自 20 世紀 80 年代以來，頻譜分析最深刻巨大的變化之一就是數字技術的應用代替了以往儀器中類比電路實現的部分。隨著高效能模數轉換器的推出，最新的頻譜分析儀與僅僅幾年前的產品相比，可以在訊號通路的更早階段對輸入訊號進行數字化。這種變化在頻譜分析儀的中頻部分體現的最為明顯。數字中頻1對頻譜分析儀的效能有很大提高，它極大地改善了其測量速度、精度以及利用高效能 DSP 技術測量複雜訊號的能力。
數字濾波器
Keysight ESA-E 系列頻譜分析儀採用了一部分數字中頻電路。傳統的模擬 LC 和晶體濾波器只能實現 1 kHz 及更高的解析度頻寬（RBW），而採用數字技術則可使最窄的頻寬達到 1 Hz 至 300 Hz。
圖 3-1。 ESA-E 系列頻譜儀中的 1、3、10、30、100 和 300 Hz 解析度頻寬濾波器的數字實現方法
如圖 3-1 所示，線性模擬訊號經下變頻至中頻 8。5 kHz，並透過一個頻寬只有 1 kHz 的帶通濾波器，隨後該中頻訊號經過放大，以 11。3 kHz 的速率被取樣及數字化。
訊號一旦經過數字化後，便對其進行快速傅立葉變換。為了對合適的訊號進行轉換，分析儀必須是固定調諧的（不掃描），即這種轉換必須是對時域訊號進行的。因此當我們選擇某一個數字解析度頻寬時，ESA-E 系列頻譜分析儀以 900 Hz 的步進遞增本振頻率，而不是連續掃描。這種步進式調諧可以從顯示屏上觀察到，當數字處理完成後，顯示以 900 Hz 的步進更新。
稍後我們會看到另一些頻譜儀和訊號分析儀（Keysight X 系列分析儀）使用了全數字化中頻技術，即儀器中所有的解析度頻寬濾波器均採用數字技術實現。
這些頻譜儀採用數字處理的一個關鍵好處是它的頻寬選擇性可達到約 4：1。即使是最窄的濾波器也可以達到這樣的選擇性，我們可以用它來分辨頻率非常接近的訊號。
讓我們再對數字濾波器做相同的計算，一個好的數字濾波器的選擇性模型是類高斯分佈：
其中H（∆f） 是濾波器邊緣下降值（單位 dB）。
Δf 是相對於中心頻率的頻率偏移（單位 Hz），α 是控制選擇性的引數。對於一個理想的高斯濾波器，α 的值等於 2。是德科技頻譜分析儀的掃頻式 RBW 濾波器是基於 α = 2。12 的準高斯模型，因而其選擇性的比值為 4。1：1。
嚴格說來，訊號一旦經過數字化就不再是中頻（IF），這個點上的訊號是用數字化的數值來表示。不過，我們使用術語 “數字中頻” 來描述這種替代了傳統頻譜分析儀中所採用的模擬中頻的數字處理技術。
把例子中的數值代入公式，我們得到：
在頻率偏移 4 kHz 處，模擬濾波器的邊緣下降為 -14。8 dB，與之相比，頻寬為 3 kHz 的數字濾波器下降了 -24。1 dB。由於數字濾波器具備這種優良的選擇性，它更能分辨出頻率非常接近的訊號。
全數字中頻
Keysight X 系列等頻譜分析儀首次將多項數字技術結合從而實現了全數字中頻，這種全數字中頻給使用者帶來很大好處。用於窄掃寬的 FFT 分析和用於寬掃寬的掃頻分析的聯合使用，優化了掃描過程，使得測量能夠儘可能快速地完成。在結構上，模數轉換器（ADC）和其他數字硬體的改進使模數轉換器的位置能夠更接近於頻譜儀的輸入端。
下面讓我們先來觀察 X 系列訊號分析儀的全數字中頻結構框圖，如圖 3-2 所示。
圖 3-2。 Keysight X 系列訊號分析儀全數字中頻結構方框圖
在此結構中，160 個解析度頻寬濾波器全部採用數字技術實現，但在模數轉換器之前還會有類比電路：首先是下變頻的幾個階段，其次是一對單極點前置濾波器（其中一個為本振濾波器，另一個為晶體濾波器）。這裡的前置濾波器與模擬中頻的一樣，用來防止後續過程對三階失真的進一步放大。此外，它還能透過自動定標實現動態範圍擴充套件，此單極點前置濾波器的輸出將連線至自動定標（autorange）檢波器和抗混疊濾波器。
與任何基於 FFT 的中頻結構一樣，抗混疊濾波器必須防止混疊現象（即帶外的混疊訊號成為模數轉換器的取樣訊號）。這種濾波器擁有多個極點，所以有很大的群時延。
即使是下變頻至中頻的一個快速上升的射頻（RF）脈衝，在經過此抗混疊濾波器時也會經歷大於三個模數轉換器時鐘（30 MHz）週期的時延，這段時延給了頻譜儀時間使其在接近的大訊號造成 ADC（模數轉換器）過載之前可將它識別出來。控制自動幅度調節檢波器的邏輯電路會在大訊號到達 ADC 前減小訊號的增益，從而防止削波。如果訊號包絡長時間處於較小值，該自動幅度調節電路就會相應地提高增益，降低輸入端的有效噪聲影響，同時 ADC 之後的數字增益也會作相應地改變以補償 ADC 之前的模擬增益的變化。結果就是當掃頻模式下啟用自動幅度調節功能可以獲得一個很寬動態範圍的“浮點式”模數轉換器。
圖 3-3 描繪了X 系列頻譜分析儀的掃描方式。單極點前置濾波器允許增益在頻譜儀調諧至遠離載波頻率時變得很高，而隨著與載波頻率的逐漸靠近，增益降低，ADC 量化噪聲增大。該噪聲電平的大小取決於訊號距離載波的頻率，因此它看起來像是一種階梯狀的相位噪聲。不過，相位噪聲與這種自動幅度調節的噪聲並不同。頻譜分析儀無法避免相位噪聲，而減小前置濾波器的頻寬可以降低大多數載波頻率偏移處的自動幅度調節的噪聲。又由於前置濾波器的頻寬近似等於 RBW 的 2。5 倍，所以減小 RBW 也會減小自動幅度調節的噪聲。
圖 3-3。 自動幅度調節使 ADC 噪聲接近於載波而低於本振噪聲或 RBW 濾波器響應
專用數字訊號處理積體電路
我們回到數字中頻的框圖（圖 3-2），ADC 增益由模擬增益確定並經過數字增益糾正後，一個專用的積體電路開始處理訊號樣本。首先，它把 30 MHz 的中頻訊號樣本分離成速率減半（15 Mpairs/s）的 I、Q 兩路，並用一個增益和相位與單極點模擬前置濾波器相反的單級數字濾波器給 I、Q 兩路一個高頻提升。然後 I、Q 訊號經過一個接近於理想高斯響應的線性相位濾波器進行低通濾波。高斯濾波器由於最佳地折衷了頻域效能（形狀因子）和時域效能（對快速掃描的響應），經常被應用在掃頻式頻譜分析裡。隨著訊號頻寬的減小，I、Q 訊號可能被抽取並送至處理器作 FFT 處理或解調。儘管 FFT 運算可以覆蓋的頻段跨度高達抗混疊濾波器的 10 MHz 頻寬，但是即使在較窄的 FFT 寬度（比如1 kHz）和窄 RBW（比如 1 Hz）情況下，要進行 FFT 運算也需要 2 千萬個數據點。對較窄的掃寬使用抽取技術可以大大減少 FFT 運算所需的資料點個數，提高計算速度。
對於掃頻分析，經濾波的 I、Q 訊號被轉換為幅度/相位對的形式。傳統的掃頻分析，幅度訊號經影片頻寬（VBW）濾波器並透過顯示檢波電路獲取樣本值。對數/線性顯示和每標度分貝值的選擇在處理器中完成，所以訊號不必重複測量就可以在螢幕上以任意比例顯示其跡線。
其他影片處理功能
VBW 濾波器通常用於平滑訊號的對數幅度，不過它還有許多其他功能。它能夠在濾波之前將對數幅度轉換為電壓包絡，並在顯示檢波之前以同樣的方法將其轉換回來。
在零掃寬情況下觀察脈衝射頻包絡形狀的理想方法是以線性電壓標度顯示濾出的訊號幅度。對數幅度訊號也可以在濾波前被轉換為功率訊號（幅度的平方）然後再被轉換回去。功率訊號濾波使得分析儀對具有類噪聲特性的訊號，如數字通訊系統訊號和對具有相同 rms 電壓值的 CW 訊號都給出相同的平均響應。一個日益增長的應用需求是測量一個通道或一段頻率範圍內的總功率。
在這種測量中，顯示資料代表的是本振掃過該資料點的時間段內的平均功率。VBW 濾波器還可以被配置為一個累加器對對數、電壓或功率進行平均。
頻率計數
掃頻式頻譜分析儀通常都有一個頻率計數器。它負責記錄中頻訊號的過零次數以及在餘下轉換過程中相對於本振已知偏移量的頻率偏移。如果計數器能夠達到每秒計一次，可以實現 1 Hz 的高解析度。
由於採用了數字合成本振和全數字 RBW，X 系列訊號分析儀的固有頻率精度很高（掃寬的千分之一）。另外，X 系列訊號分析儀還包含一個不僅能記錄過零次數，還能記錄相位變化的頻率計數器。所以它能夠在 0。1 秒內分辨數十毫 Hz 的頻率。有了這種設計，分辨頻率變化的能力不再受頻譜儀的限制，而是由待記錄訊號的噪聲水平決定。
全數字中頻的更多優勢
我們已經討論了全數字中頻訊號分析儀的諸多功能：功率/電壓/對數影片濾波、高解析度頻率計數、儲存跡線的對數/線性轉換、卓越的形狀因子、顯示資料點的平均檢波模式、160 個 RBW，當然還有FFT 和掃頻處理。頻譜分析中，RBW 濾波器的濾波過程會產生頻率和幅度測量上的誤差，該誤差隨掃描速率的變化而變化。對於固定水平的誤差，全數字中頻結構中線性相位的 RBW 濾波器比起模擬濾波器具有更快的掃描速度。數字實現還可以進行眾所周知的頻率和幅度讀數補償，允許的掃描速度通常是老式頻譜儀的四倍。Keysight X 系列訊號分析儀可以達到 50 倍以上的掃描速度。
數字技術實現的對數放大非常精確。整個分析儀的典型誤差比製造商用來檢驗對數保真度的測量不確定度小很多。當分析儀混頻器輸入低於 -20 dBm 的任意電平時，對數保真度的指標為 ±0。07 dB。與模擬中頻一樣，對數放大器的範圍不會限制低電平訊號的對數保真度，這個範圍只受混頻器輸入端的 -155 dBm 噪聲的限制。由於上游電路高功率處的單音壓縮，混頻器輸入端低於 -10 dBm 訊號的保真度指標降至 ±0。13 dB。與之相比，模擬對數放大器的指標容限通常在 ±1 dB 的範圍。
其他與中頻相關部件的精度也有所提高。中頻預選器是模擬的，必須像模擬濾波器那樣做校準，因此受制於校準誤差。但它的效能比大多數模擬濾波器好得多。由於需要製造的結構只有 1 級，相比模擬中頻分析儀的 4 級或 5 級濾波器，這樣的濾波器穩定很多。從而 RBW 濾波器之間的增益變化指標被控制在 0。03 dB，優於全模擬中頻設計 10 倍。
中頻頻寬的精度取決於濾波器數字部分的穩定性限制和模擬預選器的校準不確定度。還是同樣，預選器非常穩定，僅貢獻了 5 級結構 RBW 所產生誤差的 20%。所以，大部分 RBW 值都在他們指定設定頻寬的 2% 之內，而模擬中頻分析儀的指標是 10% 至 20%。
提高頻寬精度最重要的目的是最小化通道功率以及類似測量的不準確性。我們知道RBW 濾波器的噪聲頻寬指標比其 2% 的設定容限更好，噪聲遊標和通道功率測量的容限經修正是 ±0。5%。因此，頻寬不確定度對噪聲密度和通道功率測量的幅度誤差影響只有 ±0。022 dB。
最後，因為沒有依賴於基準電平的模擬增益階段，分析儀不會出現“中頻增益”錯誤。所有這些技術的改進都意味著應用全數字中頻會大大提高頻譜分析儀的測量精度，同時它還使在改變頻譜儀設定的時候不會嚴重影響測量不確定度，我們今後將會討論到這一點的具體內容。
本文的目的是為您提供關於頻譜分析儀的基本概述。您或許想要進一步瞭解與頻譜分析相關的更多其他話題，您可訪問頻譜分析儀網頁。
