頻譜儀RBW那些事

當(dāng)你用頻譜儀測(cè)試一個(gè)正弦波時(shí)，理論告訴你，你應(yīng)該得到一根線。但是實(shí)際上，頻譜儀顯示出的曲線是這樣的，不是一根線，而是一個(gè)包絡(luò)。這是因?yàn)?，頻譜儀顯示的是中頻濾波器的頻域響應(yīng)曲線。頻譜儀掃描LO，把輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成固定IF的信號(hào)，然后通過(guò)IF濾波器，這時(shí)，IF信號(hào)與濾波器的傳遞函數(shù)相乘。想像一下，你要測(cè)量一個(gè)1GHz的信號(hào)，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(shè)置要測(cè)量的頻率范圍，比如start,stop或者center,span。好吧，其實(shí)不是頻譜儀讓你設(shè)置，是你主動(dòng)去設(shè)置，因?yàn)槭悄阆霚y(cè)頻率。好了，現(xiàn)在頻譜儀就知道了要測(cè)試的頻率范圍，假設(shè)start是0.5GHz,stop是1.5GHz。頻譜儀就開(kāi)始掃描LO,掃描頻率需要遠(yuǎn)小于RBW，比如設(shè)置為RBW/10.然后輸入信號(hào)就開(kāi)始一小段一小段地經(jīng)過(guò)中頻濾波器器。比如說(shuō)，1GHz的信號(hào)，經(jīng)過(guò)變頻，變換到20.4MHz，假設(shè)IF濾波器的BW為10KHz，LO掃頻間隔為1KHz，則頻譜儀的掃描過(guò)程就如下圖所示。看不明白的，就多看幾遍，我腦子本來(lái)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(luò)。
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(shí)，使信號(hào)能夠通過(guò)3dB的下降來(lái)區(qū)分時(shí)，兩個(gè)幅度相同的信號(hào)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(shí)，RBW的帶寬為30KHz，兩信號(hào)之間的間隔也為30KHz，正好可以通過(guò)3dB的凹陷，來(lái)看出是兩個(gè)信號(hào)。通過(guò)減小RBW，如3KHz，兩個(gè)信號(hào)則可以更清楚的區(qū)分開(kāi)來(lái)，圖中的藍(lán)線所示。但是，如果兩個(gè)相鄰信號(hào)具有明顯不同的幅度，則當(dāng)RBW設(shè)置的太高時(shí)，較小的信號(hào)則在顯示中看不出來(lái)，如下圖紅線所示。通過(guò)降低分辨率帶寬，可以顯示微弱的信號(hào)。由此可見(jiàn)，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(shí)間總是要比寬帶濾波器長(zhǎng)，因此，現(xiàn)代頻譜儀提供了大量可選的RBW。這樣，想精確點(diǎn)，RBW就打窄點(diǎn)，掃描速度慢點(diǎn)；想快點(diǎn)，RBW就打?qū)掽c(diǎn)，掃描速度快點(diǎn)。設(shè)置范圍通常比較大，可以從10Hz到10MHz。
不過(guò)，這么多不同帶寬的濾波器，并不是使用一種濾波器實(shí)現(xiàn)，而是以不同的方式實(shí)現(xiàn)。共有三種不同類型的過(guò)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(shí)現(xiàn)非常大的分辨率帶寬，比如?100 kHz 到 10 MHz。模擬濾波器無(wú)法實(shí)現(xiàn)理想的高斯濾波器，但是可以在20dB帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)很好的近似，其瞬態(tài)響應(yīng)幾乎與理想高斯濾波器的響應(yīng)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(gè)濾波器電路，但有時(shí)候也有可能有五個(gè)。如上圖所示的中頻通路中，共使用了4個(gè)獨(dú)立的IF濾波器，在IF放大器(30)的前后，各放置了兩個(gè)濾波器電路.
數(shù)字IF濾波器數(shù)字濾波器可以實(shí)現(xiàn)窄帶寬。與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波器可以實(shí)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(diǎn)，因此，具有更高的帶寬精度。數(shù)字濾波器的瞬態(tài)響應(yīng)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(shí)間數(shù)字濾波器可實(shí)現(xiàn)的分辨率帶寬通常為10Hz到30KHz.
FFT非常窄的 IF 帶寬會(huì)導(dǎo)致較長(zhǎng)的瞬態(tài)時(shí)間，從而大大降低掃描速度。因此，對(duì)于非常高的分辨率，建議根據(jù)時(shí)間特性計(jì)算頻譜，即FFT。由于非常高頻信號(hào)（高達(dá)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(gè)塊轉(zhuǎn)換為 IF，然后對(duì)帶通信號(hào)進(jìn)行時(shí)域采樣。如下圖所示。對(duì)采樣后的信號(hào)進(jìn)行FFT計(jì)算，即可獲得相應(yīng)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(chǔ)器的限制。因此，必須將大跨度的頻率范圍細(xì)分為單獨(dú)的段，然后將其轉(zhuǎn)換為塊中的 IF 并進(jìn)行采樣。當(dāng)要求的頻率范圍寬，RBW窄的時(shí)候，即跨度/RBW比值比較大的情況下，如果數(shù)字信號(hào)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(cè)量時(shí)間。FFT濾波器的遠(yuǎn)端抑制度，受泄露效應(yīng)的影響，具體取決于所使用的窗函數(shù)。當(dāng)使用平頂窗作為FFT的窗函數(shù)時(shí)，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(hào)的分析，因此頻譜分析儀有時(shí)候會(huì)同時(shí)提供FFT和傳統(tǒng)濾波器。
參考文獻(xiàn)：Christoph Rauscher， Fundamentals of Spectrum Analysis，4.2 IF signal processing