RF測試筆記是業界一線工程師們通過理論和實踐相結合的方式介紹射頻微波測試技術的專欄，主要涵蓋噪聲係數、數字調製、矢網、頻譜分析、脈衝信號等內容。如有想看到的內容或技術問題，可以在文尾寫下留言。
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，就是解析度帶寬(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。
為什麼將中頻濾波器的帶寬稱為解析度帶寬？解析度帶寬對頻譜測試有哪些影響？如何設置解析度帶寬？這些將是本文重點介紹的內容。
為什麼稱為解析度帶寬呢？
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」，為什麼會出現這樣的情況？這樣還能準確測試信號的頻率和功率嗎？
首先明確的是，對於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。
對於掃頻式頻譜儀，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，正是由於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信號混頻後產生的中頻信號的位置。
圖1. 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(續)
LO調諧時，混頻後的中頻信號首先不斷靠近頻譜儀的IF，然後再逐步遠離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。
那麼前面介紹的這些內容與解析度有什麼關係？
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於中頻濾波器的帶寬，那麼頻譜儀是無法「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設置得遠遠小於頻間距，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分雙音信號的能力
類似地，對於多音信號，只有中頻濾波器帶寬遠遠小於最小頻間距時，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解析度，這就是為什麼將其稱為解析度帶寬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，對於等幅雙音或多音信號，建議將RBW設置為最小頻間距的1/10；對於非等幅信號，由於中頻濾波器有限的帶外選擇性，需要將RBW設置得更小。
RBW除了影響解析度，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，那麼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，那麼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
對於頻譜儀而言，系統帶寬B與RBW之間有一定的比例關係，這取決於所使用的中頻濾波器的類型，比如目前廣泛應用於頻譜儀的Gaussian濾波器，系統帶寬B與RBW基本相同。
為了便於理解，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，比如數字調製信號或者寬帶噪聲信號，Marker顯示功率值並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解析度，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衝激響應。
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係。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，並給出了相應的推薦設置。
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，那麼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，測試射頻脈衝信號的線狀譜時，距離載波越遠的譜線幅度越低，RBW要遠遠小於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，然後再對寬帶信號進行積分，從而得到總功率值。
有些文獻提到，採用帶寬積分法測試寬帶信號總功率時，由於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設置得這麼小，實測表明：RBW取為信號帶寬的1/10，甚至更大，測得的信號功率並沒有太大變化。
儘管如此，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。關於顯示檢波器的內容，將在後續的文章中詳細地描述。
小結
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。為什麼稱為「解析度」帶寬，RBW對頻譜儀有什麼影響，對測試結果有什麼影響，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」，後續精彩不斷~ 本期原創工程師：海川RF測試筆記：
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