頻譜儀是射頻工程師最常用的設(shè)備之一，信號(hào)的頻率、功率、諧波、相位噪聲等諸多射頻參數(shù)都需要使用頻譜儀測(cè)試。使用頻譜儀時(shí)，有一個(gè)參數(shù)需要經(jīng)常設(shè)置，就是分辨率帶寬(Resolution BW，簡(jiǎn)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(guò)的信號(hào)及寬帶噪聲的功率，因此對(duì)頻譜測(cè)試至關(guān)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(duì)頻譜測(cè)試有哪些影響？如何設(shè)置分辨率帶寬？這些將是本文重點(diǎn)介紹的內(nèi)容。
為什么稱為分辨率帶寬呢？
當(dāng)測(cè)試CW信號(hào)的頻譜時(shí)，您可能有過(guò)這樣的體會(huì)：增大RBW時(shí)，信號(hào)頻譜會(huì)“變胖”，而減小RBW時(shí)，信號(hào)頻譜會(huì)“變瘦”，為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的情況？這樣還能準(zhǔn)確測(cè)試信號(hào)的頻率和功率嗎？
首先明確的是，對(duì)于CW信號(hào)，只要具有足夠的信噪比，使用多大的RBW都是可以準(zhǔn)確測(cè)試功率的，而單頻點(diǎn)信號(hào)的頻率測(cè)試也是不受RBW影響的。之所以在不同的RBW時(shí)具有不同的頻譜形態(tài)，是因?yàn)榭吹降念l譜實(shí)際上是中頻濾波器的幅頻響應(yīng)。
對(duì)于掃頻式頻譜儀，中頻是固定的，射頻的掃描測(cè)試是通過(guò)LO的不斷調(diào)諧實(shí)現(xiàn)的，正是由于LO的調(diào)諧才使得頻譜呈現(xiàn)這樣的形態(tài)。為了更加清晰地說(shuō)明這一點(diǎn)，下面通過(guò)圖示進(jìn)行解釋。
圖1中，紫色譜線為RF信號(hào)的位置，紅色譜線為L(zhǎng)O調(diào)諧的位置，而藍(lán)色譜線為IF——頻譜儀的中頻都是固定的值。淺藍(lán)色曲線為Gaussian filter的幅頻響應(yīng)曲線，紅色的圓點(diǎn)表示在LO不斷調(diào)諧過(guò)程中，與RF信號(hào)混頻后產(chǎn)生的中頻信號(hào)的位置。
圖1. LO不斷調(diào)諧實(shí)現(xiàn)RF信號(hào)的掃描測(cè)試
圖1. LO不斷調(diào)諧實(shí)現(xiàn)RF信號(hào)的掃描測(cè)試(續(xù))
LO調(diào)諧時(shí)，混頻后的中頻信號(hào)首先不斷靠近頻譜儀的IF，然后再逐步遠(yuǎn)離IF，假設(shè)混頻器的變頻損耗是平坦的，這意味著LO調(diào)諧過(guò)程中產(chǎn)生的所有中頻信號(hào)的幅度都是相同的。但是，最終都要經(jīng)過(guò)一個(gè)中心頻率固定的中頻濾波器，因此，最終呈現(xiàn)出的頻譜就是這個(gè)中頻濾波器的幅頻響應(yīng)曲線。
那么前面介紹的這些內(nèi)容與分辨率有什么關(guān)系？
這是為了更好地理解下面的內(nèi)容，前面是以單音信號(hào)為例，如果測(cè)試的是圖2所示的等幅雙音信號(hào)(綠色譜線)，頻譜將是怎樣的呢？
如果雙音信號(hào)頻間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于中頻濾波器的帶寬，那么頻譜儀是無(wú)法“分辨”出這兩根譜線的，而是“誤認(rèn)為”是一根譜線。當(dāng)頻間距與中頻濾波器帶寬相等時(shí)，頻譜儀測(cè)得的頻譜將如圖2(中)所示，通常認(rèn)為此時(shí)為可分辨的臨界點(diǎn)。如果將RBW設(shè)置得遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于頻間距，則可以非常清晰的將兩個(gè)信號(hào)分辨出來(lái)，如圖2(右)所示。
圖2. 中頻濾波器的帶寬決定了頻譜儀區(qū)分雙音信號(hào)的能力
類(lèi)似地，對(duì)于多音信號(hào)，只有中頻濾波器帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最小頻間距時(shí)，頻譜儀才可以清晰地分辨出來(lái)。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(hào)，如何設(shè)置RBW呢？其實(shí)沒(méi)有一個(gè)定論，操作人員可以通過(guò)連續(xù)調(diào)整RBW的方式選擇合適的值。通常情況下，對(duì)于等幅雙音或多音信號(hào)，建議將RBW設(shè)置為最小頻間距的1/10；對(duì)于非等幅信號(hào)，由于中頻濾波器有限的帶外選擇性，需要將RBW設(shè)置得更小。
RBW除了影響分辨率，還會(huì)影響頻譜儀哪些參數(shù)？
文章開(kāi)頭提到，RBW決定了能夠通過(guò)中頻濾波器的寬帶噪聲信號(hào)的功率，這也就意味著會(huì)影響頻譜儀的底噪聲水平。如果測(cè)試的是寬帶信號(hào)，那么同樣也會(huì)影響顯示的信號(hào)功率大小。
當(dāng)降低RBW時(shí)，頻譜儀顯示的底噪聲也會(huì)隨之而降，反之，當(dāng)增大RBW時(shí)，底噪聲也會(huì)隨之增大。這就好比在教室上課，而外面很嘈雜，當(dāng)將門(mén)逐漸關(guān)閉時(shí)，能聽(tīng)到的噪音越來(lái)越小，這是相同的道理。
如果要從理論上分析RBW對(duì)頻譜儀底噪聲的影響，那么就要從下面的公式說(shuō)起。假設(shè)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(shù)，B為系統(tǒng)帶寬，F(xiàn)SA為頻譜儀整個(gè)鏈路的等效噪聲因子，GSA為整個(gè)鏈路的增益。通常，頻譜儀的鏈路都做了校準(zhǔn)，因此GSA=1。
Noise Floor, rms = kBT0 * FSA
對(duì)于頻譜儀而言，系統(tǒng)帶寬B與RBW之間有一定的比例關(guān)系，這取決于所使用的中頻濾波器的類(lèi)型，比如目前廣泛應(yīng)用于頻譜儀的Gaussian濾波器，系統(tǒng)帶寬B與RBW基本相同。
為了便于理解，將上式寫(xiě)為對(duì)數(shù)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(dāng)測(cè)試比較微弱的信號(hào)時(shí)，就可以通過(guò)降低RBW來(lái)提高頻譜儀的測(cè)試靈敏度。
值得一提的是，當(dāng)測(cè)試寬帶信號(hào)的頻譜時(shí)，比如數(shù)字調(diào)制信號(hào)或者寬帶噪聲信號(hào)，Marker顯示功率值并不是一個(gè)頻點(diǎn)的功率，而是RBW帶寬內(nèi)的總功率。當(dāng)降低RBW時(shí)，Marker顯示的功率值也會(huì)變小；同樣，增大RBW時(shí)，Marker顯示的功率值也會(huì)變大。這些變化都是正常的！
但是測(cè)試單頻點(diǎn)信號(hào)的功率除外，只要具有足夠的信噪比，無(wú)論RBW如何設(shè)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(duì)總體的掃描速度也有影響。當(dāng)RBW設(shè)置得很小時(shí)，頻譜儀的掃描速度會(huì)非常慢，這是因?yàn)椋簽V波器的帶寬越小，瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，也就是需要更長(zhǎng)的時(shí)間建立沖激響應(yīng)。
如何設(shè)置RBW才能實(shí)現(xiàn)更好的測(cè)試效果？
具體如何設(shè)置RBW，與測(cè)試的信號(hào)特點(diǎn)以及測(cè)試參數(shù)都有一定的關(guān)系。需要根據(jù)RBW對(duì)頻譜儀性能的影響，以及信號(hào)自身的特點(diǎn)，選擇合適的RBW。下面列舉了三種典型的測(cè)試場(chǎng)景，并給出了相應(yīng)的推薦設(shè)置。
場(chǎng)景一：?jiǎn)晤l點(diǎn)信號(hào)的頻譜測(cè)試
如果信號(hào)功率較大，無(wú)所謂RBW如何設(shè)置。但是，當(dāng)信號(hào)很微弱時(shí)，就需要適當(dāng)降低RBW，以降低底噪聲，提高信噪比，比如測(cè)試雜散、高次諧波等。如果要保證一定的功率測(cè)試精度，則SNR至少要達(dá)到10dB以上。
場(chǎng)景二：多音信號(hào)的頻譜測(cè)試
多音信號(hào)是指具有多個(gè)頻率點(diǎn)的CW信號(hào)，如果各個(gè)頻點(diǎn)的幅度相同，則建議RBW不超過(guò)最小頻率間距的1/10，以完全分辨出各個(gè)信號(hào)。如果各個(gè)頻點(diǎn)的幅度不同，那么RBW還需要設(shè)置得更小，以減少中頻濾波器的滾降特性帶來(lái)的影響。比如，測(cè)試射頻脈沖信號(hào)的線狀譜時(shí)，距離載波越遠(yuǎn)的譜線幅度越低，RBW要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于脈重頻才可以實(shí)現(xiàn)清晰的觀測(cè)。
場(chǎng)景三：帶寬積分法測(cè)試寬帶信號(hào)的總功率
測(cè)試寬帶信號(hào)的總功率，應(yīng)用更多的是帶寬積分法，測(cè)試思路是，首先根據(jù)當(dāng)前設(shè)置的RBW及對(duì)應(yīng)的功率值計(jì)算出信號(hào)的功率譜密度，然后再對(duì)寬帶信號(hào)進(jìn)行積分，從而得到總功率值。
有些文獻(xiàn)提到，采用帶寬積分法測(cè)試寬帶信號(hào)總功率時(shí)，由于中頻濾波器有限的帶外抑制度，在信號(hào)帶寬左右兩個(gè)邊界處，無(wú)法對(duì)帶外信號(hào)或噪聲進(jìn)行充分抑制，因此為了提高測(cè)試精度，建議將RBW選擇為信號(hào)帶寬的1%~3%。當(dāng)然，RBW也不適合取太小，否則測(cè)試速度會(huì)非常慢。
其實(shí)，如果只是測(cè)試寬帶信號(hào)的功率，大可不必將RBW設(shè)置得這么小，實(shí)測(cè)表明：RBW取為信號(hào)帶寬的1/10，甚至更大，測(cè)得的信號(hào)功率并沒(méi)有太大變化。
盡管如此，當(dāng)測(cè)試諸如CDMA/WCDMA等無(wú)線通信信號(hào)的ACPR或者ACLR時(shí)，仍然建議RBW設(shè)置得小一點(diǎn)，這樣在測(cè)試臨道功率時(shí)，才能夠抑制較強(qiáng)的信道信號(hào)，從而保證測(cè)試精度！
另外，還須注意，只有選擇RMS檢波器時(shí)，測(cè)得的功率才是真正的總功率。關(guān)于顯示檢波器的內(nèi)容，將在后續(xù)的文章中詳細(xì)地描述。