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儀測試。使用頻譜儀時(shi)，有(you)一個參數需要(yao)經常設(she)置，就是分(fen)辨率(lv)帶(dai)寬(Resolution BW，簡稱RBW)。RBW是指中頻鏈路上最小(xiao)的(de)(de)中頻濾波器帶(dai)寬，決定了(le)能夠通(tong)過的(de)(de)信號(hao)及寬帶(dai)噪聲的(de)(de)功(gong)率(lv)，因此對(dui)頻譜測試(shi)至關重(zhong)要(yao)。
為什么將中(zhong)頻濾波器的帶(dai)寬(kuan)稱為分辨率帶(dai)寬(kuan)？分辨率帶(dai)寬(kuan)對頻譜測試有(you)哪些(xie)影響？如何(he)設置(zhi)分辨率帶(dai)寬(kuan)？這些(xie)將是本文(wen)重點(dian)介紹的內(nei)容。
為什么稱為分辨率帶(dai)寬呢？
當測試(shi)CW信(xin)號的(de)頻(pin)譜時，您可能(neng)有過這樣的(de)體(ti)會：增(zeng)大RBW時，信(xin)號頻(pin)譜會“變胖”，而(er)減(jian)小RBW時，信(xin)號頻(pin)譜會“變瘦”，為什么(me)會出現這樣的(de)情況？這樣還(huan)能(neng)準確測試(shi)信(xin)號的(de)頻(pin)率和功率嗎？
首先明確的(de)是，對于(yu)CW信(xin)號，只要具有(you)足夠的(de)信(xin)噪比，使用多(duo)大的(de)RBW都是可(ke)以準確測試功率(lv)的(de)，而單頻(pin)點信(xin)號的(de)頻(pin)率(lv)測試也是不(bu)受(shou)RBW影(ying)響(xiang)的(de)。之所(suo)以在不(bu)同(tong)(tong)的(de)RBW時具有(you)不(bu)同(tong)(tong)的(de)頻(pin)譜(pu)形(xing)態，是因為看(kan)到的(de)頻(pin)譜(pu)實際上(shang)是中頻(pin)濾波器的(de)幅頻(pin)響(xiang)應。
對于掃頻式頻譜儀，中頻是固定的(de)，射頻的(de)掃(sao)描測試(shi)是通過(guo)LO的(de)不斷調(diao)諧實現的(de)，正是由于LO的(de)調(diao)諧才使得頻譜呈現這樣的(de)形態。為了(le)更加清晰地說明這一點，下(xia)面(mian)通過(guo)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(de)中頻都是固定的(de)值(zhi)。淺藍色(se)曲(qu)線為(wei)Gaussian filter的(de)幅頻響應曲(qu)線，紅色(se)的(de)圓(yuan)點表(biao)示(shi)在LO不斷調諧過(guo)程(cheng)中，與RF信號混頻后產生的(de)中頻信號的(de)位(wei)置。
圖1. LO不斷調諧(xie)實現RF信號的掃描(miao)測試
圖1. LO不斷調諧實(shi)現RF信號(hao)的掃描測(ce)試(續)
LO調諧時，混頻后的中頻信號首先不斷靠近頻譜儀的(de)(de)IF，然后再(zai)逐(zhu)步遠離IF，假設混(hun)頻(pin)器的(de)(de)變頻(pin)損(sun)耗(hao)是(shi)平坦的(de)(de)，這(zhe)意味著LO調諧過程中(zhong)產生的(de)(de)所有(you)中(zhong)頻(pin)信(xin)號(hao)的(de)(de)幅(fu)(fu)度都(dou)是(shi)相同的(de)(de)。但是(shi)，最(zui)終都(dou)要經過一個(ge)中(zhong)心頻(pin)率(lv)固定的(de)(de)中(zhong)頻(pin)濾波(bo)器，因此，最(zui)終呈現出的(de)(de)頻(pin)譜(pu)就是(shi)這(zhe)個(ge)中(zhong)頻(pin)濾波(bo)器的(de)(de)幅(fu)(fu)頻(pin)響應曲線。
那(nei)么前面介紹的這(zhe)些內容與分辨率有(you)什(shen)么關系？
這是為了(le)更好(hao)地理解下面的(de)(de)(de)內容，前面是以單音(yin)信號(hao)為例，如果測試的(de)(de)(de)是圖2所(suo)示的(de)(de)(de)等幅雙音(yin)信號(hao)(綠(lv)色(se)譜線)，頻譜將是怎樣的(de)(de)(de)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(de)的頻譜將(jiang)(jiang)如(ru)圖2(中(zhong))所示，通常認為此(ci)時為可分辨(bian)的臨界(jie)點。如(ru)果(guo)將(jiang)(jiang)RBW設置得(de)遠遠小于頻間距，則可以非常清晰(xi)的將(jiang)(jiang)兩個(ge)信(xin)號分辨(bian)出來(lai)，如(ru)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(de)頻率分辨率，這就是(shi)為(wei)什么將其稱為(wei)分辨率帶寬RBW的(de)原因。
為了使得頻譜儀能(neng)夠更好地分辨信(xin)號(hao)，如何設(she)(she)置RBW呢？其實沒有一個定論(lun)，操(cao)作(zuo)人員可以通過連(lian)續(xu)調整RBW的(de)方式選(xuan)擇合適(shi)的(de)值。通常情(qing)況下，對于(yu)(yu)等幅雙(shuang)音(yin)或多音(yin)信(xin)號(hao)，建(jian)議將(jiang)RBW設(she)(she)置為最小頻間距(ju)的(de)1/10；對于(yu)(yu)非等幅信(xin)號(hao)，由(you)于(yu)(yu)中頻濾(lv)波(bo)器有限的(de)帶外(wai)選(xuan)擇性，需要將(jiang)RBW設(she)(she)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(zao)聲水平(ping)。如(ru)果測試的是寬(kuan)帶信(xin)號(hao)，那么同(tong)樣也會影響顯(xian)示的信(xin)號(hao)功(gong)率大小。
當降低RBW時，頻譜儀顯示(shi)的底噪(zao)聲(sheng)也(ye)(ye)會(hui)隨之而降，反之，當增大RBW時(shi)，底噪(zao)聲(sheng)也(ye)(ye)會(hui)隨之增大。這(zhe)就(jiu)好比在教室上(shang)課，而外面很(hen)嘈(cao)雜，當將門逐漸(jian)關閉時(shi)，能聽到的噪(zao)音越來越小，這(zhe)是相同(tong)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(lian)路都做了校準(zhun)，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(bo)器，系統帶寬B與RBW基(ji)本相同。
為(wei)了便于(yu)理解，將(jiang)上式寫為(wei)對數形(xing)式，如下：
Noise Floor, rms = -174dBm/Hz + NFSA + 10lg(RBW)
由上式可知：RBW越大，頻譜儀的(de)底噪越高；RBW增(zeng)大10倍(bei)，則底噪將(jiang)抬(tai)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(zhi)得一(yi)提(ti)的是(shi)(shi)(shi)，當測試寬帶信號的頻(pin)(pin)譜時(shi)，比(bi)如(ru)數字調制信號或(huo)者寬帶噪聲信號，Marker顯示(shi)功(gong)率值(zhi)并不(bu)是(shi)(shi)(shi)一(yi)個頻(pin)(pin)點的功(gong)率，而是(shi)(shi)(shi)RBW帶寬內(nei)的總功(gong)率。當降低RBW時(shi)，Marker顯示(shi)的功(gong)率值(zhi)也會(hui)(hui)變(bian)(bian)小；同樣(yang)，增大RBW時(shi)，Marker顯示(shi)的功(gong)率值(zhi)也會(hui)(hui)變(bian)(bian)大。這些變(bian)(bian)化都是(shi)(shi)(shi)正常(chang)的！
但是測試單頻點信(xin)號的功(gong)(gong)率(lv)除外，只(zhi)要具有足(zu)夠的信(xin)噪比，無論RBW如何設置(zhi)，Marker顯(xian)示的功(gong)(gong)率(lv)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(de)掃(sao)描速度(du)會非常(chang)慢(man)，這(zhe)是(shi)(shi)因為(wei)：濾波器的(de)帶寬越小，瞬態響(xiang)應時(shi)間越長，也就是(shi)(shi)需(xu)要更長的(de)時(shi)間建(jian)立沖激響(xiang)應。
如何設置RBW才能(neng)實(shi)現更好的測試效(xiao)果？
具體如何設置RBW，與測試的信號特點以及測試參數都有一定的關系。需要根據RBW對頻譜儀性(xing)能的(de)(de)影響，以及信號自身的(de)(de)特點(dian)，選擇合適的(de)(de)RBW。下面列舉了(le)三種典型(xing)的(de)(de)測試(shi)場景，并給(gei)出了(le)相(xiang)應的(de)(de)推薦設置(zhi)。
場景一：單頻點信號的頻譜測試
如(ru)果(guo)信(xin)號(hao)功(gong)率(lv)(lv)較大，無所謂RBW如(ru)何設(she)置。但是，當信(xin)號(hao)很微弱時，就需(xu)要(yao)適(shi)當降低RBW，以降低底噪(zao)聲，提(ti)高信(xin)噪(zao)比，比如(ru)測試雜散(san)、高次諧(xie)波等。如(ru)果(guo)要(yao)保證一定的功(gong)率(lv)(lv)測試精度，則SNR至(zhi)少要(yao)達到10dB以上。
場(chang)景二：多音信號的頻譜測試
多(duo)音信(xin)號(hao)是指具有(you)多(duo)個(ge)頻(pin)(pin)率點(dian)的(de)CW信(xin)號(hao)，如果(guo)各個(ge)頻(pin)(pin)點(dian)的(de)幅(fu)度(du)相同(tong)，則(ze)建議(yi)RBW不超過最小頻(pin)(pin)率間距(ju)的(de)1/10，以完(wan)全分辨出各個(ge)信(xin)號(hao)。如果(guo)各個(ge)頻(pin)(pin)點(dian)的(de)幅(fu)度(du)不同(tong)，那么RBW還需要設置(zhi)得更小，以減(jian)少中頻(pin)(pin)濾波器(qi)的(de)滾降特性帶來的(de)影(ying)響。比如，測(ce)試(shi)射頻(pin)(pin)脈沖信(xin)號(hao)的(de)線狀譜時，距(ju)離載波越遠的(de)譜線幅(fu)度(du)越低，RBW要遠遠小于脈重(zhong)頻(pin)(pin)才可以實現清晰的(de)觀測(ce)。
場(chang)景(jing)三：帶(dai)寬(kuan)積分法(fa)測試(shi)寬(kuan)帶(dai)信號的(de)總功率
測(ce)試(shi)寬帶信(xin)(xin)號(hao)的總(zong)功(gong)(gong)率(lv)，應(ying)用更多的是帶寬積分法(fa)，測(ce)試(shi)思(si)路(lu)是，首先(xian)根據當前(qian)設置的RBW及(ji)對應(ying)的功(gong)(gong)率(lv)值計(ji)算(suan)出信(xin)(xin)號(hao)的功(gong)(gong)率(lv)譜(pu)密度，然后再對寬帶信(xin)(xin)號(hao)進行積分，從而得到總(zong)功(gong)(gong)率(lv)值。
有些(xie)文獻提到，采用(yong)帶(dai)(dai)寬(kuan)積(ji)分(fen)法(fa)測試(shi)寬(kuan)帶(dai)(dai)信號總功率時，由于中頻濾波器(qi)有限的帶(dai)(dai)外抑制(zhi)度(du)(du)，在信號帶(dai)(dai)寬(kuan)左右兩個(ge)邊(bian)界處(chu)，無(wu)法(fa)對帶(dai)(dai)外信號或噪聲進(jin)行(xing)充(chong)分(fen)抑制(zhi)，因(yin)此(ci)為了提高測試(shi)精度(du)(du)，建議(yi)將RBW選擇為信號帶(dai)(dai)寬(kuan)的1%~3%。當然，RBW也不適合取太小，否則測試(shi)速(su)度(du)(du)會非常慢。
其實，如果只(zhi)是(shi)測試寬帶(dai)信號(hao)的功率(lv)，大(da)可不必將RBW設置得這么小，實測表明：RBW取(qu)為信號(hao)帶(dai)寬的1/10，甚至更大(da)，測得的信號(hao)功率(lv)并沒有太大(da)變化。
盡管如此，當測(ce)試(shi)諸如CDMA/WCDMA等無線通信信號(hao)的ACPR或者ACLR時(shi)，仍然(ran)建議RBW設置(zhi)得小一點(dian)，這樣(yang)在(zai)測(ce)試(shi)臨道(dao)功率時(shi)，才能(neng)夠抑制較強的信道(dao)信號(hao)，從而保證測(ce)試(shi)精度！
另外，還(huan)須注意，只有選(xuan)擇RMS檢波(bo)器(qi)時，測得的(de)功率才(cai)是真正(zheng)的(de)總(zong)功率。關于顯示檢波(bo)器(qi)的(de)內(nei)容，將在后續的(de)文章中詳細(xi)地描述(shu)。