频谱仪的分辨率带宽（如何理解频谱仪中分辨率带宽RBW参数）

频谱分析仪是射频工程师最常用的设备之一，信号的频率、功率、谐波、相位噪声等很多射频参数都需要通过频谱分析仪进行测试。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是指中频链路上最小的中频滤波器带宽，它决定了能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？带宽对频谱测试有什么影响？分辨率带宽怎么设置？这些将是本文的亮点。

为什么叫分辨率带宽？

在测试CW信号的频谱时，你可能有这样的体验：RBW增大时，信号频谱会“变胖”，而RBW减小时，信号频谱会“变瘦”。为什么会这样？你能准确测试信号的频率和功率吗？

首先，对于CW信号，只要有足够的信噪比，使用任何RBW都可以准确测试功率，单频点信号的频率测试不受RBW的影响。不同的RBW之所以有不同的频谱形状，是因为看到的频谱实际上是中频滤波器的幅频响应。

对于扫频光谱仪，中频是固定的，射频的扫描测试是通过本振的不断调谐来实现的。正是由于LO的调谐，频谱呈现出这样的形状。为了更清楚的说明这一点，下面通过图解进行说明。

在图1中，紫线是射频信号的位置，红线是LO调谐的位置，蓝线是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连续调谐过程中与RF信号混频后产生的中频信号的位置。

图一。本振连续调谐实现射频信号扫描测试

图一。实现射频信号扫描测试的本振连续调谐(续)

当LO调谐时，混合IF信号首先接近频谱仪的IF，然后逐渐远离IF。假设混频器的转换损耗是平坦的，这意味着LO调谐期间产生的所有IF信号幅度相同。但最终会经过一个中心频率固定的中频滤波器，所以最终呈现的频谱就是这个中频滤波器的幅频响应曲线。

那么前面提到的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。前面的例子是一个单音信号。如果测试图2所示的等幅双音信号(绿色谱线)，频谱会是什么样子？

如果双音信号的频率间隔远小于中频滤波器的带宽，那么频谱分析仪就无法“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设置为远小于频率间隔，两个信号可以清楚地区分，如图2(右)所示。

图二。中频滤波器的带宽决定了频谱分析仪分辨双音信号的能力。

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，频谱分析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？其实也没有定论。操作员可以通过不断调整RBW来选择合适的值。一般情况下，对于等幅的双音或多音信号，建议将RBW设置为最小频率间距的1/10；对于不等幅度信号，由于中频滤波器的带外选择性有限，RBW需要设置得更小。

除了分辨率，RBW还会影响光谱仪的哪些参数？

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，也就是说它会影响光谱仪的噪声水平。

当RBW降低时，频谱分析仪显示的本底噪声也会降低；相反，当RBW增加时，噪底也会增加。就像教室里上课，外面却很吵。当门逐渐关闭时，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对频谱分析仪底噪的影响，要从下面的公式说起。在室温(290K)下，光谱仪的本底噪声为：

噪底rms=kBT0* FSA* GSA

其中k为玻尔兹曼常数，b为系统带宽，FSA为光谱仪整个链路的等效噪声因子，GSA为整个链路的增益。通常频谱分析仪的链路都是校准的，所以GSA=1。

噪底rms=kBT0* FSA

对于频谱分析仪来说，系统带宽B和RBW有一定的比例关系，这取决于所用的中频滤波器的类型。比如目前频谱分析仪中广泛使用的高斯滤波器，其系统带宽B和RBW相同。

为便于理解，将上述公式写成对数形式，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，噪底将提高10dB。

因此，在测试微弱信号时，可以通过降低RBW来提高频谱分析仪的灵敏度。

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降低时，标记显示的功率值也会变小；同样，当RBW增加时，标记显示的功率值也会变大。这些变化都是正常的！

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。根据RBW对频谱分析仪性能的影响和信号本身的特点，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

如果信号功率很大，RBW如何设置并不重要。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。如果要保证一定的功率测试精度，SNR至少应在10dB以上。

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。如果每个频点的幅度相同，建议RBW不要超过最小频率距离的1/10，才能完全区分每个信号。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。例如，在测试射频脉冲信号的线谱时，离载波越远，谱线振幅越低，RBW应远小于脉冲重复频率，才能实现清晰的观测。

场景3:用带宽积分法测试宽带信号的总功率

为了测试宽带信号的总功率，更常用带宽积分法。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，得到总的功率值。

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程度有限，带外信号或噪声在信号带宽的左右边界处不能被完全抑制。因此，为了提高测试精度，建议RBW取为信号带宽的1%~3%。当然，RBW不适合太小，否则测试速度会很慢。

事实上，如果

但在测试CDMA/WCDMA等无线通信信号的ACPR或ACLR时，建议将RBW设置得小一点，这样在测试邻道功率时，可以抑制强信道信号，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。

第一次使用光谱仪时，也有很多困惑，包括对RBW的理解。为什么叫“分辨率”带宽，RBW对频谱分析仪有什么影响，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了解，我们会整理出来分享给大家，希望对你有所帮助。

审计郭婷