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科普:为何中频滤波器的带宽被称为分辨率带宽?

2020-04-22 11:10 来源:互联网 编辑:Emma

众所周知,频谱仪是射频工程师最常见的检测设备之一,通过检测显示信号的频率、功率、谐波、相位噪声等诸多射频参数在进行测试测量分析。在使用频谱仪时,其中有一个参数需要单独设置,就是分辨率带宽(简称RBW)。RBW是指中频链路上最小的中频滤波器带宽,决定了能够通过的信号及宽带噪声的功率,因此对频谱测试至关重要。为何中频滤波器的带宽被称为分辨率带宽?这是本文重点讲解的部分。

为什么称为分辨率带宽呢?

当测试CW信号的频谱时,您可能有过这样的体会:增大RBW时,信号频谱会“变胖”,而减小RBW时,信号频谱会“变瘦”,为什么会出现这样的情况?这样还能准确测试信号的频率和功率吗?

首先明确的是,对于CW信号,只要具有足够的信噪比,使用多大的RBW都是可以准确测试功率的,而单频点信号的频率测试也是不受RBW影响的。之所以在不同的RBW时具有不同的频谱形态,是因为看到的频谱实际上是中频滤波器的幅频响应。

对于扫频式频谱仪,中频是固定的,射频的扫描测试是通过LO的不断调谐实现的,正是由于LO的调谐才使得频谱呈现这样的形态。为了更加清晰地说明这一点,下面通过图示进行解释。

图1中,紫色谱线为RF信号的位置,红色谱线为LO调谐的位置,而蓝色谱线为IF——频谱仪的中频都是固定的值。浅蓝色曲线为Gaussian filter的幅频响应曲线,红色的圆点表示在LO不断调谐过程中,与RF信号混频后产生的中频信号的位置。

科普:为何中频滤波器的带宽被称为分辨率带宽?

图1. LO不断调谐实现RF信号的扫描测试

科普:为何中频滤波器的带宽被称为分辨率带宽?

图1. LO不断调谐实现RF信号的扫描测试(续)

LO调谐时,混频后的中频信号首先不断靠近频谱仪的IF,然后再逐步远离IF,假设混频器的变频损耗是平坦的,这意味着LO调谐过程中产生的所有中频信号的幅度都是相同的。但是,最终都要经过一个中心频率固定的中频滤波器,因此,最终呈现出的频谱就是这个中频滤波器的幅频响应曲线。

那么前面介绍的这些内容与分辨率有什么关系?

这是为了更好地理解下面的内容,前面是以单音信号为例,如果测试的是图2所示的等幅双音信号(绿色谱线),频谱将是怎样的呢?

如果双音信号频间距远远小于中频滤波器的带宽,那么频谱仪是无法“分辨”出这两根谱线的,而是“误认为”是一根谱线。当频间距与中频滤波器带宽相等时,频谱仪测得的频谱将如图2(中)所示,通常认为此时为可分辨的临界点。如果将RBW设置得远远小于频间距,则可以非常清晰的将两个信号分辨出来,如图2(右)所示。

科普:为何中频滤波器的带宽被称为分辨率带宽?

图2. 中频滤波器的带宽决定了频谱仪区分双音信号的能力

类似地,对于多音信号,只有中频滤波器带宽远远小于最小频间距时,频谱仪才可以清晰地分辨出来。因此,中频滤波器的带宽决定了频谱仪的频率分辨率, 这就是为什么将其称为分辨率带宽RBW的原因。

为了使得频谱仪能够更好地分辨信号,如何设置RBW呢?其实没有一个定论,操作人员可以通过连续调整RBW的方式选择合适的值。通常情况下,对于等幅双音或多音信号,建议将RBW设置为最小频间距的1/10;对于非等幅信号,由于中频滤波器有限的带外选择性,需要将RBW设置得更小。

RBW除了影响分辨率,还会影响频谱仪哪些参数?

文章开头提到,RBW决定了能够通过中频滤波器的宽带噪声信号的功率,这也就意味着会影响频谱仪的底噪声水平。如果测试的是宽带信号,那么同样也会影响显示的信号功率大小。

当降低RBW时,频谱仪显示的底噪声也会随之而降,反之,当增大RBW时,底噪声也会随之增大。这就好比在教室上课,而外面很嘈杂,当将门逐渐关闭时,能听到的噪音越来越小,这是相同的道理。

如果要从理论上分析RBW对频谱仪底噪声的影响,那么就要从下面的公式说起。假设在室温下(290K),则频谱仪的底噪声为:

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

式中,k为玻尔兹曼常数,B为系统带宽,F SA 为频谱仪整个链路的等效噪声因子,G SA 为整个链路的增益。通常,频谱仪的链路都做了校准,因此G SA =1。

Noise Floor, rms = kBT 0 * F SA

对于频谱仪而言,系统带宽B与RBW之间有一定的比例关系,这取决于所使用的中频滤波器的类型,比如目前广泛应用于频谱仪的Gaussian滤波器,系统带宽B与RBW基本相同。

为了便于理解,将上式写为对数形式,如下:

Noise Floor, rms = -174dBm/Hz + NF SA + 10lg(RBW)

由上式可知:RBW越大,频谱仪的底噪越高;RBW增大10倍,则底噪将抬高10dB。

所以,当测试比较微弱的信号时,就可以通过降低RBW来提高频谱仪的测试灵敏度。

值得一提的是,当测试宽带信号的频谱时,比如数字调制信号或者宽带噪声信号,Marker显示功率值并不是一个频点的功率,而是RBW带宽内的总功率。当降低RBW时,Marker显示的功率值也会变小;同样,增大RBW时,Marker显示的功率值也会变大。这些变化都是 正常的!

但是测试单频点信号的功率除外,只要具有足够的信噪比,无论RBW如何设置,Marker显示的功率值都是不变的!

RBW除了影响频谱仪的底噪和频率分辨率,对总体的扫描速度也有影响。当RBW设置得很小时,频谱仪的扫描速度会非常慢,这是因为:滤波器的带宽越小,瞬态响应时间越长,也就是需要更长的时间建立冲激响应。

如何设置RBW才能实现更好的测试效果?

具体如何设置RBW,与测试的信号特点以及测试参数都有一定的关系。需要根据RBW对频谱仪性能的影响,以及信号自身的特点,选择合适的RBW。下面列举了三种典型的测试场景,并给出了相应的推荐设置。

场景一:单频点信号的频谱测试

如果信号功率较大,无所谓RBW如何设置。但是,当信号很微弱时,就需要适当降低RBW,以降低底噪声,提高信噪比,比如测试杂散、高次谐波等。如果要保证一定的功率测试精度,则SNR至少要达到10dB以上。

场景二:多音信号的频谱测试

多音信号是指具有多个频率点的CW信号,如果各个频点的幅度相同,则建议RBW不超过最小频率间距的1/10,以完全分辨出各个信号。如果各个频点的幅度不同,那么RBW还需要设置得更小,以减少中频滤波器的滚降特性带来的影响。比如,测试射频脉冲信号的线状谱时,距离载波越远的谱线幅度越低,RBW要远远小于脉重频才可以实现清晰的观测。

场景三:带宽积分法测试宽带信号的总功率

测试宽带信号的总功率,应用更多的是带宽积分法,测试思路是,首先根据当前设置的RBW及对应的功率值计算出信号的功率谱密度,然后再对宽带信号进行积分,从而得到总功率值。

有些文献提到,采用带宽积分法测试宽带信号总功率时,由于中频滤波器有限的带外抑制度,在信号带宽左右两个边界处,无法对带外信号或噪声进行充分抑制,因此为了提高测试精度,建议将RBW选择为信号带宽的1%~3%。当然,RBW也不适合取太小,否则测试速度会非常慢。

其实,如果只是测试宽带信号的功率,大可不必将RBW设置得这么小,实测表明:RBW取为信号带宽的1/10,甚至更大,测得的信号功率并没有太大变化。

尽管如此,当测试诸如CDMA/WCDMA等无线通信信号的ACPR或者ACLR时,仍然建议RBW设置得小一点,这样在测试临道功率时,才能够抑制较强的信道信号,从而保证测试精度!

另外,还须注意,只有选择RMS检波器时,测得的功率才是真正的总功率。关于显示检波器的内容,将在后续的文章中详细地描述。

小结

在初次使用频谱仪时,也有很多困惑,其中就包含对RBW的理解。为什么称为“分辨率”带宽,RBW对频谱仪有什么影响,对测试结果有什么影响,等等诸如此类的问题。经过不断的摸索和思考,对这些问题的理解也更加深入,整理下来分享给大家,希望对大家有所帮助。

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