分辨率帶寬的中頻濾波器的帶寬，你了解嗎？

什么是中頻濾波器的帶寬?你了解多少?眾所周知，頻譜儀是射頻工程師最常見的檢測設(shè)備之一，通過檢測顯示信號的頻率、功率、諧波、相位噪聲等諸多射頻參數(shù)在進(jìn)行測試測量分析。在使用頻譜儀時(shí)，其中有一個(gè)參數(shù)需要單獨(dú)設(shè)置，就是分辨率帶寬(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(guān)重要。為何中頻濾波器的帶寬被稱為分辨率帶寬?這是本文重點(diǎn)講解的部分。

為什么稱為分辨率帶寬呢?

當(dāng)測試CW信號的頻譜時(shí)，您可能有過這樣的體會：增大RBW時(shí)，信號頻譜會“變胖”，而減小RBW時(shí)，信號頻譜會“變瘦”，為什么會出現(xiàn)這樣的情況?這樣還能準(zhǔn)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(zhǔn)確測試功率的，而單頻點(diǎn)信號的頻率測試也是不受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(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)。為了更加清晰地說明這一點(diǎn)，下面通過圖示進(jìn)行解釋。圖1中，紫色譜線為RF信號的位置，紅色譜線為LO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)諧過程中，與RF信號混頻后產(chǎn)生的中頻信號的位置。

LO調(diào)諧時(shí)，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(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)諧過程中產(chǎn)生的所有中頻信號的幅度都是相同的。但是，最終都要經(jīng)過一個(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(yuǎn)遠(yuǎn)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(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)信號分辨出來，如圖2(右)所示。

類似地，對于多音信號，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。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(shè)置RBW呢?其實(shí)沒有一個(gè)定論，操作人員可以通過連續(xù)調(diào)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(shè)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(shè)置得更小。

RBW除了影響分辨率，還會影響頻譜儀哪些參數(shù)?

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(dāng)降低RBW時(shí)，頻譜儀顯示的底噪聲也會隨之而降，反之，當(dāng)增大RBW時(shí)，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(dāng)將門逐漸關(guān)閉時(shí)，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(shè)在室溫下(290K)，則頻譜儀的底噪聲為：

Noise Floor, rms = kBT 0 * F SA * G SA

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，G SA 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G SA =1。

Noise Floor, rms = kBT 0 * F SA

對于頻譜儀而言，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，將上式寫為對數(shù)形式，如下：

Noise Floor, rms = -174dBm/Hz + NF SA + 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)測試比較微弱的信號時(shí)，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(dāng)測試寬帶信號的頻譜時(shí)，比如數(shù)字調(diào)制信號或者寬帶噪聲信號，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顯示的功率值也會變小;同樣，增大RBW時(shí)，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(diǎn)信號的功率除外，只要具有足夠的信噪比，無論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，也就是需要更長的時(shí)間建立沖激響應(yīng)。

如何設(shè)置RBW才能實(shí)現(xiàn)更好的測試效果?

具體如何設(shè)置RBW，與測試的信號特點(diǎn)以及測試參數(shù)都有一定的關(guān)系。需要根據(jù)RBW對頻譜儀性能的影響，以及信號自身的特點(diǎn)，選擇合適的RBW。下面列舉了三種典型的測試場景，并給出了相應(yīng)的推薦設(shè)置。

場景一：單頻點(diǎn)信號的頻譜測試

如果信號功率較大，無所謂RBW如何設(shè)置。但是，當(dāng)信號很微弱時(shí)，就需要適當(dāng)降低RBW，以降低底噪聲，提高信噪比，比如測試雜散、高次諧波等。如果要保證一定的功率測試精度，則SNR至少要達(dá)到10dB以上。

場景二：多音信號的頻譜測試

多音信號是指具有多個(gè)頻率點(diǎn)的CW信號，如果各個(gè)頻點(diǎn)的幅度相同，則建議RBW不超過最小頻率間距的1/10，以完全分辨出各個(gè)信號。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的影響。比如，測試射頻脈沖信號的線狀譜時(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。

場景三：帶寬積分法測試寬帶信號的總功率

測試寬帶信號的總功率，應(yīng)用更多的是帶寬積分法，測試思路是，首先根據(jù)當(dāng)前設(shè)置的RBW及對應(yīng)的功率值計(jì)算出信號的功率譜密度，然后再對寬帶信號進(jìn)行積分，從而得到總功率值。

有些文獻(xiàn)提到，采用帶寬積分法測試寬帶信號總功率時(shí)，由于中頻濾波器有限的帶外抑制度，在信號帶寬左右兩個(gè)邊界處，無法對帶外信號或噪聲進(jìn)行充分抑制，因此為了提高測試精度，建議將RBW選擇為信號帶寬的1%~3%。當(dāng)然，RBW也不適合取太小，否則測試速度會非常慢。

其實(shí)，如果只是測試寬帶信號的功率，大可不必將RBW設(shè)置得這么小，實(shí)測表明：RBW取為信號帶寬的1/10，甚至更大，測得的信號功率并沒有太大變化。

盡管如此，當(dāng)測試諸如CDMA/WCDMA等無線通信信號的ACPR或者ACLR時(shí)，仍然建議RBW設(shè)置得小一點(diǎn)，這樣在測試臨道功率時(shí)，才能夠抑制較強(qiáng)的信道信號，從而保證測試精度!

另外，還須注意，只有選擇RMS檢波器時(shí)，測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。

小結(jié)

在初次使用頻譜儀時(shí)，也有很多困惑，其中就包含對RBW的理解。為什么稱為“分辨率”帶寬，RBW對頻譜儀有什么影響，對測試結(jié)果有什么影響，等等諸如此類的問題。經(jīng)過不斷的摸索和思考，對這些問題的理解也更加深入，整理下來分享給大家，希望對大家有所幫助。以上就是中頻濾波器的帶寬，希望能給大家?guī)椭?