頻譜儀是射頻工程師最常用的設(shè)備之一，信號的頻率、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試。使用頻譜儀時，有一個參數(shù)需要經(jīng)常設(shè)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(guān)重要。
為什么將中頻濾波器的帶寬稱為分辨率帶寬？分辨率帶寬對頻譜測試有哪些影響？如何設(shè)置分辨率帶寬？這些將是本文重點介紹的內(nèi)容。
為什么稱為分辨率帶寬呢？
當(dāng)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(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(tài)，是因為看到的頻譜實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，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。
圖1. LO不斷調(diào)諧實現(xiàn)RF信號的掃描測試
圖1. LO不斷調(diào)諧實現(xiàn)RF信號的掃描測試(續(xù))
LO調(diào)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(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，頻譜儀測得的頻譜將如圖2(中)所示，通常認(rèn)為此時為可分辨的臨界點。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(qū)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shè)置RBW呢？其實沒有一個定論，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，頻譜儀顯示的底噪聲也會隨之而降，反之，當(dāng)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(dāng)將門逐漸關(guān)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(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(zhǔn)，因此GSA=1。
Noise Floor, rms = kBT0 * FSA
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 + 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(dāng)測試寬帶信號的頻譜時，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頻點的功率，而是RBW帶寬內(nèi)的總功率。當(dāng)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(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，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(tài)響應(yīng)時間越長，也就是需要更長的時間建立沖激響應(yīng)。
如何設(shè)置RBW才能實現(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，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，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頻率點的CW信號，如果各個頻點的幅度相同，則建議RBW不超過最小頻率間距的1/10，以完全分辨出各個信號。如果各個頻點的幅度不同，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，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，由于中頻濾波器有限的帶外抑制度，在信號帶寬左右兩個邊界處，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，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，仍然建議RBW設(shè)置得小一點，這樣在測試臨道功率時，才能夠抑制較強的信道信號，從而保證測試精度！
另外，還須注意，只有選擇RMS檢波器時，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。