分辨率帶寬對頻譜分析儀測試有哪些影響？

　　頻譜儀是射頻工程師最常用的設備之一，信號的頻率、功率、諧波、相位噪聲等諸多射頻參數都需要使用頻譜分析儀。使用頻譜儀時，有一個參數需要經常設置，就是分辨率帶寬(Resolution BW，簡稱RBW)。RBW是指中頻鏈路上最小的中頻濾波器帶寬，決定了能夠通過的信號及寬帶噪聲的功率，因此對頻譜測試至關重要。

　　為什么將中頻濾波器的帶寬稱為分辨率帶寬？分辨率帶寬對頻譜測試有哪些影響？這些將是本文重點介紹的內容。

　　為什么稱為分辨率帶寬呢?

　　當測試CW信號的頻譜時，您可能有過這樣的體會：增大RBW時，信號頻譜會“變胖”，而減小RBW時，信號頻譜會“變瘦”，為什么會出現這樣的情況?這樣還能準確測試信號的頻率和功率嗎?

　　首先明確的是，對于CW信號，只要具有足夠的信噪比，使用多大的RBW都是可以準確測試功率的，而單頻點信號的頻率測試也是不受RBW影響的。之所以在不同的RBW時具有不同的頻譜形態，是因為看到的頻譜實際上是中頻濾波器的幅頻響應。

　　對于掃頻式頻譜儀，中頻是固定的，射頻的掃描測試是通過LO的不斷調諧實現的，正是由于LO的調諧才使得頻譜呈現這樣的形態。為了更加清晰地說明這一點，下面通過圖示進行解釋。

　　圖1中，紫色譜線為RF信號的位置，紅色譜線為LO調諧的位置，而藍色譜線為IF——頻譜儀的中頻都是固定的值。淺藍色曲線為Gaussian filter的幅頻響應曲線，紅色的圓點表示在LO不斷調諧過程中，與RF信號混頻后產生的中頻信號的位置。

　　圖1. LO不斷調諧實現RF信號的掃描測試

　　圖1. LO不斷調諧實現RF信號的掃描測試(續)

　　LO調諧時，混頻后的中頻信號首先不斷靠近頻譜儀的IF，然后再逐步遠離IF，假設混頻器的變頻損耗是平坦的，這意味著LO調諧過程中產生的所有中頻信號的幅度都是相同的。但是，最終都要經過一個中心頻率固定的中頻濾波器，因此，最終呈現出的頻譜就是這個中頻濾波器的幅頻響應曲線。

　　那么前面介紹的這些內容與分辨率有什么關系?

　　這是為了更好地理解下面的內容，前面是以單音信號為例，如果測試的是圖2所示的等幅雙音信號(綠色譜線)，頻譜將是怎樣的呢?

　　如果雙音信號頻間距遠遠小于中頻濾波器的帶寬，那么頻譜儀是無法“分辨”出這兩根譜線的，而是“誤認為”是一根譜線。當頻間距與中頻濾波器帶寬相等時，頻譜儀測得的頻譜將如圖2(中)所示，通常認為此時為可分辨的臨界點。如果將RBW設置得遠遠小于頻間距，則可以非常清晰的將兩個信號分辨出來，如圖2(右)所示。

　　圖2. 中頻濾波器的帶寬決定了頻譜儀區分雙音信號的能力

　　類似地，對于多音信號，只有中頻濾波器帶寬遠遠小于最小頻間距時，頻譜儀才可以清晰地分辨出來。因此，中頻濾波器的帶寬決定了頻譜儀的頻率分辨率，這就是為什么將其稱為分辨率帶寬RBW的原因。

　　為了使得頻譜儀能夠更好地分辨信號，如何設置RBW呢?其實沒有一個定論，操作人員可以通過連續調整RBW的方式選擇合適的值。通常情況下，對于等幅雙音或多音信號，建議將RBW設置為最小頻間距的1/10;對于非等幅信號，由于中頻濾波器有限的帶外選擇性，需要將RBW設置得更小。

　　RBW除了影響分辨率，還會影響頻譜儀哪些參數?

　　文章開頭提到，RBW決定了能夠通過中頻濾波器的寬帶噪聲信號的功率，這也就意味著會影響頻譜儀的底噪聲水平。如果測試的是寬帶信號，那么同樣也會影響顯示的信號功率大小。

　　當降低RBW時，頻譜儀顯示的底噪聲也會隨之而降，反之，當增大RBW時，底噪聲也會隨之增大。這就好比在教室上課，而外面很嘈雜，當將門逐漸關閉時，能聽到的噪音越來越小，這是相同的道理。

　　如果要從理論上分析RBW對頻譜儀底噪聲的影響，那么就要從下面的公式說起。假設在室溫下(290K)，則頻譜儀的底噪聲為：

　　Noise Floor, rms = kBT0* FSA* GSA

　　式中，k為玻爾茲曼常數，B為系統帶寬，FSA為頻譜儀整個鏈路的等效噪聲因子，GSA為整個鏈路的增益。通常，頻譜儀的鏈路都做了校準，因此GSA=1。

　　Noise Floor, rms = kBT0* FSA

　　對于頻譜儀而言，系統帶寬B與RBW之間有一定的比例關系，這取決于所使用的中頻濾波器的類型，比如目前廣泛應用于頻譜儀的Gaussian濾波器，系統帶寬B與RBW基本相同。

　　為了便于理解，將上式寫為對數形式，如下：

　　Noise Floor, rms = -174dBm/Hz + NFSA+ 10lg(RBW)

　　由上式可知：RBW越大，頻譜儀的底噪越高;RBW增大10倍，則底噪將抬高10dB。

　　所以，當測試比較微弱的信號時，就可以通過降低RBW來提高頻譜儀的測試靈敏度。

　　值得一提的是，當測試寬帶信號的頻譜時，比如數字調制信號或者寬帶噪聲信號，Marker顯示功率值并不是一個頻點的功率，而是RBW帶寬內的總功率。當降低RBW時，Marker顯示的功率值也會變小;同樣，增大RBW時，Marker顯示的功率值也會變大。這些變化都是正常的!

　　但是測試單頻點信號的功率除外，只要具有足夠的信噪比，無論RBW如何設置，Marker顯示的功率值都是不變的!

　　RBW除了影響頻譜儀的底噪和頻率分辨率，對總體的掃描速度也有影響。當RBW設置得很小時，頻譜儀的掃描速度會非常慢，這是因為：濾波器的帶寬越小，瞬態響應時間越長，也就是需要更長的時間建立沖激響應。

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