频谱分析仪综合实验系统设计和应用

董英雷，姜乃卓，葛中芹，庄建军

频谱分析仪综合实验系统设计和应用

董英雷，姜乃卓，葛中芹，庄建军

（南京大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210023）

为进一步提升教学效果，培养学生的实践创新能力，设计了一种超外差结构的频谱分析仪综合实验系统，通过该实验系统学生可以全面深刻地掌握高频电路课程的核心知识。频谱分析仪采用模块化结构设计，各模块均可由学生独立设计和制作，并接入系统进行调试。仪器具有100 kHz的频率分辨率，频率测量范围为50 MHz~300 MHz，频谱曲线显示清晰，功率测量精度较高。试用表明，该频谱仪实验系统教学效果好，可作为简易频谱仪在高校实验室大范围推广。

频谱测量；混频；锁相环；信噪比

高频电子线路理论课和相应的实验课是电子信息专业的主干课程。目前大部分高校开设的高频电路实验还是以传统的单元电路的验证性实验为主，缺乏有趣味性和应用性的综合实验，学生应用理论知识分析问题、解决问题的能力得不到有效提升，对学生的实践能力和创新能力锻炼不够，教学效果无法有效提升[1-2]。为此，本文设计了一个外差式结构的频谱测量仪综合实验系统。

1 频谱分析仪实验系统总体设计思路

实验系统以STM32系列单片机作为控制核心，包含电源模块、低噪声前置放大器模块、衰减器模块，混频器模块、本振信号源模块、中频滤波器模块，中频放大器模块、有效值检波模块等。以矩阵键盘和高分辨率液晶显示屏作为用户的输入和输出接口，可以通过键盘设定频谱仪的扫频范围，被测信号的频谱可以直接在液晶显示屏上显示，也可以通过RS232串行接口将测量的频谱数据传输给计算机，在计算机上通过Origin、Matlab等多种软件绘制信号的频谱图。

频谱分析仪的主要技术指标：输入信号的频率范围为50 MHz~300 MHz，输入信号最小峰峰值为1 mV值，输入动态范围大于40 dB，频率分辨率100 kHz。对杂散信号和系统本底噪声的抑制超过50 dB。

电源模块提供两路相互隔离的±5 V直流电源，分别给系统的硬件电路和单片机模块供电，实现模拟电源和数字电源的相互隔离，降低系统的噪声和数模系统的相互干扰。系统各电路模块的输入和输出阻抗均为50W，模块之间均采用短较的双芯同轴线连接，实现阻抗匹配，减小信号反射和干扰。所有电路模块采用0W电阻一点接地，磁珠一点接电源，避免由电源馈线和地线引起的前后级反馈，提高系统稳定性，避免自激现象。

系统中预留了多处测试点，可观察本振信号波形、测试中频滤波器的频率响应，以及观察中频放大器和检波器的输出等重要节点信号波形。

2 频谱仪综合实验系统硬件电路设计

2.1 频谱分析仪的实现原理

本系统设计基于超外差结构，系统框图如图1所示。输入被测信号经可控衰减电路和低噪声前置放大器之后与本振信号进行混频，中心频率为10.7 MHz的石英晶体滤波器作中频滤波，滤波后的信号经过中频放大器获得较大增益；为进一步降低中放输出的杂散信号功率和系统的本底噪声，提高频谱显示的信噪比，中放后用中心频率为10.7 MHz的陶瓷滤波器进行二次滤波；最后通过有效值检波器，输出和中频信号功率成正比的直流电平信号。本振信号可实现连续扫频，当本振信号频率高于被测信号频率分量10.7 MHz时，中放会输出一个幅值较大的正弦波，对应的有效值检波器也会输出较大的直流分量；当本振信号频率为其他值时，有效值检波器检测到的直流分量的幅度都会较小，可视为频谱仪的本底噪声。通过单片机控制A/D模块采样并读取检波器输出的直流电平数值，即可获得被测信号所包含的各个频率分量的功率，实现频谱测量，同时可画出被测信号的频谱图[3-4]。

图1 频谱分析仪综合实验系统的结构框图

2.2 衰减电路设计

当输入被测信号的幅度较大时，一方面有可能使前放电路输出饱和；另一方面若进入混频器的输入信号功率过大，会引起混频器电路产生严重的非线性效应，混频后会出现大量的组合频率分量。如果这些分量的频率在10.7 MHz附近，则同样会进入系统后端的中放和检波器，最终造成被测信号的频谱中出现大量的杂散频率，严重影响信号的频谱测量。因此在系统的输入端需要加入衰减器电路，对输入的大信号首先进行衰减，从而扩展频谱测量的输入动态范围。

衰减电路由可编程的PE4302衰减器芯片构成，芯片内部有CMOS逻辑控制的电阻衰减网络，因此基本不会引入额外的噪声，降低输入信号的信噪比。在本综合实验中，通过外部的拨码开关可实现最大31.5 dB的手动衰减调整范围，从而保证频谱仪的输入被测信号具有40 dB以上的动态范围。可控衰减电路原理如图2所示。

2.3 低噪声前放电路设计

频谱分析仪整机的噪声系数主要由系统的第1级和第2级电路决定，因此前放电路必须保证噪声系数尽量小，同时增益不易过大，一般选择前放增益在20~30 dB。如果前放的增益过大，在放大有用信号的同时，输入端的噪声也会获得较大的增益，这样在系统的后端就很难有效抑制本底噪声和杂散信号，将直接降低频谱仪显示的信号频谱的信噪比。另外，前放增益过大，也容易使被测信号较大时在经过混频器之后就产生饱和，影响频谱仪的输入信号动态范围[5]。

本系统中，前放电路选择砷化镓材料的低噪声运放芯片SPF5043，工作频率范围大约为50 MHz~ 3 GHz，频率为900 MHz时，增益可达18.5 dB，噪声系数为0.6 dB，构成放大器电路时，外围电路只需要电容滤波、输入输出耦合电容和一个高频扼流线圈。低噪声放大器电路如图3所示。

本实验系统前放采用两级SPF5043放大器级联，总增益约35 dB。

2.4 混频器电路设计

混频器电路需要有较低的噪声系数和较好的线性度，同时尽量减少输出的高阶组合频率分量干扰以及输入信号和本振信号的泄漏。本系统中采用高速模拟乘法器芯片AD831来实现混频，该乘法器具有高达500 MHz的射频、本振输入信号带宽、250 MHz的差分电流中频输出带宽。构成混频器电路时，对本振信号的输入功率要求很低，最小为-10 dBm。本振和射频输入端口之间有很高的隔离度，输出的10.7 MHz中频信号对本振和输入信号的泄漏抑制率均高于30 dB，输出阻抗可以实现50 Ω的匹配，混频器本身没有插入损耗[6]。

采用AD831芯片设计的混频器电路具有较好的线性度和超过40 dB的输入动态范围，能够满足系统的设计指标要求，电路原理图如图4所示。

图2 PE4302芯片构成的衰减器电路原理图

图3 SPF5043芯片构成的低噪声前放电路原理图

2.5 本振信号源电路设计

频谱仪实验系统对本振信号源电路的要求：（1）本振信号的频率稳定度高，相位噪声小；（2）本振信号能够实现连续扫频，频率步进小；（3）本振信号的输出功率满足混频器的本振输入功率要求，波形失真小。

图4 乘法器芯片AD831构成的混频器电路原理图

本振信号源电路的核心器件是可编程的集成锁相环芯片ADF4351，芯片内部集成了宽带频率合成器，其压控振荡器的基波输出频率范围为2.2 GHz~4.4 GHz，利用内部的可编程分频电路，可使锁相环路的输出频率范围为50 MHz~310.7 MHz，输出电压的峰峰值大于500 mV，通过STM32F407单片机对芯片进行编程控制，可以产生频率固定的单频信号或频率步进值为100 kHz的连续扫频信号。

锁相环构成的本振信号源电路原理图见图5。测量时发现锁相环输出的本振信号中包含了一些高次谐波和高频杂散分量。为改善本振信号的波形，可用-3 dB带宽大于100 MHz的无源低通滤波器进行滤波，滤波后的波形几乎没有失真，频率为110 MHz的本振信号输出时域波形如图6所示，图7是对应的频谱图，可以看到本振信号的相位噪声较小，在100 kHz频偏处的相位噪声低于-70 dBc。

2.6 中频滤波器设计

中频滤波器在混频器的输出端，可采用中心频率为10.7 MHz的石英晶体滤波器，其-3 dB带宽小于100 kHz，可保证频谱仪的频率分辨率为100 kHz。在中频放大器的输出端加入压电陶瓷滤波器构成的第二级中频滤波器，主要作用是滤除频谱仪前端被中放放大的本底噪声，提高频谱检测的信噪比，此外还可以有效抑制由于混频非线性引入的杂散信号，提高频谱检测的纯度。前后两级中频滤波器带来的总插入损耗约为35 dB，可通过增加中放的增益来进行补偿。

图5 锁相环芯片ADF4351构成的本振电路原理图

图6 本振信号的时域波形

图7 本振信号的频谱

2.7 中放电路设计和系统各级增益分配

为保证中放输出的有用信号有足够的信噪比，提高后级有效值检波器的检测精度，通常需保证中频输出信号的功率在-20 dBm以上。被测输入信号的最小功率为-56 dBm，考虑到两级中频滤波器的35 dB插入损耗和系统各级电路之间阻抗匹配带来的12 dB衰减，因此本实验系统中的前放级、混频器级、中放级的总增益必须超过85 dB。混频器级没有增益，前放总增益约35 dB，因此中放最大增益需要50 dB以上[5]。

中放电路由两级OPA847运放芯片构成的固定增益电路组成，总增益约为54 dB。

3 频谱仪综合实验系统软件设计

单片机使用STM32F407，该单片机以Cortex-M4为内核，内部资源丰富，包含了1 MB的Flash和196 KB的SRAM，集成了12位的A/D采样模块，有并行的LCD驱动端口，并包含丰富的LCD驱动函数库，支持多种高分辨率的液晶屏。

软件部分的功能主要包括：（1）锁相环本振信号源的频率扫频编程控制；（2）检波器输出信号的 A/D数据采样，功率转换计算；（3）液晶屏的频谱图像显示；（4）镜像干扰信号的软件识别和去除。

4 频谱仪综合实验系统的测试结果

4.1 频谱测量方法

为了有效地测量输入信号频谱的信噪比，并验证频谱分析仪对信号功率测量的精度和频率分辨率，可选择一个单频的输入信号作为频谱仪功率测量的校正信号，通过按键手动切换本振频率，频率步进值为100 kHz，在中放输出端直接用示波器观察波形。根据超外差接收的原理，只有当本振信号的频率比输入单频信号的频率高10.7 MHz时，中放才会输出一个幅度比较大的正弦波，记录下此时的正弦波电压均方根值o，示波器的输入阻抗设置为50 Ω，可根据以下公式将信号的电压值转换为功率值，单位为dBm。

当本振信号的频率为其他值时，中放输出端在示波器上显示的基本都是噪声，记录下噪声电压的均方根值，并根据上面的公式转换成功率值，这些功率对应的是频谱分析仪的电路本底噪声。

将本振信号各个频率扫频点得到的信号功率（单位dBm）记录在Excel表格中，作为纵坐标；输入信号频率为横坐标，可将表格数据导入Origin软件中画出测量的输入信号频谱[7-12]。

4.2 频谱测试结果和分析

图8是峰峰值为1 mV、频率为90 MHz的单频输入信号测量的频谱。测量时本振频率从93.2 MHz到108.2 MHz，共选取了150个本振频率点。从频谱图中可以清晰地看到在90 MHz处存在一根幅度较大的谱线，对应输入信号的频谱，其功率约为4 dBm。输入信号的实际功率约为-56 dBm，因此可以计算出频谱分析仪实验系统的总增益约为60 dB。在后面的测量中，将中放输出信号功率减去60 dB即可得到实际输入信号的功率，完成对频谱仪功率测量的校正。从图8中还可以看出，在测试小信号的频谱时，信号频谱的信噪比大于45 dB。

图8 测量的输入90 MHz单频信号频谱

被测信号选择调幅波和调频波，调幅波的载波频率为95 MHz，调幅指数为50%；调频波的载波频率为95 MHz，最大频偏为150 kHz，调制信号频率均为100 kHz，载波的峰峰值均为1 mV；本振频率从98.2 MHz到113.2 MHz，共选取150个本振频率点，得到的频谱图如图9和图10所示。

图9 输入调幅波信号频谱

图10 输入调频波信号频谱

从图9的频谱图中可以清晰地看到，在95 MHz处有一根较大的谱线，对应调幅波的载波频率分量，其功率约为-56 dBm，在载波两侧有两根功率相等的对称谱线，功率约为-68 dBm，与载波的频率间隔均为100 kHz，对应调幅波上下边频分量。频谱图验证了频谱分析仪综合实验系统的频率分辨率达到100 kHz。当调幅指数为50%时，载波分量功率和边频分量功率之差的理论值为20lg(1/4) =-12 dB，频谱仪实测的边频功率和载波功率之差约为11.8 dB，与理论值完全吻合，证实了频谱仪的功率测量有较高精度。

从图10的频谱图中可以清晰地看到，在95 MHz处有一根较大的谱线，对应调频波的载波频率分量，功率约为-63 dBm，在中心频率两侧有对称的幅度较大的5根谱线，频率间隔均为100 kHz，分别是调频信号的一阶至五阶边频分量，共同构成了完整的调频信号频谱。一阶至三阶边频分量和载波频率分量之间的功率差分别是+0.7 dB、-6.8 dB、-18.4 dB，与理论值+0.66 dB、-7.1 dB、-18.8 dB完全符合，误差都在1 dB之内，再次证实了频谱分析仪的功率测量精度较高。

图11是学生设计和制作的频谱分析仪实验系统实物图。

图11 频谱分析仪实验系统实物图

5 结语

本文开发的频谱分析仪综合实验系统工作稳定，能够满足高频电路实验中大部分的频谱测量需求，同时具有较大的二次开发空间，例如学生可自行设计二极管无源混频器模块代替原有的乘法器混频模块，测试频谱分析仪的信噪比和杂散抑制等指标。学生也可将衰减器模块集成到中放电路中，实现AGC功能，可以进一步提高频谱测量的动态范围。如果将锁相环本振信号的频率步进值设置为10 kHz，对10.7 MHz的中频信号进行二次下变频，用带宽小于10 kHz、中心频率为455 kHz的陶瓷滤波器作最后的中频滤波，可将频谱仪的频率分辨率提高到10 kHz。

学生通过自行设计和替换原实验系统中各个功能模块，修改和补充软件控制内容，可扩展频谱分析仪的测量功能和提高其技术指标，有助于提高学生的高频电路实验兴趣。

[1] 杨光义，王雪迪，金伟正，等.变容二极管调频电路实验的创新与改进[J].实验技术与管理，2015, 32(7): 41–45.

[2] 王辉，刘胜，田凯，张波波，等.心电测试仪开发及在教学中的应用[J].实验技术与管理，2015, 32(2): 77–81.

[3] 梁爽，伍小芹.认知无线电中下变频信号处理的频谱研究[J].无线电工程，2017, 47(12): 15–19.

[4] 田薇，孙秦，陈东.基于Lab Windows/CVI的虚拟频谱仪设计[J].实验技术与管理，2004, 21(4): 65–68.

[5] 牛蕊，夏志，焦雨琪.基于概率频谱接入的联合频谱感知和功率分配[J].科技创新与应用，2018(29): 9–10.

[6] 李姣军. AD633模拟相乘功能设计与实现[J].实验技术与管理，2015, 32(3): 47–49.

[7] 闫红梅，吴冬梅，吴延海. Matlab在周期信号分解及频谱中的应用[J].实验技术与管理，2016, 33(5): 37–39.

[8] 梁西昌，万熠，朱振杰，等.频谱分析法在振动时效系统中的实验研究[J].实验技术与管理，2015, 32(2): 65–68.

[9] 周秀珍，肖雷.基于快速傅里叶变换的实时频谱分析方法研究[J].信息通信，2018(8): 21–22.

[10] 黄蓉.基于SOPC技术频谱分析仪的设计[J].实验技术与管理，2009, 26(7): 58–60.

[11] 陈红雨.基于频谱分析的多谱勒效应实验设计[J].实验技术与管理，2008, 25(7): 47–52.

[12] 李勇，李跃华，刘欣.毫米波调频系统差频频谱细化算法改进[J].微波学报，2015, 31(增刊2): 212–216.

Design and application of synthesis experiment system for spectrum analyzer

DONG Yinglei, JIANG Naizhuo, GE Zhongqin, ZHUANG Jianjun

(School of Electronic Science and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210023, China)

In order to further improve teaching effect and cultivate students’ practical and innovative ability, a comprehensive experimental system of the spectrum analyzer with superheterodyne structure is designed. Through this experimental system, students can fully and profoundly grasp the core knowledge of the High Frequency Circuit course. The spectrum analyzer is designed with modular structure, each module can be designed and manufactured by students independently and debugged by the access system. The instrument has a frequency resolution of 100 kHz, and the frequency measurement range is from 50 MHz to 300 MHz. The spectrum curve is clearly displayed and the power measurement accuracy is high. Trial application shows that the experimental system of the spectrum analyzer has good teaching effect and can be widely used as a simple spectrum analyzer in university laboratories.

spectrum measurement; mixing; phase-locked loop; signal to noise ratio

TM935.21；G484

A

1002-4956(2019)07-0097-06

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.024

2018-12-03

2017年教育部第二批产学合作协同育人项目（201702007014）；南京大学“十三五”实验教学改革研究课题重点课题（SY201708，SY201814，SY201815）；2016年度南京大学本科生教学改革项目重点教改课题（201616A12）。

董英雷（1998—），男，内蒙古赤峰，本科学生，曾获2018年江苏省大学生电子设计竞赛一等奖.

姜乃卓（1980—），男，江苏苏州，硕士，工程师，研究方向为高频电路教学、电子设计竞赛指导、微弱信号处理等.E-mail: jiangnz@nju.edu.cn