Comparison of Analog IF and All-digital IF Used in Spectrum Analyzer
作者：程建川 普源精電技術應用工程師
隨著模數轉換器、高性能微處理器和可編程器件等器件和技術近年來突飛猛進的發展，頻譜儀也從模擬中頻時代進入全數字中頻時代。全數字中頻技術的采用使頻譜儀的多項指標得到顯著提升。北京普源精電(RIGOL)最新推出的DSA1030A頻譜分析儀采用的就是全數字中頻技術，成為為數不多的掌握該技術的頻譜儀供應商之一。
原理及設計對比
為了便于說明數字中頻和模擬中頻對于頻譜儀的影響，我們先簡單分析一下這兩種類型頻譜儀實現的原理。圖1就是典型的模擬中頻頻譜儀的原理框圖。射頻信號進入頻譜儀后首先經過衰減器，將信號幅度調節到混頻器最佳工作范圍內，然后通過頻譜儀內部的變頻器將射頻信號變到相對較低的中頻，中頻濾波實現不同帶寬的選擇后，包絡檢波后得到視頻信號，最終顯示在屏幕中。由圖1可見，幾乎所有部件都是模擬器件，因此模擬中頻實現的頻譜儀一般都比較笨重。
而數字中頻頻譜儀的設計核心是全數字式的中頻轉換和信號處理鏈，通過全數字中頻技術，分析儀不再依賴于響應遲鈍的晶體和LC型濾波器。射頻前端的處理與模擬中頻頻譜儀的射頻部分處理無明顯變化，重點在變頻器完成頻譜從高到低的搬移后，通過A/D轉換器實現模擬到數字的變換，使用數字處理方式實現數字下變頻、中頻濾波器、包絡檢波器、視頻濾波器以及幅度定標等模塊，最終完成輸入信號譜的計算和顯示。與模擬中頻頻譜儀比，數字中頻頻譜儀在數字域上實現放大、濾波、檢波等一系列中頻處理，并最終送給LCD顯示。數字檢波器，數字濾波器的采用極大地提高了系統的穩定性、一致性、測量速度，同時進一步縮小了頻譜儀的體積。
數字中頻頻譜儀與模擬中頻頻譜儀比較，具有得天獨厚的優勢，同時數字中頻的研究也有很多技術上的難點需要突破，具體說來包括數字中頻系統布局，數字濾波器、數字檢波器的設計，以及掃描時間的研究。數字中頻技術是頻譜分析儀的關鍵技術之一。負責對A/D采樣得到的中頻信號解析出來，最終以譜線形式提供給用戶，包括A/D采樣，數字下變頻，中頻濾波器，包絡檢波器，視頻濾波器，以及幅度定標等模塊。如何合理的布局，組織數據流鏈路，以及資源優化都是數字中頻技術研究課題之一。
數字中頻實現中重要的一個模塊是數字中頻濾波器的實現。采用數字中頻濾波器可以得到高穩定的性能表現，同時可以得到更小的RBW切換誤差，以及濾波器穩定時間。該模塊包括CIC濾波器，及FIR濾波器，如何得到設計要求的3dB RBW帶寬，以及<5:1的60dB/3dB形狀因子，綜合考慮動態范圍要求的旁瓣抑制，以及符合掃描時間要求的響應時間都是研究的重點。
各種視頻檢波器也都使用數字方式實現。為了適用不同類型信號的測量，頻譜儀需要提供相應的檢波方式：包括正峰值檢波，負峰值檢波，標準檢波，抽樣檢波，有效值平均檢波，電壓平均檢波等。其中部分檢波需要使用CORDIC算法來完成。
此外，另一個需要重點研究的課題是掃描時間，掃描時間幾乎涉及到頻譜分析儀系統各個環節的響應時間，因此該問題的研究復雜度較高。該問題涉及到射頻前端本振何時調頻，頻率鎖定的最小時間，中頻濾波器的穩定時間，檢波等運算時間等。掃描時間的優化涉及到各個模塊響應時間的精確計算以及各個模塊單元的優化。只有充分研究清楚系統中各個環節的最短響應時間，才能充分發揮數字中頻快速穩定精確的特點。
指標分析
采用全數字中頻的頻譜儀與模擬中頻頻譜儀比較，若干關鍵指標都得到較大幅度提升，同時穩定性，可生產性也得到較大幅度的提升。以DSA1030A作為數字中頻代表與市面上模擬中頻頻譜儀做比較來說明數字中頻技術的優越性。
1. 采用全數字中頻技術可以測量更小的信號：通過實現更小帶寬的中頻濾波器，大幅度降低了顯示平均噪聲電平。DSA1030A實現了最小10Hz的RBW，而要實現這么小帶寬的模擬濾波器技術上是很困難的。如圖3所示，當設置更小的RBW時，頻譜儀的本底噪聲也將相應降低(VBW都選擇10Hz，同時掃描時間都選擇自動)，降低大小可以用公式(1)說明。如果RBW從10kHz修改成1kHz，則底噪將下降10dB。DSA1030A在內部標配的前置放大器打開之后，選擇10Hz的RBW，可以測量達-148dBm的信號，如圖4。
其中：ΔdB—低噪的變化量，單位為dB;BW1—修改前的分辨率帶寬值，單位為Hz;BW2—修改后的分辨率帶寬值，單位為Hz。
2.采用全數字中頻技術可以分辨更近的信號：通過實現更小帶寬的中頻濾波器，可以分辨頻率相差只有10Hz的兩個信號。最小分辨率帶寬是用來說明頻譜儀能分辨兩個幅度相當而頻率相差很小信號能力的指標。越小的分辨率帶寬就可以分辨距離越近的信號。例如輸入一個兩個頻率相差150Hz的雙音信號，使用30Hz的RBW可以輕易分辨,而3kHz的RBW則不能辦到。圖5和圖6所示。分辨率帶寬是指中頻濾波器下降3dB處的帶寬。
此外，數字濾波器的形狀因子可以做得更小，從而以前被掩埋在大信號裙帶下的小信號采用更好選擇性的數字濾波器之后得以凸現。選擇性是60dB帶寬與3dB帶寬的比值。DSA1030A的中頻濾波器選擇性為5，遠遠優于模擬濾波器的15。如圖7和8。采用數字濾波器的DSA1030A更容易分辨兩個相距9kHz,幅度相差30dB的信號。
3.采用全數字中頻技術可以獲得更高精度的幅度指標：幾乎消除了傳統模擬中頻由于中頻濾波器切換誤差，參考電平不確定度，刻度失真，幅度對數線性切換誤差等諸多因素造成的幅度誤差，從而得到更高的全幅度精度。模擬中頻頻譜儀中修改參考電平是通過調節模擬中頻放大器實現的，刻度保真度也受限于充當包絡檢波的對數放大器，此外，中頻濾波器的切換是通過選擇不同模擬濾波器實現的。由于模擬器件受環境溫度等影響，會導致各個環節都帶來幅度誤差。然而，數字中頻就大大減弱和消除了這些誤差影響。DSA1030A的全幅度誤差小于1dB。
4.采用全數字中頻可以獲得更寬的動態范圍和顯示范圍：數字中頻頻譜儀將中頻信號轉換成數字信號后，動態范圍決定于數字定點處理過程中的字長，只要充足的處理資源就可以得到很高的動態范圍。而模擬中頻受對數放大器等器件的動態范圍制約。因此，模擬中頻的頻譜儀通常只顯示80dB的范圍內的信號，而數字中頻頻譜儀可以得到大的多的測量范圍和顯示范圍。DSA1030A可以設置200dB的顯示范圍，而相同設置下測量范圍達到130dB。
5.采用全數字中頻技術可以得到更穩定的表現：與傳統模擬中頻相比，大大降低了模擬器件的使用，降低了硬件系統復雜度，同時也降低了由于通道老化和溫度敏感以及器件失效等造成的系統不穩定度。系統越復雜，越不穩定。做硬件設計的都知道，越簡單的單板一定越穩定，因為，器件減少，必然降低了出錯的概率，系統穩定性依賴于每個器件的穩定性。而使用數字中頻，復雜的器件組合編程固化在芯片中的代碼，經過反復測試調試，程序可以按照設計的程式工作，而不用擔心其中一段代碼突然工作不正常。
6. 采用全數字中頻技術可以獲得更快的測量速度：數字中頻濾波器技術的采用，大大提高了濾波器的帶寬精度和選擇性，減小了響應時間，從而大大降低了掃描時間，提高了測量速度(見式2)。
(2)其中：Span—當前測量設置的掃寬，單位Hz;RBW—當前設置的分辨率帶寬，單位Hz;VBW—當前設置的視頻帶寬，單位Hz;KRBW—當前RBW的瞬態響應時間的比例系數;KVBW—當前VBW的瞬態響應時間的比例系數;
RBW的瞬態響應時間的比例系數與頻譜儀的中頻濾波器的實現有關，模擬中頻的頻譜儀，由于響應遲鈍的晶體和LC型濾波器，比例系數K一般為3左右。而像DSA1030A一樣采用數字中頻方案的數字濾波器可以得到更小的比例系數K，DSA1030A的比例系數達到1，如圖9所示。例如，同樣將頻譜儀掃寬設置成10MHz，RBW設置成1kHz，VBW大于1kHz，此時DSA1030A對應的K值為1，掃描時間為10s;而模擬中頻中K值如果為3，則需要30s。
結語
全數字中頻技術對頻譜儀性能的提升具有里程碑意義。相對于模擬中頻，數字中頻意味著更大的顯示和測量動態范圍，更高的精度、信號分辨力、靈敏度，更快的測量速度，更穩定的表現以及更平易近人的價格，相信頻譜分析儀這個射頻微波測量的利器將在工程師手中發揮越來越大的作用。
參考文獻：
[1] RIGOL.DSA1000A系列數據手冊[D].www.rigol.com
[2] RIGOL.DSA1000A系列用戶手冊[D].www.rigol.com
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