頻率分辨率是什么意思？

頻率分辨率是頻譜分析儀明確分離出兩個正弦輸入信號響應的能力。傅立葉理論告訴我們正弦信號只在單點頻率處有能量，好像我們不應該有什么分辨率問題。兩個信號無論在頻率上多么接近，似乎都應在顯示器上表現為兩條線。但是超外差接收機的顯示器上所呈現的信號響應是具有一定寬度的。

混頻器的輸出包括兩個原始信號（輸入信號和本振）以及它們的和與差。中頻由帶通濾波器決定，此帶通濾波器會選出所需的混頻分量并抑制所有其他信號。由于輸入信號是固定的，而本振是掃頻的，故混頻器的輸出也是掃頻的。若某個混頻分量恰好掃過中頻，就會在顯示器上將帶通濾波器的特性曲線描繪出來，如圖 6 所示。鏈路中最窄的濾波器帶寬決定了總顯示帶寬。

因此，兩個輸入信號頻率必須間隔足夠遠，否則它們所形成的跡線會在頂部重疊，看起來像是只有一個響應。所幸的是，頻譜分析儀中的分辨率（IF）濾波器可調，所以通常能找到一個帶寬足夠窄的濾波器來分離頻率間隔很近的信號。

圖 6. 當混頻分量掃過 IF 濾波器時，顯示器上描繪出濾波器的特性曲線。

圖 7. 能夠分辨出間距等于所選 IF 濾波器 3 dB帶寬的兩個等幅正弦信號。

數字濾波器

一些頻譜分析儀使用數字技術實現分辨率帶寬濾波器。數字濾波器有很多優點，例如它能極大地改善濾波器的帶寬選擇性。

掃描時間

模擬分辨率濾波器

如果把分辨率作為評價頻譜儀的唯一標準，似乎將頻譜儀的分辨率（IF）濾波器設計得盡可能窄就可以了。然而，分辨率會影響掃描時間，而我們又非常注重掃描時間。因為它直接影響完成一次測量所需的時間。

考慮分辨率的原因是由于中頻濾波器是帶限電路，需要有限的時間來充電和放電。如果混頻分量掃過濾波器的速度過快，便會造成如圖 8 所示的顯示幅度的丟失。

圖 8. 掃描過快引起顯示幅度的下降和所指定頻率的偏移

我們得出的重要結論是：分辨率的變化對掃描時間有重大影響。頻譜分析儀一般會根據掃寬和分辨率帶寬的設置自動調整掃描時間，通過調節掃描時間來維持一個被校準的顯示。

包絡檢波器

老式分析儀通常會使用包絡檢波器將中頻信號轉換為視頻信號?(一種頻率范圍從零（直流）到由電路元件決定的某個較高頻率的信號。頻譜儀早期的模擬顯示技術用這種信號直接驅動 CRT 的垂直偏轉，因此被稱為視頻信號。) 最簡單的包絡檢波器由二極管、負載電阻和低通濾波器組成，如圖 9 所示。示例中的中頻鏈路輸出信號（一個幅度調制的正弦波）被送至檢波器，檢波器的輸出響應隨中頻信號的包絡而變化，而不是中頻正弦波本身的瞬時值。

圖 9. 包絡檢波器

顯示

直到 20 世紀 70 年代中期，頻譜分析儀的顯示方式還是純模擬的。顯示的跡線呈現連續變化的信號包絡，且沒有信息丟失。但是模擬顯示有著自身的缺點，主要的問題是處理窄分辨率帶寬時所要求的掃描時間很長。在極端情況下，顯示跡線會變成一個在陰極射線顯像管（CRT）屏幕上緩慢移動的光點，而沒有實際的跡線。所以，長掃描時間使顯示變得沒有意義。

是德科技（當時是惠普的一部分）率先提出了一種可變余輝存儲的 CRT，能在它上面調節顯示信息的消退速率。如果調節適當，那么在舊跡線剛剛消失的時刻新的跡線恰好出現以更新顯示。這種顯示是連續、無閃爍的，而且避免了跡線重疊帶來的混淆。它的效果相當好，但是針對每個新的測量狀態需要重新調整亮度和消退速度。

雖然今天的技術使得現代數字實現替代許多模擬電路成為可能，但是從經典的頻譜分析儀結構開始了解仍然非常有好處。

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