简易频谱分析仪

超外差架构实现与硬件实现方案

一、架构实现概述

超外差架构作为频谱分析的一种重要实现方式，其核心过程包括：通过混频器将高频输入信号与本振（LO）信号结合进行下变频处理，转换为中频（IF）信号。接下来，借助RBW滤波器，我们精准地提取目标频段的信号。信号经过包络检测器和ADC后完成功率测量。这种架构的灵活性体现在LO频率的调整上，通过改变LO频率，实现对不同频段的扫描分析。

二、数字信号处理模块详解

在数字信号处理模块中，我们利用FPGA的高效运算能力完成FFT转换，这一转换将频域信号从复杂的时域形态转化为更为直观的频域表现，支持0-5MHz的带宽频谱分析。结合数字下变频（DDC）技术和抽取算法，我们降低了运算的复杂性，提升了数据处理的实时性。SDR架构的出现，通过正交混频和复采样简化了硬件设计，如HackRF One等设备的出现，使得低成本频谱分析成为可能。

三、硬件实现方案的核心组件与典型示例

在硬件层面，射频前端作为核心组件之一，采用如ADF4351或AD9361等高性能芯片作为频率源，支持广泛的扫频功能。混频器和滤波器组合使用，通过窄带带通滤波器（如LC滤波器）有效抑制镜像频率的干扰。检波模块则通过对数放大器和包络检波器实现信号功率的精确提取。在低成本方案示例中，我们利用单片机控制AD采样和自动增益控制（AGC），结合FPGA完成FFT运算。SDR平台的复采样架构使得软件层面的频谱分析功能更加强大。

四、关键技术指标及优化策略

关键的性能参数包括带宽范围、分辨率带宽（RBW）和动态范围。其中，基于AD9361方案的LO±20MHz带宽范围是一个典型值。RBW通过数字滤波器调节，直接影响频率的分辨能力。动态范围则受到ADC位数的限制。在噪声优化方面，前端低噪放（LNA）的应用能显著降低系统噪声系数。过采样与平均算法能有效提升信噪比，特别适用于宽频段信号的分析。

五、应用场景与扩展性

这种技术架构在教育实验、工程调试以及功能扩展方面有着广泛的应用前景。在高校电子类课程中，它可以替代传统昂贵设备，辅助学生观察信号的频谱特性。在工程调试现场，便携式的设备设计如SA1030B型号，能支持快速检测无线模块的发射功率和频谱纯度。通过添加数字调制解调算法，该设备还可以升级为矢量信号分析仪或电磁兼容测试设备，进一步扩展其应用范围。