頻譜儀RBW那些事

當你用頻譜儀測試一個正弦波時，理論告訴你，你應該得到一根線。但是實際上，頻譜儀顯示出的曲線是這樣的，不是一根線，而是一個包絡。這是因為，頻譜儀顯示的是中頻濾波器的頻域響應曲線。頻譜儀掃描LO，把輸入信號轉(zhuǎn)換成固定IF的信號，然后通過IF濾波器，這時，IF信號與濾波器的傳遞函數(shù)相乘。想像一下，你要測量一個1GHz的信號，但是你知道是1GHz，頻譜儀不知道。那頻譜儀怎么做的呢？首先頻譜儀讓你設置要測量的頻率范圍，比如start,stop或者center,span。好吧，其實不是頻譜儀讓你設置，是你主動去設置，因為是你想測頻率。好了，現(xiàn)在頻譜儀就知道了要測試的頻率范圍，假設start是0.5GHz,stop是1.5GHz。頻譜儀就開始掃描LO,掃描頻率需要遠小于RBW，比如設置為RBW/10.然后輸入信號就開始一小段一小段地經(jīng)過中頻濾波器器。比如說，1GHz的信號，經(jīng)過變頻，變換到20.4MHz，假設IF濾波器的BW為10KHz，LO掃頻間隔為1KHz，則頻譜儀的掃描過程就如下圖所示?？床幻靼椎?，就多看幾遍，我腦子本來轉(zhuǎn)也慢，也是想了一小久，才想明白。所以，頻譜儀顯示的不是理想的線譜，而是顯示出了中頻濾波器的包絡。
頻譜分析儀的頻譜分辨率主要取決于分辨率帶寬，即中頻濾波器的帶寬。IF 帶寬（3 dB 帶寬），是指，在使用sample或者peak檢波器時，使信號能夠通過3dB的下降來區(qū)分時，兩個幅度相同的信號之間所需的最小頻率間隔。如下圖中的上面圖中的紅線所示，此時，RBW的帶寬為30KHz，兩信號之間的間隔也為30KHz，正好可以通過3dB的凹陷，來看出是兩個信號。通過減小RBW，如3KHz，兩個信號則可以更清楚的區(qū)分開來，圖中的藍線所示。但是，如果兩個相鄰信號具有明顯不同的幅度，則當RBW設置的太高時，較小的信號則在顯示中看不出來，如下圖紅線所示。通過降低分辨率帶寬，可以顯示微弱的信號。由此可見，想要獲得高的頻譜分辨率，則需要窄帶IF濾波器。但是窄帶濾波器的瞬態(tài)時間總是要比寬帶濾波器長，因此，現(xiàn)代頻譜儀提供了大量可選的RBW。這樣，想精確點，RBW就打窄點，掃描速度慢點；想快點，RBW就打?qū)掽c，掃描速度快點。設置范圍通常比較大，可以從10Hz到10MHz。
不過，這么多不同帶寬的濾波器，并不是使用一種濾波器實現(xiàn)，而是以不同的方式實現(xiàn)。共有三種不同類型的過濾器：

模擬濾波器數(shù)字濾波器FFT

模擬濾波器模擬濾波器用于實現(xiàn)非常大的分辨率帶寬，比如?100 kHz 到 10 MHz。模擬濾波器無法實現(xiàn)理想的高斯濾波器，但是可以在20dB帶寬內(nèi)實現(xiàn)很好的近似，其瞬態(tài)響應幾乎與理想高斯濾波器的響應相同。濾波器的選擇性特性取決于濾波器電路的數(shù)量。 頻譜分析儀通常有四個濾波器電路，但有時候也有可能有五個。如上圖所示的中頻通路中，共使用了4個獨立的IF濾波器，在IF放大器(30)的前后，各放置了兩個濾波器電路.
數(shù)字IF濾波器數(shù)字濾波器可以實現(xiàn)窄帶寬。與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波器可以實現(xiàn)理想的高斯濾波器。此外，數(shù)字濾波器具有高溫度穩(wěn)定性，不受老化影響，且不需要調(diào)整的特點，因此，具有更高的帶寬精度。數(shù)字濾波器的瞬態(tài)響應是定義好的并且是已知的。 使用合適的校正因子，數(shù)字濾波器和相同帶寬的模擬濾波器相比，具有更短的掃描時間數(shù)字濾波器可實現(xiàn)的分辨率帶寬通常為10Hz到30KHz.
FFT非常窄的 IF 帶寬會導致較長的瞬態(tài)時間，從而大大降低掃描速度。因此，對于非常高的分辨率，建議根據(jù)時間特性計算頻譜，即FFT。由于非常高頻信號（高達數(shù) GHz）不能直接由 A/D 轉(zhuǎn)換器采樣，因此需要將感興趣的頻率范圍作為一個塊轉(zhuǎn)換為 IF，然后對帶通信號進行時域采樣。如下圖所示。對采樣后的信號進行FFT計算，即可獲得相應的頻譜。在特定分辨率下面，F(xiàn)FT可分析的最大帶寬取決于 A/D 轉(zhuǎn)換器的采樣率和可用于保存采樣值的存儲器的限制。因此，必須將大跨度的頻率范圍細分為單獨的段，然后將其轉(zhuǎn)換為塊中的 IF 并進行采樣。當要求的頻率范圍寬，RBW窄的時候，即跨度/RBW比值比較大的情況下，如果數(shù)字信號處理速度足夠高的話，使用FFT可以獲得比傳統(tǒng)濾波器更短的測量時間。FFT濾波器的遠端抑制度，受泄露效應的影響，具體取決于所使用的窗函數(shù)。當使用平頂窗作為FFT的窗函數(shù)時，可以獲得大約2.6的形狀因子，由于使用模擬或數(shù)字IF濾波器的選擇性。FFT濾波器不適用與脈沖信號的分析，因此頻譜分析儀有時候會同時提供FFT和傳統(tǒng)濾波器。
參考文獻：Christoph Rauscher， Fundamentals of Spectrum Analysis，4.2 IF signal processing