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頻譜分析系列:淺談分辨率帶寬RBW

2020-03-29 來源:微波射頻網作者:海川 我要評論(0) 字號:

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,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。

缅甸玉和国际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?如何設置分辨率帶寬?這些將是本文重點介紹的內容。

為什么稱為分辨率帶寬呢?

缅甸玉和国际當測試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。

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

LO不斷調諧實現RF信號的掃描測試(續)

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。

缅甸玉和国际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。

中頻濾波器的帶寬決定了頻譜儀區分雙音信號的能力

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。

如何設置RBW才能實現更好的測試效果?

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,并給出了相應的推薦設置。

場景一:單頻點信號的頻譜測試

缅甸玉和国际如果信號功率較大,無所謂RBW如何設置。但是,當信號很微弱時,就需要適當降低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,距離載波越遠的譜線幅度越低,RBW要遠遠小于脈重頻才可以實現清晰的觀測。

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,應用更多的是帶寬積分法,測試思路是,首先根據當前設置的RBW及對應的功率值計算出信號的功率譜密度,然后再對寬帶信號進行積分,從而得到總功率值。

有些文獻提到,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。關于顯示檢波器的內容,將在后續的文章中詳細地描述。

小結

缅甸玉和国际筆者在初次使用頻譜儀時,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,對測試結果有什么影響,等等諸如此類的問題。經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。

小文雖短但不乏精華,希望大家持續關注“微波射頻網”,后續精彩不斷~

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