[分享] 频谱分析系列：为什么需要预选器？

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？

 

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：f_RF和f_image。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。

 

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。

 

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f_LO1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(f_LO1 – 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f_LO2时，与RF信号的差频也是IF，那么此时频谱仪“认为”在频率为(f_LO2 – 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f_LO1，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f_LO2，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(f_LO2 – 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！

 

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f_LO,start，若在f_RF,start处没有信号而在f_Image,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f_RF,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！

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~

本期原创工程师：海川

非常专业，又学习了一遍。感谢知识分享！