超外差式頻譜儀的原理是通過改變可調(diào)諧的本地振蕩器的頻率，使待測信號與之混頻到固定中頻，然后進(jìn)行信號處理與顯示，所以一般也稱為掃頻式頻譜儀。本文中討論的外差式頻譜儀采用的是全數(shù)字中頻結(jié)構(gòu)，即將模擬中頻信號數(shù)字化，用數(shù)字信號處理原理與數(shù)字器件實(shí)現(xiàn)頻譜分析。

　　頻譜分析儀最重要的指標(biāo)之一是頻率分辨力，即分辨率帶寬，它的大小體現(xiàn)了頻譜分析儀區(qū)分兩個(gè)不同頻率的等幅信號的能力。依照超外差式頻譜儀的原理可知，分辨率帶寬取決于中頻濾波器的帶寬。當(dāng)需要很高的頻率分辨力時(shí)，必須降低中頻濾波器的帶寬，而窄帶寬的中頻濾波器會(huì)減慢外差式頻譜儀的掃描速度并增加中頻濾波器的設(shè)計(jì)難度。所以要實(shí)現(xiàn)小的分辨率帶寬，并且使掃描時(shí)間限制在合理的范圍，需采取其他方法?？焖俑道锶~算法FFT可以直接將信號的時(shí)域特性轉(zhuǎn)換為頻域特性，必然能提高頻域測量的速度，同時(shí)利用數(shù)字信號處理器DSP的高速運(yùn)算能力，就可以實(shí)現(xiàn)小分辨率帶寬時(shí)頻譜的快速分析。

　　全數(shù)字中頻處理模塊

　　全數(shù)字中頻處理技術(shù)將傳統(tǒng)頻譜分析儀模擬中頻信號的處理，采用高速集成的FPGA以及DSP軟件編程實(shí)現(xiàn)。它主要是基于數(shù)字檢波的掃頻調(diào)諧分析法以及基于FFT的數(shù)字信號處理分析法。

　　圖1是數(shù)字中頻模塊的結(jié)構(gòu)框圖。中頻信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC數(shù)字化，與數(shù)控振蕩器NCO生成的兩路信號進(jìn)行混頻，產(chǎn)生零中頻數(shù)字正交解調(diào)IQ兩路數(shù)據(jù)，由于中頻信號的采樣率較高，要對兩路數(shù)據(jù)分別做變采樣率處理，由CIC濾波器(積分梳狀濾波器)和HB濾波器(半帶濾波器)進(jìn)行抽取濾波，實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻DDC。數(shù)字下變頻的目的是將高速率基帶信號降低到合適的速率，來適應(yīng)下一級處理模塊的要求。采樣率降低后的兩路數(shù)據(jù)，根據(jù)信號分析帶寬的不同需求，可選圖1中所示的數(shù)字FIR濾波器或FFT濾波器兩種處理方法。

　　在掃頻跨度較大，分辨率帶寬較大時(shí)，數(shù)字下變頻后的數(shù)據(jù)經(jīng)過設(shè)計(jì)好的固定形狀參數(shù)的FIR濾波器，提取待測頻段的信號分量然后進(jìn)行包絡(luò)檢波取出信號幅度，最后送入用戶端顯示。在掃頻跨度較小，分辨率帶寬較小時(shí)，數(shù)字下變頻輸出的低速率，零中頻兩路信號送到DSP中，利用FFT時(shí)頻域轉(zhuǎn)換原理，計(jì)算信號頻譜。此方法與FFT實(shí)時(shí)頻譜分析儀設(shè)計(jì)原理類似。

　　復(fù)數(shù)FFT原理及仿真

　　全數(shù)字中頻采用的是復(fù)混頻下變頻原理，中頻信號經(jīng)AD采樣后，將實(shí)數(shù)信號進(jìn)行正交解調(diào)，分解為兩路信號，一路表示同相信號，另一路表示正交信號，分別是I，Q兩路。假設(shè)中頻輸入信號為：

　　中頻信號中心頻率為，與中心頻率的偏移量是，數(shù)控振蕩器NCO產(chǎn)生頻率同樣是的兩路信號分別與輸入信號混頻。I路信號為：