频谱仪是射频工程师最常用的设备之一。许多射频参数如信号频率、功率、谐波和相位噪声都需要用频谱仪来测试。使用光谱仪时，有一个参数需要经常设置，那就是分辨率带宽(RBW)。RBW是指中频链路上的最小中频滤波器带宽，它决定了可以通过的信号和宽带噪声的功率，因此对于频谱测试非常重要。
中频滤波器的带宽为什么叫分辨率带宽？分辨率带宽对频谱测试有什么影响？分辨率带宽怎么设置？这些将是本文的重点。
为什么叫分辨率带宽？
在测试CW信号的频谱时，你可能有过这样的体验：增大RBW时信号频谱会“胖”，减小RBW时信号频谱会“瘦”。为什么会这样？这样还能准确测试信号的频率和功率吗？
首先明确，对于CW信号，只要有足够的信噪比，用多少RBW就能准确测试功率，单频信号的频率测试不受RBW的影响。之所以在不同的RBW会有不同的频谱形状，是因为看到的频谱实际上是中频滤波器的幅频响应。
对于扫频分析仪来说，中频是固定的，通过LO的不断调谐来实现RF的扫描测试，使得频谱呈现这样的形状。为了更清楚地说明这一点，下面用图表来说明。
图1中，紫色谱线是射频信号的位置，红色谱线是LO调谐的位置，蓝色谱线是IF——频谱仪的IF，都是固定值。浅蓝色曲线是高斯滤波器的幅频响应曲线，红点表示LO连续调谐时与RF信号混频后产生的中频信号的位置。
图一。射频信号的扫描测试是通过本振的连续调谐来实现的。
图一。通过连续调谐LO扫描测试RF信号(续)
当LO被调谐时，混合中频信号首先保持接近频谱仪的中频，然后逐渐远离中频。假设混频器的变频损耗是平坦的，这意味着LO调谐期间产生的所有IF信号的幅度都是相同的。但是最后都经过一个中心频率固定的中频滤波器，所以最后呈现的频谱就是这个中频滤波器的幅频响应曲线。
那么以上内容和分辨率有什么关系呢？
这是为了更好的理解下面的内容。前面以单音信号为例，如果测试图2所示的等幅双音信号(绿色谱线)，频谱会是什么样的？
如果双音信号的频率间隔远小于中频滤波器的带宽，光谱仪就无法“区分”这两条谱线，而是“误以为”它们是一条谱线。当频率间隔等于中频滤波器的带宽时，频谱仪测得的频谱将如图2(中间)所示，这通常被认为是可分辨的临界点。如果RBW设置为比频率间隔小得多，这两个信号可以非常清楚地区分，如图2(右)所示。
图二。中频滤波器的带宽决定了光谱仪区分双音信号的能力。
同样，对于多音信号，只有当中频滤波器的带宽远小于最小频率间隔时，频谱仪才能清晰地区分它们。因此，中频滤波器的带宽决定了频谱仪的频率分辨率，这也是它被称为分辨率带宽RBW的原因。
如何设置RBW才能让光谱仪更好的分辨信号？其实没有定论，操作者可以通过不断调整RBW来选择合适的值。一般情况下，对于等幅双音或多音信号，建议将RBW设置为最小频率区间的1/10；对于非恒幅信号，由于中频滤波器的带外选择性有限，RBW需要设置得更小。
除了影响分辨率，RBW还有哪些参数会影响光谱仪？
文章开头提到，RBW决定了可以通过中频滤波器的宽带噪声信号的功率，也就是说会影响光谱仪的底噪水平。如果测试宽带信号，也会影响显示的信号功率。
当RBW减小时，光谱仪显示的本底噪声也会减小，反之，当RBW增大时，本底噪声也会增大。就像教室里上课，外面很吵。当门逐渐关上时，你能听到的噪音越来越小。这是同一个道理。
如果要从理论上分析RBW对光谱仪底噪的影响，要从下面的公式入手。假设室温(290K)，光谱仪的本底噪声为：
噪底rms=kBT0* FSA* GSA
其中k是玻尔兹曼常数，b是系统带宽，FSA是光谱仪整个链路的等效噪声因子，GSA是整个链路的增益。通常光谱仪的链接都是经过校准的，所以GSA=1。
噪底rms=kBT0* FSA
对于光谱仪来说，系统带宽B和RBW有一定的比例关系，这取决于所用中频滤波器的类型，比如目前光谱仪广泛使用的高斯滤波器，系统带宽B和RBW基本相同。
为便于理解，上述公式以对数形式书写，如下所示：
噪底rms=-174dBm/Hz NFSA 10lg(RBW)
从上式可以看出，RBW越大，光谱仪的本底噪声越高；当RBW增加10倍时，噪底将增加10dB。
因此，在测试微弱信号时，可以通过降低RBW来提高光谱仪的测试灵敏度。
值得一提的是，在测试宽带信号的频谱时，如数字调制信号或宽带噪声信号，Marker显示的功率值不是一个频点的功率，而是RBW带宽内的总功率。当RBW减小时，标记显示的功率值也会减小；同样，当增加RBW时，标记显示的功率值也会增加。这些变化都是正常的！
但是除了测试单频信号的功率，只要有足够的信噪比，无论RBW如何设置，Marker显示的功率值都是不变的！
RBW不仅影响光谱仪的噪声基底和频率分辨率，还影响整体扫描速度。当RBW设置得很小时，光谱仪的扫描速度会很慢，因为滤波器的带宽越小，瞬态响应时间越长，即建立脉冲响应需要的时间越长。
如何设置RBW以达到更好的测试效果？
如何设置RBW与信号特性和测试参数有关。需要根据RBW对光谱仪性能的影响以及信号本身的特性来选择合适的RBW。下面列出了三种典型的测试场景，并给出了相应的推荐设置。
场景1:单频信号频谱测试
如果信号功率很高，RBW如何设置都没关系。但当信号很弱时，需要适当降低RBW，以降低噪底，提高信噪比，比如测试杂散和高次谐波。如果要确保一定的功率测试精度，SNR至少应为10dB。
场景2:多音信号的频谱测试
多音信号是指具有多个频点的CW信号。如果每个频率点的幅度相同，建议RBW不要超过最小频率间隔的1/10，以完全区分每个信号。如果每个频率点的幅度不同，则需要将RBW设置得更小，以降低中频滤波器滚降特性的影响。比如测试射频脉冲信号的线谱时，离载波越远，谱线幅度越低，RBW远小于脉冲重复频率，实现清晰观测。
场景3:用带宽积分法测量宽带信号的总功率
为了测试宽带信号的总功率，带宽积分法得到了更广泛的应用。测试思路是先根据当前设置的RBW和对应的功率值计算信号的功率谱密度，然后对宽带信号进行积分得到总功率值。
有文献提到，用带宽积分法测试宽带信号总功率时，由于中频滤波器的带外抑制有限，在信号带宽左右边界无法完全抑制带外信号或噪声。因此，为了提高测试精度，建议选择RBW为信号带宽的1%~3%。当然，RBW不能太小，否则测试速度会很慢。
事实上，如果我们只测试宽带信号的功率，没有必要将RBW设置得这么小。实际测量表明，如果RBW取为信号带宽的1/10或甚至更多，则测量的信号功率变化不大。
尽管如此，在测试CDMA/WCDMA等无线通信信号的ACPR或ACLR时，仍然建议将RBW设置得小一些，这样可以在测试邻道功率时抑制强信道信号，从而保证测试精度！
此外，需要注意的是，只有选择均方根检波器时，测得的功率才是真实的总功率。显示检测器的内容将在下一篇文章中详细描述。
第一次使用分光计时，也有许多困惑，包括对RBW的理解。为什么叫“分辨率”带宽，RBW对光谱仪有什么影响，对测试结果有什么影响等等。经过不断的探索和思考，对这些问题有了更深入的认识，我会整理出来分享给大家，希望对你有所帮助。
审计郭婷
